激光与物质相互作用ppt课件

热；t是 熔化开始
z(0 ) 0
后的时间。
.
tn
l 2Tn2
4at 2aA2 Ps 02
激 光 等 离 子
tn是激光照射材料表面到材料熔化所需的时间 对于大多数金属而言， L l 0 . 5 clT n
体 近似成立，所以溶化波前的深度为
z(t)
0.16aAPs0
Ll
(t
tn)
.
激 光 等 离 子 体
和熔化期间材料的热特性保持不变，且激光强度恒定， 均匀地作用于材料表面，熔化（液相区）也均匀地出 现在某一平面上，并假设等温面z（t），边界条件为：
.
Ti t
a li
2T i z2
i
1, 2 ,...
•
式中下标 1，2分
激 光 等 离 子 体
T 2 T1 L l d z (t ) z z (t ), t
.
激 光
代入分布函数式并积分，得到Knudsen层的质量、动 量、能量守恒方程
等
离
子
体
.
激 光 等 离 子 体
.
• 变换一下得靶表面蒸汽的温度、密度与靶材密度、 表面温度的关系。
激 光 等 离 子 体
.
•Knudsen层的蒸气马赫数Ma为
激
光
等 离
马赫数:Mach number
子 定义1：在某一介质中物体运动
一般气化时间比熔融时间高出一个数量级，原
激 因在于沸点比熔点高得多。而且气化潜热比熔融
光 潜热要大一个数量级。
等
离 子 体
激光加热靶材且至气化过程中，有两个非常重要的物理 量：激光与靶材的热耦合系数，激光能量中被转化为靶
的热能的部分。
质量迁移率：m/E，材料气化而损失的质量与激光能量
的比值，与激光功率密的分布、脉冲结构、光斑大小及
材料本身的特性等都有关。
.
• 调Q或锁模激光， m/E的值在1-10g/J，而对自由振荡 脉冲激光、其脉宽为毫秒量级m/E 为102g/J数量级
激 光 等 离 子 体
.
激 很强激光照射靶材引起蒸气或等离子体的流体力学运动 光 及其在凝聚态靶中的力学响应，构成了激光对靶的力学效 等 应，蒸气或等离子体的运动将占据明显的能量比例，其动 离 力学机制成为这类现象的主要因素，并对激光与靶的福合 子 起到决定性的作用。 体
离 子 这种各向异性的速率分布是通过蒸气粒子相耳碰撞
体 形成的，通常认为这种碰撞是在靶表面前方几个平
均自由程内进行，这一区域称为Knudsen层。
.
激 光 等 离 子 体
.
激 光 等 离 子 体
在下面处理过程中，假设所有后向散射蒸气粒 子凝固到靶表面上，并将蒸气近似为理想气体 来处理，那么1mol理想气体内能为
• 第2章 激光熔融与气化
激
光
等 • 激光加热材料表面使得其表面的温度
离 子 体
升高、当表面温度达到材料的熔点时， 将发生熔融现象；继续加热到材料表
面温度达到气化温度时，表面将发生
汽化现象。
.
§1 激光熔融现象
• 当激光致使材料表面的温度达到其熔点时，材料表
激 面已有部分被熔化．而且熔化区的出现使热传导变
.
• 在所作用的激光脉宽一定时，应调整作用激光的 功率密度，以便在激光脉冲结束时材料表面恰好
激 达到气化温度，以获取最大的熔化深度。 光 等 溶蚀时间tn可由热平衡方程近似出 离 子 体
.
激 光 等 离 子 体
.
• 第2节 靶材的气化模型
• 高强度激光脉冲照射金属靶表面分为几个阶段:
激
光 等
•
.
• 考虑熔融潜热
激 光
稳态蒸发解为
等
离
子
体
பைடு நூலகம்
.
激 光 等 离 子 体
.
激 光 等 离 子 体
铝靶吸收了功率密度为107W/cm2的激光后温度分布 .
• 第3节 靶材气化时的Knudsen(克努森)层
从靶表面跑出来的蒸汽粒子具有表面温度下的麦克
激 光 等
斯韦速率分布.而且这些气化粒子的速度方向均是离 开靶表面方向。
体 的速度与该介质中的声速之比。
定义2：流场中某点的速度与该 点处的声速之比
.
• 第4节Knubsen层外的蒸气流动
五条假没:
激 光 等 离
1)作用激光近似作为顶帽型(top-hat)处理。 2)激光脉冲开始时，就有蒸发现象 3)激光脉冲期间，靶表面靶物质喷溅是稳定
子 的。
体
4)靶周围气体均匀且静止。
离
首先，靶表面达到熔点温度时，就形成一个熔融 层，然后温度继续上升直到蒸发开始。一部分吸
子 收的激光能流变为蒸发的潜热、气化质量的动能
体 和喷溅蒸气的热量，其余部分传给靶材。最后，
在强度不是很高的条件下，喷溅蒸气不能形成强
吸收，系统达到一个稳定状态。
.
激 光 等 离 子 体
.
• 若激光加热能量分布随时一间变化，则必须假定
z z
l dt
l
Tl z
a Ps0 z
0,t
0
T1 T 2 T n z z (t ), t 0
l i m l i m T ( z , t ) T ,
z
z
T2 0 z
T2 ( z,0 ) T1( z )
0
别表示液 相和固相，
Tn代表 融化温度；
Ll为材料
的熔化潜
在每一时刻均存在稳定状态解，然后将所有的点
激 的解集合。
光
等
离
子 体
对于蒸发稳定状态，可从温度和蒸气的质量变化率来 计算蒸气压力
.
• 在更高的强度下，激光和蒸气之间的相互作用变 得重要了，温度很高以致部分靶蒸气原子处于激
激 发状态，另外随着蒸气密度的加大，逆韧致辐射 光 过程加强了。 等 离 子 体
5)与气体喷溅速度相比，靶表面后退速率很
慢
.
整个区域分为三部分，1、表示 稳态气体，2、表示受扰动气
激 体;3、为Knudsen层邻近气体 光 等 冲击波后的气体速度 离 子 体
.
激 光 等 离 子 体
.
激 Ma3表示接触间断面蒸气中的马赫数 光 等 离 子 体 代入V2
.
激 光 等 离 子 体
光 得很复杂；原因主要因为材料熔化要吸收熔化热；
等 离
其次材料的热导率在熔化前后将成倍的变化。
子
体
.
• 激光照射到材料表面时，材料表面温度按热传导的规
律升高，但表面温度达到熔点Tm，等温面(熔化波前)
激 以一定的速度向材料内部传播。其传播速度取决于激 光 光功率密度和材料的固相、液相的热力学参数。 等 离 子等温面传播的最大距离为最大熔化深度，该物理量是 体激光焊接中的重要参数。为使问题简化，在激光加热
.
• 饱和蒸气压力和Knudsen层温度Ts的函数关系 激 光 等 离 子 体
.
激 光 等 离 子 体
.
• 第5节 气化时间的估计
假设气化过程中，所有材料在液相和固相时性质相同，且不
激 随温度变化，那么气化厚度为d ,:的金属所需时间可由能量守 光 恒定律推得 等 离 子 体
.
作用激光功率密度愈高所需气化时间愈短；