激光空化微納制造機理的數(shù)值及實驗研究.pdf

1、激光誘導空化是激光在液體中發(fā)生光學擊穿時產(chǎn)生的一種空化現(xiàn)象。當高功率激光作用在液體或材料表面時，在激光能量密度大于被作用材料的擊穿閾值的條件下，會在激光作用區(qū)域發(fā)生光學擊穿同時形成高溫等離子體。隨著吸收激光能量的等離子體膨脹及沖擊波輻射，激光誘導的空化泡也開始形成。空泡形成后，會在泡內(nèi)外壓力梯度的作用下膨脹、收縮并伴隨著沖擊波輻射和微射流，在數(shù)次的脈動后空泡最終會因能量全部耗散而消失。本文就是利用空化過程時產(chǎn)生的等離子體及沖擊波和微射流

2、可以實現(xiàn)微納制造。本文對激光誘導空化微納制造機理進行了數(shù)值和實驗研究，具體研究內(nèi)容包括如下如下幾個方面:
　　建立了激光空化微納制造的簡化模型，用以分析實驗中不能觀察的現(xiàn)象。其數(shù)學模型是基于勢流理論?？紤]到流體可壓縮性的影響，基于匹配漸近展開法提出了近似微擾動法。得出的結論是空泡表面速度勢滿足Laplace方程。利用圓柱極坐標使得初始的3維勢問題轉化為1維問題解決。準確簡化激光空化微納制造模型和處理環(huán)形空泡是必要的?；诨旌蠚W拉拉

3、格朗日(MEL)法和空泡在弱可壓縮流體的快速多極子邊界元法(FMBEM)，建立了激光空化微納制造的數(shù)值模型。
　　實驗研究幾種材料（鏡面鋁、硅膠）激光誘導空化微納制造機理。使用單脈沖Nd∶YAG激光器產(chǎn)生單個的空化泡。通過瞬間單脈沖激光能量來控制空化泡的體積。空化泡的初始位置對微納制造有著重要的影響，可以用微移動平臺對其進行較為精密的控制。使用高速攝影儀對空化時序進行實時拍攝，觀察在微納制造過程中的初始膨脹階段球形空泡和在接近材料

4、非球形空化泡產(chǎn)生的變形。由于流場的非對稱性使得空泡在潰滅時產(chǎn)生高速的微射流從而對材料進行微納制造，同時利用噴嘴實現(xiàn)微納制造的控形。通過水聽計對振蕩空泡和制造過程產(chǎn)生的聲波進行測量，能更為準確的評估空化泡的振蕩周期對微納制造的影響。在最大空泡半徑已知情況下，使用無因次空化泡振蕩周期的統(tǒng)計分析可以粗略預測空化泡初始位置，有利于微納制造精密控制。用CAD分析空泡大小時序圖。通過射流沖擊后最大膨脹體積來估算空化泡的能量。
　　用可靠的分析