納秒激光驅(qū)動波動的特性及應(yīng)用研究.pdf

1、當(dāng)激光脈沖照射在材料表面上時,激光的能量在極短的時間內(nèi)沉積在材料表面附近。根據(jù)入射的功率密度和材料本身的性質(zhì),材料表面會出現(xiàn)加熱、熔化、氣化或電離等現(xiàn)象。伴隨這些現(xiàn)象的是由某種機理驅(qū)動產(chǎn)生、并以被照射區(qū)域為振源的波動。在過去幾十年中,對激光驅(qū)動波動現(xiàn)象的研究和應(yīng)用從幾個相關(guān)、但不相同的領(lǐng)域中發(fā)展起來,這些領(lǐng)域包括高能密度物理、激光超聲檢測技術(shù)、強動高壓加載技術(shù)、沖擊誘導(dǎo)化學(xué)反應(yīng)等。目前,雖然激光驅(qū)動波動技術(shù)在某些方面已經(jīng)有實際應(yīng)用,然而

2、關(guān)于波動本身以及這些技術(shù)的特點,特別是激光驅(qū)動沖擊波的研究尚有許多不足之處,并且缺乏簡單有效的探測手段,這使得許多工作偏重于對沖擊高壓的應(yīng)用,而對沖擊現(xiàn)象起源的研究則缺少足夠的實驗支持。在本論文的工作中,激光驅(qū)動波動現(xiàn)象將作為一個整體的方向來研究,具體工作包括分析不同入射功率密度下,激光與材料相互作用及波動產(chǎn)生的機制;研究不同類型波動(激光驅(qū)動超聲波和激光驅(qū)動沖擊波)的產(chǎn)生和探測技術(shù);并對激光超聲技術(shù)和激光沖擊技術(shù)的可能應(yīng)用做初步的探討

3、。
　　本文所關(guān)注的重點是納秒激光脈沖所驅(qū)動的各種類型波動。首先,激光超聲檢測技術(shù)因具有遠距離、非接觸的獨特優(yōu)點而受到廣泛重視。目前國內(nèi)雖有一些單位從事相關(guān)研究,但利用激光超聲技術(shù)非接觸的特點進行極端條件下物性檢測的工作則非常稀少。因此,實驗中我們搭建了納秒激光超聲的產(chǎn)生和探測系統(tǒng),該系統(tǒng)可以在體材料中激發(fā)熱彈性波或燒蝕波。利用該實驗系統(tǒng)得到了高溫變溫條件下,藍寶石單晶的彈性模量和溫度之間的關(guān)系。這一工作將有助于評估藍寶石器件在高

4、溫下工作的可靠性。
　　當(dāng)入射到材料上的功率密度足夠大時,激光所驅(qū)動的彈性聲波會在極短的時間內(nèi)演化為沖擊波,其標(biāo)志是波前處陡峭的沖擊前沿。目前,可以對激光沖擊現(xiàn)象進行研究的手段較少,并且技術(shù)比較復(fù)雜。為了研究納秒激光驅(qū)動的沖擊波的特性,我們設(shè)計了以時間分辨拉曼光譜技術(shù)為基礎(chǔ)的激光沖擊實驗系統(tǒng)及相應(yīng)的標(biāo)靶結(jié)構(gòu),并提出了通過對光譜線形進行擬合以獲得沖擊波參數(shù)的分析方法。該技術(shù)原理簡單,實驗上容易實現(xiàn),可以在納秒的時間尺度上研究激光沖擊

5、波的特性。利用該實驗系統(tǒng),我們得到了沖擊波前的上升時間,同時也測出了沖擊壓力的大小以及沖擊波的傳播速度等特征參量。
　　驅(qū)動沖擊波產(chǎn)生的直接動力是激光等離子體的快速膨脹,因此沖擊波的特征和等離子體的狀態(tài)有直接的關(guān)系。為了加深對激光沖擊現(xiàn)象的了解,我們設(shè)計了研究激光等離子體狀態(tài)的實驗方案:利用拉曼光譜技術(shù)測量等離子體的壓力,同時利用時間分辨光譜測溫技術(shù)測量等離子體的電子溫度。通過改變?nèi)肷浼す獾墓β拭芏?、以及電子溫度隨時間的變化趨勢,

6、發(fā)現(xiàn)電子的密度隨著激光功率密度的提高而快速增長;結(jié)果還表明,由 GW/cm2量級的激光脈沖激發(fā)等離子體即可以使電子密度達到1021/cm3,說明約束結(jié)構(gòu)能夠顯著的提高等離子體的電子密度;而約束結(jié)構(gòu)使沖擊壓力提高也賴于電子密度的增加。這一技術(shù)可以作為密集等離子體的一種診斷方法。
　　作為激光沖擊技術(shù)的可能應(yīng)用之一,我們利用激光驅(qū)動沖擊波模擬材料在受到劇烈撞擊時所承受的動高壓加載。傳統(tǒng)的高速撞擊實驗耗能高、準(zhǔn)備周期長,而利用激光沖擊模

7、擬材料受到撞擊時的力學(xué)效應(yīng),同樣可以研究材料在動高壓加載下的損傷情況。我們以 K9玻璃為樣品,根據(jù)材料表面所承受的壓力以及表面的損傷形貌,推測出了材料表面所受到的壓力作用方式,并進一步得出了材料在動高壓加載情況下?lián)p傷閾值。由于人造衛(wèi)星等航天器在太空中經(jīng)常遭遇相對速度高達每秒幾十公里的劇烈撞擊,因此這一研究方法將為評估空間飛行器的安全性和可靠性提供一定的參考。
　　本篇論文的工作通過自行設(shè)計的實驗平臺和分析方法,得到了多種簡便易行的