双脉冲激光支持的爆轰波在空气中的产生和传播(3)
时间:2017-06-01 22:35 来源:毕业论文 作者:毕业论文 点击:次
Forsman、Banks和Perry[18]等利用双脉冲激光提高了材料消融的速度，扩大了孔的大小，提高了高宽比并提出了一个简单的模型解释双脉冲激光产生的数据。2007年，Hartmann、Gillner和Aydin[19]等人将双脉冲激光作用在304号不锈钢和C75号不锈钢表面研究其消融率，他们发现双脉冲激光相对于单脉冲激光，提高了烧蚀的体积，他们认为烧蚀率的增加是由于激光脉冲和靶材表面的相互作用，而不是和脉冲产生的等离子体；熔融孔附近由于第一束激光脉冲而降低的粒子密度使得蒸汽溢出加快，并且材料表面的预加热加速了熔融物脱落，这两个原因使得烧蚀率进一步增加。2009年，Wang、Michalowski和Walter[20]等用纳秒双脉冲激光对不同厚度的不锈钢进行打孔，发现：1）双脉冲与单脉冲相似，都存在激光能量密度饱和；2）单脉冲激光打孔速度在很大程度上与样品厚度有关，而双脉冲对于0.4到1mm厚度的样品，打孔速度保持不变；3）激光重复率的变化对于双脉冲激光的烧蚀率没有明显的效果。此外，空气中双脉冲激光打孔的速度与真空中的单脉冲打孔速度有过之而无不及，实验结果表明，双脉冲激光打孔与传统的单脉冲激光打孔相比效率有着显著提高。 1.2 激光支持爆轰波的产生和传播机制 1．2．1 激光支持爆轰波的产生 大功率激光束在空气中聚焦, 当聚焦点的功率密度达到1×1013 W/m2[21] 以上时, 空气被击穿变成高温等离子体, 等离子体进一步吸收激光能量后, 沿激 光入射方向形成爆轰波, 这种爆轰波被称为激光支持爆轰波（Laser Supported Detonation Wave）。 强激光在空气中经透镜聚焦后，当光束的能量密度超过空气击穿阈值时，在激光束的强电场作用下，气体将发生电离、强烈吸收激光，同时压力急剧升高、体积膨胀，发生小范围的爆炸，这种现象称为光学击穿，一般认为光学击穿最先在焦点处发生。环境气体中自然存在的自由电子非常少，电离势很高，单个光子很难使气体电离。通常认为气体通过多光子吸收机制初始产生少量自由电子[22]，电子在激光束的高电场作用下加速运动，与气体原子碰撞使其发生电离，随着自由电子数量增加，连续不断的碰撞发展成为电子雪崩。当电子雪崩产生的自由电子超过由于激发、吸收和扩散因素造成的损失时，气体发生光学击穿，形成等离子体吸收区。激光能量在一定厚度的等离子体吸收区内被电子吸收并转化为内能，使温度升高。等离子体迅速想周围空气膨胀，压缩周围空气，形成激光支持爆轰波。 1．2．2 激光支持爆轰波的传播机制 目前，主要有三种机制[23]来解释吸收层前面气体的电离：“击穿波”机制、冲击波机制、辐射加热机制。 1.“击穿波”机制 在焦点处激光以高于击穿阈值的强度击穿空气时，在激光光路一定范围内，激光也会使空气发生击穿。在焦点处激光光路最窄，强度最大，最先发生击穿。在这种机制下，吸收层前面的气体通过强激光的直接击穿发生电离。电离后的气体吸收激光能量，并阻碍后一吸收层对激光的吸收。沿着光路向着激光光源方向有一个击穿波在运动，在这种机制下，吸收波的速度与激光发生击穿的弛豫时间有关，一般击穿波速度接近于光速，且在吸收层前面没有形成冲击波。 2. 冲击波机制 激光在焦点处击穿空气后，形成一个高温高压的等离子体吸收层，吸收层的等离子气体会向光束方向和其他方向膨胀，从而形成冲击波。冲击波扫过的气体区域受到强烈的冲击压缩，内能增加，温度升高，气体发生电离。当气体电离度达到一定值后，气体变的不透明，冲击压缩层中处于光路范围内的部分区域开始 (责任编辑：qin) |