激光冲击波机理及其在皮肤给药中的应用综述(5)
当强激光与金属表面相互作用时，金属材料吸收激光能量产生熔融与气化，随后蒸汽粒子继续吸收激光能量，蒸汽温度继续升高，最后导致蒸汽电离，产生等离子体。当激光束入射到等离子体时，将发生强烈的相互作用，等离子体将显著地吸收入射的激光，使等离子体被继续加热。当等离子体被激光加热，温度升高到足够的程度时，等离子体中将出现电子热传导性。这时，等离子中的温度、密度和等离子体速度将出现再分布，等离子体中电子和离子的平衡态将被强烈地打乱，离子温度将远低于电子温度。随着激光束继续不断地被等离子体吸收，等离子体的温度将继续升高并向外膨胀。通过热传导、热辐射使得材料前面的冷空气加热和电离，并以一定的速度离开靶面向激光器方向运动，形成激光支持的吸收波。这种激光支持的吸收波根据波前气体的速度与气体中音速之比可分为激光文持的燃烧波(LSC)和爆轰波(LSD)。
当靶面受到较强激光功率密度照射时，靶蒸汽部分电离、加热，进而依靠热传导、热辐射等输运机制，也使其前方的冷气体加热和电离，形成LSC波。此时仍有部分激光透过等离子体区入射到靶表面，增强激光与靶蒸汽的热耦合，随着等离子体向前离去，其耦合受到削弱，逐渐形成对靶的屏蔽。随着激光功率密度增大，LSC吸收区运动加快，吸收增强，直至与前方冲击波会合，形成LSD波。这时辐射的激光能量直接被激波波前所吸收，激光所提供的能量相当于一般爆轰波中的化学反应所提供的能量。因此，爆轰波在沿着光束的方向被支持住，继续吸收激光能量后，发生爆炸与电离，形成由激光束能量支持的爆轰波，其体积急剧膨胀，压力增大。由于有能量转换体中约束层的约束作用，急剧膨胀的等离子体被限制在金属靶表面，使等离子体压力进一步升高，结果形成高强激光冲击波[8]。
3.2会聚激光冲击波的传播
3.2.1 会聚激光冲击波在水中的传播观察
在目前的情况下，光学激发或者激光冲击被通常都是以环形的模式作用于样品，发射并会聚一个指向样品内部或中心的冲击波。激光脉冲对薄样品层作用后，冲击波从样品表面外层传播，而不是从样品通过那样前后传播。
图7 激光冲击波产生和成像的实验装置原理图
实验装置如图7所示。脉冲激光冲击直接作用于锥棱镜上面，并被透镜会聚，以此，在样品层面上形成一个环形图。冲击波的2D空间图像被不定的延迟记录，探测脉冲直接通过样品和一个常见的二透镜成像系统到达CCD照相机。在目前的实验中，样品通常包含一个5μm厚的水层，以吸收油墨中悬浮的碳纳米颗粒（油墨被稀释10倍使得碳纳米颗粒密度达到2wt%，因此用一个聚合物垫片能将其夹进两个100μm的玻璃基片中间）。冲击波通过碳纳米颗粒吸收皮秒的激光脉冲在样品内部产生，经过光敏的能量释放和蒸发以产生高压。90%伴随而来的影响被5μm厚的样品层所吸收。视窗和水样的阻抗之间的不匹配把冲击波限制在样品表面的附近。
冲击波在水中波峰处的压强P和传播速度Us有关，根据以下方程和激波阵面的跃变条件来计算:
(1)
其中，c0=1.43km/s, ρ0=0.998g/cm3。分别表示声学的速率和纯水的密度，因子1.99是经验值。因此是通过速率直接计算压强的。
冲击向焦点传播的整个过程持续了若干纳秒。一旦确定了反馈是如预期成圆柱形对称，那么一个单个的空间次元就足以对整个过程提供一个持续的图片记录。在激波阵面，折射率梯度比较大，使得从图像孔径处出来的照明光源出现了一个偏差，结果如图8中冲击波的暗处所示，外部冲击波迅速溢出了可视区;内波主要体现在黑暗的交叉线，其斜率逐渐增加。激波位置是时间的函数，由条纹图像中自动提取并计算而得出。结果曲线至少是平方级符合多项式方程的，该方程应是包含时间和冲击波速度，并按照方程（1）的冲击压强而改变的。
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