空泡在水下激光推进不同形状靶材中的作用研究(2)
激光与靶材相互作用时，一旦激光入射到靶材表面，其表面会吸收和反射激光，这种吸收和反射主要取决于靶材表面的光学性质。靶表面吸收激光能量，使其表面温度上升，从而能够改变靶材表面组织的结构和性能，甚至造成不可逆转的破坏作用。这一现象已在激光加工中，如切割、淬火、焊接、辐射以及靶材表面处理等方面，得到广泛的应用。靶材在高功率激光作用下，靶表面物质迅速吸收激光能量，使得表面温度上升至汽化温度，从而出现汽化。靶面蒸汽继续吸收激光能量，使其温度进一步升高，从而形成蒸汽等离子体。蒸汽等离子体的出现对靶材与激光相互作用将产生巨大的影响。这种影响主要表现在蒸汽等离子体自身对入射激光存在很强的吸收作用，使后续的激光能量部分地甚至完全不能到达靶材表面。等离子体吸收大部分入射激光，不仅减弱了激光对靶面的热耦合，也减弱了激光对靶的冲量耦合。同时，高温高压等离子体在膨胀的过程中会发光并形成激光等离子体与冲击波。另外，激光与靶材的相互作用过程还受到外部作用环境的影响，如在液体环境中高温高压等离子体在对外膨胀过程中还将产生空泡这一特有现象。可以说激光与物质相互作用的物理过程是十分复杂的，其原因与靶材特性的多样化、作用激光参数的多样化以及作用条件的多样化有关[2]。与物质材料特性有关的因素主要取决于材料的种类和性质；与激光特性有关的因素，如作用激光的波长、能量、功率、脉宽、脉冲结构、重复率以及作用次数等，其中任一种因素都会对激光与物质相互作用过程产生影响。同时，激光参数的多样化也给这方面的研究增添了活力，这些研究能够为合理地使用激光技术提供理论基础和实验依据，也进一步开拓了激光技术的应用前景[3]。
目前激光技术的发展已对激光与物质相互作用直至产生破坏或推进机理的研究提出了新的需求，诸如哪种类型和技术参数的激光器能进行激光加工和如何提高加工效率等。这些问题的实质就是寻找能以最小的激光能量/功率达到最佳的加工（或治疗疾病、破坏目标）效果。事实上，这些问题不仅取决于激光方面（如波长、脉宽、脉冲结构或重复频率等）和被作用物质的特性（如金属、合金或材料、目标特性、以及生物组织特性等），还与作用环境密切相关。其中任一种因素的多样化均将造成对激光与物质相互作用过程进行研究的复杂化。由于激光与物质相互作用过程及机理研究是激光应用的理论基础，因此深入开展这方面的机理和实验研究有其重要的意义和应用背景[4]。
1.2 研究意义
激光与气态和固态物质相互作用的机理研究起步较早，至今已有了长足的发展，对应的理论与体系也较为完备，并在激光加工和激光武器等领域得到了广泛应用。例如在激光与固体介质相互作用研究领域中，被作用靶材不仅涉及单一金属和非金属材料，还对各种光学元器（如半导体、光学薄膜和CCD等）进行了相互作用或破坏机理的研究。60年代中期，激光技术在医学领域得到了应用，考虑到多数生物软组织和体液的含水量平均达到85%，有的甚至高达98%，此时激光与固态物质相互作用模型或理论就与实验结果明显不符；在而后诞生的染料激光器中，激光在泵浦染料过程中更存在激光在液态环境下物质作用的问题；在军事领域，激光武器所发出的高能激光束能否对水中目标（如舰船的外壳、鱼雷的蒙皮和其它金属目标）进行有效地破坏都是亟待研究的新问题；此外在海洋开发、海军发展、以及一些特殊应用领域（如核电设备的安全文护）均对水下激光研究提出了迫切的需求。在此背景下，有关学者开始了激光在液态环境下与物质相互作用机理方面的理论和实验研究工作。由于液态物质的许多物理性质是介于气体和固体之间，例如常温常压下液体被认为像固体一样不可压缩，但是在某些特殊情况下，如高温高压作用下，液体又像气体一样具有可压缩特性。另外，激光在液体中与物质相互作用过程中，还将出现空化这一特有现象。这些因素的存在直接造成了激光在液体中物质相互作用过程要比与其它物质相互作用过程更为复杂。因此，这一领域研究的进展无论是在理论还是实验方面均明显滞后于激光对气态或固态物质相互作用机理的相关研究。考虑到为了研究激光与以水为主要成分的生物组织相互作用机理研究时，应该首先了解激光在液体中与物质相互作用机制，以及流体力学学者常用激光诱导液体产生的冲击波和空泡来进行理论和模拟实验的研究[4]。海洋开发、海军发展均对水下激光作用研究提出了迫切的需求。因此，有必要开展激光在液态环境下与物质相互作用机理和实验研究工作。本文要研究的是水下激光推进中空泡对推进效果的影响。本文既可以看成是对以往实验研究的再一次验证，也可以为其他研究提供参考。