毫秒脉冲激光诱导熔石英产生等离子体及燃烧波动力学特性研究
熔石英作为良好的光学材料被广泛应用于各种光学系统中，在特定波长的长脉冲输出光学系统中，为了得到更好的光束输出质量，往往需要在熔石英材料表面进行镀膜。当材料表面出现损伤时，光束输出质量难免会受到影响，因此对长脉冲激光诱导增透熔石英材料的表层损伤进行研究具有重要意义。在表层损伤的同时，还会出现激光诱导产生等离子体的现象，等离子体通过逆韧制吸收等机制对激光能量进行吸收，进而形成激光支持的燃烧波。当燃烧波产生时，会经历包括温升、材料相变、表面损伤、等离子体吸收激光能量产生燃烧波等物理过程。本文从理论研究、仿真研究和实验研究三个方面，系统地论述了毫秒脉冲激光诱导熔石英产生等离子体及燃烧波膨胀的物理过程。最终阐明毫秒脉冲激光诱导增透熔石英产生等离子体及燃烧波的动力学传播机制。 在理论研究方面，基于流体力学理论、等离子体相关理论，理论分析了毫秒脉冲激光诱导熔石英产生等离子体及燃烧波的物理过程。在激光燃烧波模型中，考虑不同能量对靶蒸汽、等离子体及燃烧波演化的影响，针对毫秒脉冲激光辐照熔石英产生激光燃烧波特性修正初始条件和边界条件。 在仿真研究方面，建立了毫秒脉冲激光诱导熔石英产生等离子体的温度场和速度场的仿真模型，主要对温度场和速度场的结果进行分析。在温度场研究方面，主要分析了径向材料表面温度随时间变化的规律；在速度场研究方面，主要从时间和空间维度对毫秒脉冲激光诱导产生的等离子体及燃烧波的动力学行为进行分析，并分析了不同激光能量下燃烧波速度随时间和温度的变化规律。仿真结果发现：在一定的激光能量范围内等离子体及燃烧波的峰值速度与温度呈正相关。 在实验研究方面，通过控制焦点与靶材的位置关系，可将实验分为三组进行，分别为：靶材处在焦点前、靶材的前表面处在焦点上、靶材处在焦点后。测量并分析了不同激光能量条件下，毫秒脉冲激光辐照熔石英表面温度随时间的变化过程，发现激光与表面温度失去耦合现象。通过金相显微镜对熔石英的损伤形貌进行测量，发现焦前与焦后的损伤区域与未损伤区域交界明显，焦点组的损伤区域出现了较大面积的热影响区域。利用高速相机采集激光诱导等离子体及燃烧波的演化过程图像并进行分析。通过对光学阴影图像的分析并结合仿真结果，最终阐明了毫秒脉冲激光诱导熔石英产生等离子体及燃烧波的动力学行为及其产生与传播的机制。
熔石英;表层损伤;毫秒脉冲激光;等离子体;燃烧波;动力学特性
长春理工大学
硕士
物理学
蔡继兴
2022
中文
TB342
2023-02-17（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）