水环境激光空泡与金属靶材相互作用过程及机理研究

发布时间：2020-05-09 02:31

【摘要】：液体环境中激光与物质相互作用机理研究是激光碎石术、水下激光加工、水下激光推进等激光应用领域的重要基础理论问题。本文采用理论、数值模拟和实验手段研究了水环境中激光烧蚀金属靶材表面诱导产生空泡与金属靶材相互作用的过程及机理,得到了空泡相对大小、空泡脉动次数以及靶材料对空泡泡能与靶材能量耦合效率的影响等结论。改进了光束透射法,实现了通过单次测量对金属靶材表面激光空泡动力学行为和激光空泡作用下金属靶材动力学行为的探测,进而实验研究了激光空泡与金属靶材相互作用的过程,发现了空泡的脉动特性促使靶材呈现同步的振荡现象,而空泡的溃灭效应则促使靶材在与激光相同方向上获得稳定的速度。采用实验和数值模拟方法研究了空泡相对大小对金属靶材表面激光空泡溃灭特性的影响,进而研究了空泡相对大小对激光空泡泡能与金属靶材能量耦合效率的影响。结合Rayleigh模型,得到了靶材表面空泡前三次脉动周期的溃灭时间解析表达式。进而在空泡能量、靶材质量和靶材体积一定的情况下,提出了空泡大小近似为靶材表面尺寸一半时靶材获得的冲量最大的结论。采用光束偏转法和高速摄影法实验研究了空泡脉动次数对激光空泡泡能与金属靶材能量耦合效率的影响,发现随着激光能量密度的增大,空泡最终溃灭前所经历的脉动次数减少,导致空泡最后溃灭能量和靶材的动能均呈现阶梯性增长。进而提出了减小空泡的脉动次数是提高空泡泡能与靶材能量耦合效率的有效方法。从理论、实验和数值模拟方面研究了靶材料对激光空泡泡能与金属靶材能量耦合效率的影响。结果表明,激光能量密度和靶材大小一定时,靶材料对激光的吸收系数和靶材料密度是影响靶材获得冲量的两个重要参数,且两者间存在相互竞争关系。前者当激光能量密度较小时占据主导地位,后者则在激光能量密度较大时为主导因素。本文的研究结果可加深对液体环境中激光与金属材料相互作用过程的认识,从而为提高液体环境激光加工、激光体内碎石、水下激光推进等领域的应用效率提供理论和实验依据。
【图文】：

图１３９１逡逑１．２．１．２空泡动力学基础理论逡逑

图１．１球形空泡的静平衡逡逑通常，当空泡生成时，，泡内压强大于泡外压强，即Ｐ＜Ａ．邋＋邋／＿邋２（７／／？，因此空泡在逡逑
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN249

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本文编号：2655454