热阻塞效应对激光辐照靶材烧蚀过程的影响分析

发布时间：2020-05-28 00:58

【摘要】：研究了百兆瓦级激光烧蚀碳/碳复合材料靶材产生的等离子体吸收激光束能量引起的热阻塞效应。首先,基于逆轫致吸收理论,建立了激光在烧蚀靶材产生的等离子体中的传播模型;然后,基于磁流体理论,得到了等离子体在百兆瓦级激光形成的电磁场中的波动方程,建立了等离子体吸收激光能量引起热阻塞效应的模型。最后,对烧蚀过程中粒子的总密度、吸收系数、靶材表面等效热流随激光持续时间的变化规律以及是否考虑热阻塞效应时,靶面垂直方向的温度场进行了数值模拟。结果表明:等离子体的形成,对激光形成了明显的热阻塞效应,削弱了激光对靶材的烧蚀作用,使粒子总密度、吸收系数、靶材表面等效热流以及靶面垂直方向温度场的变化均呈现为非线性。
【图文】：

）ｃｒｉｔｉｃａｌｄｅｎｓｉｔｙｎｃ／ｃｍ－３５２１４４．０４×１０２０９．７２×１０－４２．９１×１０７２４５３．６９．８６×１０２０脉冲结束时等离子体温度为１５０００Ｋ，并将初始参数代入耦合关系进行计算，得到激光辐照靶材引起等离子体热阻塞效应的规律。２．１吸收系数及靶材表面热流随时间变化规律分析Ｆｉｇ．１Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｄｅｎｓｉｔｙｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｉｍｅ图１粒子密度随时间的变化总粒子密度随着激光持续时间的变化规律如图１所示。密度曲线的变化趋势说明了膨胀初期密度是迅速下降的，然后在１０～１８ｎｓ附近有一个相对平稳的阶段，然后密度再次下降。这是因为随着电子密度的增加等离子体逐渐形成，对激光的吸收也不断增加，产生了热阻塞效应，靶材表面接受的激光辐照功率随之降低，引起烧蚀速率的减小，，即烧蚀产生的粒子数减少，密度因此受到影响。图２和图３体现了吸收系数和靶材表面激光功率随时间变化的规律。从图２中可以看出，吸收系数在约１７ｎｓ以后开始增加，到达靶材表面的激光功率在滞后约１７ｎｓ以后开始下降，这说明电子密度足够高的等离子体开始形成，也印证了图１中约２０ｎｓ后密度再次下降的原因。图３中的曲线在后半段有减缓趋势，这是因为随着等离子体的膨胀和逆轫致系数的增加，等离子体会吸收部分甚至大部分入射的激光能量，使等离子体温度和电子密度升高，但这会引起到达靶材表面的激光能量变Ｆｉｇ．２Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｃｈａｎｇｅｓｗｉｔｈｔｉｍｅ图２吸收系数随时间变化Ｆｉｇ．３Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｈｅａｔｆｌｕｘｏｎｓｕｒ

化规律分析Ｆｉｇ．１Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｄｅｎｓｉｔｙｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｉｍｅ图１粒子密度随时间的变化总粒子密度随着激光持续时间的变化规律如图１所示。密度曲线的变化趋势说明了膨胀初期密度是迅速下降的，然后在１０～１８ｎｓ附近有一个相对平稳的阶段，然后密度再次下降。这是因为随着电子密度的增加等离子体逐渐形成，对激光的吸收也不断增加，产生了热阻塞效应，靶材表面接受的激光辐照功率随之降低，引起烧蚀速率的减小，即烧蚀产生的粒子数减少，密度因此受到影响。图２和图３体现了吸收系数和靶材表面激光功率随时间变化的规律。从图２中可以看出，吸收系数在约１７ｎｓ以后开始增加，到达靶材表面的激光功率在滞后约１７ｎｓ以后开始下降，这说明电子密度足够高的等离子体开始形成，也印证了图１中约２０ｎｓ后密度再次下降的原因。图３中的曲线在后半段有减缓趋势，这是因为随着等离子体的膨胀和逆轫致系数的增加，等离子体会吸收部分甚至大部分入射的激光能量，使等离子体温度和电子密度升高，但这会引起到达靶材表面的激光能量变Ｆｉｇ．２Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｃｈａｎｇｅｓｗｉｔｈｔｉｍｅ图２吸收系数随时间变化Ｆｉｇ．３Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｈｅａｔｆｌｕｘｏｎｓｕｒｆａｃｅｃｈａｎｇｅｓｗｉｔｈｔｉｍｅ（Ｉ＝４×１０８Ｗ／ｃｍ２）图３靶材表面等效热流随时间变化（Ｉ＝４×１０８Ｗ／ｃｍ２）姜学东等：热阻塞效应对激光辐照靶材烧蚀过程的影响分析


本文编号：2684440