长脉冲激光辐照铝合金产生激光吸收波的研究

发布时间：2018-03-22 22:23

本文选题：长脉冲激光　切入点：铝合金　出处：《长春理工大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：大能量长脉冲激光辐照铝合金靶材时,会产生以热传导和流体动力学机制传播的冲击波,即激光吸收波。激光吸收波产生过程包括温升、熔蚀、等离子体产生等多个物理过程,且每个过程都会影响激光吸收波的产生和运动,所以在对激光吸收波的研究过程中要充分考虑每个物理过程。本文对单脉冲和脉冲串两种模式下长脉冲激光作用铝合金靶材产生激光吸收波的全过程进行了理论和实验研究。在理论研究方面,建立了长脉冲激光作用铝合金靶材产生激光吸收波的全过程的理论模型。其中在模型的温升部分,利用等效比热容的方法对熔融和气化后的相变问题进行处理,引入了随温度变化的热导率、比热容等函数,实现了对模型温升部分的修正。在熔蚀部分,采用热焓-孔隙法和气体动力学法完整地描述了熔化和气化两阶段相变,从而解决了熔融和喷溅过程中气液界面阶跃不平滑以及质量不守恒的问题。又利用改进的水平集法完成了对气液交界面的追踪,考虑了熔蚀所产生的孔径效应对入射激光能量密度的影响,推导出作用到靶材的激光能量密度随铝合金靶材熔蚀状态变化的规律,实现了对熔蚀出现后作用激光能量密度的修正。在激光吸收波部分,考虑了逆韧致辐射、热辐射、热传导和热对流的能量平衡过程和等离子屏蔽现象,得到了激光吸收波产生后作用在铝合金表面上激光能量的变化情况,实现了对该部分模型作用激光能量密度的修正。仿真研究方面,在理论模型的基础上建立了长脉冲激光辐照铝合金产生激光吸收波的全过程仿真模型,开展了单脉冲和脉冲串两种激光模式下的模拟仿真研究。在单脉冲条件下得到了长脉冲激光作用铝合金靶材后靶材的温升、熔蚀深度和熔蚀半径、等离子体密度、激光吸收波阈值和速度随能量密度和脉宽的变化规律及其产生原因。给出了聚焦激光作用条件下激光吸收波的速度矢量湍流分布的规律。并对激光吸收波的能量平衡过程和传播机制进行了理论分析。在脉冲串条件下得到了铝合金靶材的温升、熔蚀深度和熔蚀半径随脉冲个数的变化规律,以及激光吸收波产生时间随脉冲个数和脉冲频率的变化规律,并分析了产生原因。实验研究方面,开展了温升、熔蚀、激光吸收波产生和运动的实验研究。得到了单脉冲条件下,长脉冲激光辐照铝合金的温升、熔蚀深度和熔蚀半径、等离子体密度和激光吸收波的阈值和速度随能量密度和脉宽的变化规律。在此基础上,针对脉冲串条件下温升、熔蚀深度和熔蚀半径随脉冲个数的变化规律和激光吸收波产生时间随脉冲个数和脉冲频率的变化规律进行了研究。并且根据不同时刻的激光吸收波的阴影图得到了激光吸收波呈湍流分布的现象。对比实验与仿真研究的结果可以发现两者在规律上是几乎相同的,说明本文建立的模型可以合理地描述长脉冲激光作用铝合金靶材产生吸收波的全过程。
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【学位授予单位】：长春理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG146.21;TN24

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