CN113589616A - 一种基于等离子体吸收增强的激光与物质作用加强方法 - Google Patents

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张翔
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Abstract

本发明公开了一种基于等离子体吸收增强的激光与物质作用加强方法，包括：利用包含脉冲基底和脉冲尖峰的组合式重频脉冲激光辐照物质表面，通过脉冲尖峰激发等离子体；通过脉冲基底向等离子体注入能量，等离子体作为二次热源改变物质表面的温度分布和应力分布，增大物质表面的温度梯度分布和热应力，进而加强激光对物质的损伤作用。本发明基于等离子体吸收增强的激光与物质作用加强方法通过组合式重频脉冲激光作用于物质表面，可激发特定量的等离子体并引起等离子体吸收加强效应，增大物质表面的温度梯度分布和热应力，实现激光与物质高效作用，达到物质表面快速损伤的效果。该方法对激光加工、激光军事应用等领域的发展有着重要意义。

Description

一种基于等离子体吸收增强的激光与物质作用加强方法
技术领域
本发明涉及激光技术领域，特别涉及一种基于等离子体吸收增强的激光与物质作用加强方法。
背景技术
物质在激光的辐照作用下，激光能量被物质所吸收，物质表面温度将不断升高，随着辐照强度和作用时间的不断增加，材料开始发生相变甚至是被电离，该作用过程中所产生的温度及烧蚀形貌的动态变化规律，是激光与物质相互作用研究的重点关注问题之一。针对材料作用物质吸收、形态变化以及损伤效果的研究，将对激光加工、激光军事应用等领域的发展有着重要意义。
激光按照其工作方式可分为连续激光、长脉冲激光和短脉冲激光，其与物质作用的机理也有一定的差异。当连续激光和长脉冲激光辐照物质表面时，激光主要作为热源，作用在物质上主要表现为能量积累，表现出“热”作用，主要以光-热烧蚀作用为主；当脉冲激光辐照物质表面时，物质表面在短时间内吸收大量激光能量，引起物质温度升高、熔融、气化和喷溅等现象，物质表面和向外喷溅物质变为物质蒸汽并继续吸收能量，在数个皮秒到几个纳秒时间内，通过多光子雪崩电离产生光学击穿，使得区域内的物质蒸汽温度进一步提高，电离度也提高，进而形成高温高压的等离子体，等离子体继续吸收后续激光能量，并使得能量在聚焦区域内迅速累积，从而导致高温高压的等离子体以超音速向外膨胀，形成高压波阵面从而破坏物质表面，以光-电损伤效应为主。但上述激光在辐照物质表面时仍存在作用损伤效果差等问题。对于连续激光和长脉冲激光，其峰值功率不足，整个作用过程主要以加热物质为主，对物质损伤效果较差；脉冲激光虽然峰值功率极高，容易造成物质表面初始损伤，但是产生大量的等离子体会吸收后续激光，造成激光无法持续作用物质表面，造成物质进一步损伤效果变差，另外，高功率的脉冲激光系统复杂，且激光不利于长距离传输。百微秒激光脉宽介于长脉冲激光与短脉冲激光之间，辐照物质表面时，以光-电-力的混合效应为主。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种可加强激光对物质的损伤作用的基于等离子体吸收增强的激光与物质作用加强方法。
为了解决上述问题，本发明提供了一种基于等离子体吸收增强的激光与物质作用加强方法，其包括：
利用包含脉冲基底和脉冲尖峰的组合式重频脉冲激光辐照物质表面，通过脉冲尖峰激发等离子体；
通过脉冲基底向等离子体注入能量，等离子体作为二次热源改变物质表面的温度分布和应力分布，增大物质表面的温度梯度分布和热应力，进而加强激光对物质的损伤作用。
作为本发明的进一步改进，等离子体吸收脉冲基底的能量后，其吸收率表示为：
Figure BDA0003180562230000021
其中，Ks为逆吸收系数，v为激光频率，T为等离子体温度，Ne是电子数密度，N+为铝离子密度，Z为原子系数，k为玻尔兹曼常数。
作为本发明的进一步改进，等离子体作为二次热源改变物质表面的温度分布时，物质表面的温度扩散表示为：
Figure BDA0003180562230000022
其中，T为温度，Q表示热源，K表示物质的热扩散系数，ρ表示物质密度。
作为本发明的进一步改进，等离子体作为二次热源改变物质表面的应力分布时，物质表面的应力分布满足：
Figure BDA0003180562230000031
其中，
Figure BDA0003180562230000032
Figure BDA0003180562230000033
其中，u，r，z分别为物质空间域内的点在轴向、切向和竖直方向的位移分量，σr、σθ和σzr分别为轴向、切向以及竖直和切向合方向的应力，G表示物质的杨氏模量，β表示物质的热膨胀系数。
作为本发明的进一步改进，所述组合式重频脉冲激光波长在紫外波段、可见光波段或红外波段。
作为本发明的进一步改进，所述脉冲尖峰在脉冲前沿、中部或后沿。
作为本发明的进一步改进，所述组合式重频脉冲激光由微秒重频激光脉冲通过时域调控得到。
作为本发明的进一步改进，所述组合式重频脉冲激光由微秒重频激光与短脉冲重频激光通过空间合束的方法叠加得到。
作为本发明的进一步改进，所述组合式重频脉冲激光由微秒重频激光与短脉冲重频激光通过时间合束的方法叠加得到。
作为本发明的进一步改进，所述组合式重频脉冲激光由连续激光与短脉冲重频激光通过空间合束的方法叠加得到。
本发明的有益效果：
本发明基于等离子体吸收增强的激光与物质作用加强方法通过组合式重频脉冲激光作用于物质表面，可激发特定量的等离子体并引起等离子体吸收加强效应，增大物质表面的温度梯度分布和热应力，实现激光与物质高效作用，达到物质表面快速损伤的效果。该方法对激光加工、激光军事应用等领域的发展有着重要意义。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
图1是本发明优选实施例中组合式重频激光单个周期脉冲时域光强分布图；
图2是本发明中组合式重频脉冲激光辐照物质表面引起快速损伤的原理示意图；
图3为本发明优选实施例中组合式重频脉冲激光辐照物质(铁材料)表面的温度随时间的变化曲线；
图4为本发明优选实施例中组合式重频脉冲激光辐照物质(铁材料)表面的温度极大值随时间的变化曲线；
图5为本发明优选实施例中组合式重频脉冲激光辐照物质(铁材料)表面径向应力和轴向应力的变化曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
本发明优选实施例中的基于等离子体吸收增强的激光与物质作用加强方法，包括以下步骤：
A、利用包含脉冲基底和脉冲尖峰的组合式重频脉冲激光辐照物质表面，通过脉冲尖峰激发等离子体；
B、通过脉冲基底向等离子体注入能量，等离子体作为二次热源改变物质表面的温度分布和应力分布，增大物质表面的温度梯度分布和热应力，进而加强激光对物质的损伤作用。
如图1所示，为本发明优选实施例中组合式重频激光单个周期脉冲时域光强分布图。可选的，整体脉冲宽度在数十个微秒至数百个微秒范围内，组合式脉冲主要分为两个部分，高峰值功率区域1(脉冲尖峰)和低峰值功率区域2(脉冲基底)，当组合式脉冲辐照物质表面时，高峰值功率区域1用于作用物质表面激发一定量的等离子体，低峰值功率区域2用于对等离子体注入能量。
如图2所示，为本发明中组合式重频脉冲激光辐照物质表面引起快速损伤的原理示意图。该组合式重频脉冲激光作用物质表面产生快速损伤的原理是：当组合式重频脉冲激光3辐照物质4表面时，高峰值功率区域1由于峰值功率较高会激发一定量的等离子体5，激发的等离子体5会快速吸收低峰值功率区域2的能量，引起小区域等离子体5的快速升温，迅速增大物质4表面的温度梯度分布和热应力，达到物质4表面快速损伤的效果。
其中，等离子体吸收脉冲基底的能量后，其吸收率表示为：
Figure BDA0003180562230000051
其中，Ks为逆吸收系数，v为激光频率，T为等离子体温度，Ne是电子数密度，N+为铝离子密度，Z为原子系数，k为玻尔兹曼常数。
等离子体作为二次热源改变物质表面的温度分布时，形成极大的温度梯度分布和热应力，物质表面的温度扩散表示为：
Figure BDA0003180562230000052
其中，T为温度，Q表示热源，K表示物质的热扩散系数，ρ表示物质密度。
等离子体作为二次热源改变物质表面的应力分布时，物质表面的应力分布满足：
Figure BDA0003180562230000061
其中，
Figure BDA0003180562230000062
Figure BDA0003180562230000063
其中，u，r，z分别为物质空间域内的点在轴向、切向和竖直方向的位移分量，σr、σθ和σzr分别为轴向、切向以及竖直和切向合方向的应力，G表示物质的杨氏模量，β表示物质的热膨胀系数。
当热应力超过物质的拉应力或压应力时，物质表面将会发生损伤。
图3为其中一实施例中组合式重频脉冲激光辐照物质(铁材料)表面的温度随时间的变化曲线，激光参数和材料参数如下表所示。
中心波长 1064nm 恒压热容 475J/(kg·K)
脉冲宽度 300μs 导热系数 44.5W/(m·K)
单脉冲能量 5J 热膨胀系数 12.3×10<sup>-6</sup>K<sup>-1</sup>
重复频率 200Hz 密度 7850kg/m<sup>3</sup>
光斑半径 0.5mm 泊松比 0.3
吸收率 85％ 杨氏模量 200×10<sup>-9</sup>Pa
从图中可以看出，随着激光辐照时间的增加，多脉冲激光引起的温度尖峰上下起伏变动，脉冲激光作用期间，温度上升，容易造成物质损伤，在脉冲间隔，最高温度会因为热扩散迅速下降，但仍有一部分温度未扩散，被后续脉冲辐照后，能量堆积于上一脉冲残余能量，使得下一个脉冲作用后，温度极大值不断升高。
图4为上述实施例中组合式重频脉冲激光辐照物质(铁材料)表面的温度极大值随时间的变化曲线。从图中可以看出，温度极大值随激光辐照时间的增大而不断增大，最终趋于饱和。
图5为上述实施例中组合式重频脉冲激光辐照物质(铁材料)表面径向应力和轴向应力的变化曲线。从图中可以看出，径向应力和轴向应力随激光辐照时间的增大而不断增大，最终趋于饱和，物质表面的径向应力小于轴向应力，铁材料的拉应力阈值约为170MPa-270MPa，压应力阈值约为200MPa，随着辐照时间的增加，铁材料在激光辐照约1.5s后，其表面轴向压应力强度大于材料的抗压应力阈值，物质表面发生损伤。
可选的，所述组合式重频脉冲激光波长在紫外波段、可见光波段或红外波段。
可选的，所述脉冲尖峰在脉冲前沿、中部或后沿。
在其中一实施例中，所述组合式重频脉冲激光由微秒重频激光脉冲通过时域调控得到。
在其中一实施例中，所述组合式重频脉冲激光由微秒重频激光与短脉冲重频激光通过空间合束的方法叠加得到。
在其中一实施例中，所述组合式重频脉冲激光由微秒重频激光与短脉冲重频激光通过时间合束的方法叠加得到。
在其中一实施例中，所述组合式重频脉冲激光由连续激光与短脉冲重频激光通过空间合束的方法叠加得到。
以上实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (10)

1.一种基于等离子体吸收增强的激光与物质作用加强方法，其特征在于，包括：
利用包含脉冲基底和脉冲尖峰的组合式重频脉冲激光辐照物质表面，通过脉冲尖峰激发等离子体；
通过脉冲基底向等离子体注入能量，等离子体作为二次热源改变物质表面的温度分布和应力分布，增大物质表面的温度梯度分布和热应力，进而加强激光对物质的损伤作用。
2.如权利要求1所述的基于等离子体吸收增强的激光与物质作用加强方法，其特征在于，等离子体吸收脉冲基底的能量后，其吸收率表示为：
Figure FDA0003180562220000011
其中，Ks为逆吸收系数，v为激光频率，T为等离子体温度，Ne是电子数密度，N+为铝离子密度，Z为原子系数，k为玻尔兹曼常数。
3.如权利要求2所述的基于等离子体吸收增强的激光与物质作用加强方法，其特征在于，等离子体作为二次热源改变物质表面的温度分布时，物质表面的温度扩散表示为：
Figure FDA0003180562220000012
其中，T为温度，Q表示热源，K表示物质的热扩散系数，ρ表示物质密度。
4.如权利要求2所述的基于等离子体吸收增强的激光与物质作用加强方法，其特征在于，等离子体作为二次热源改变物质表面的应力分布时，物质表面的应力分布满足：
Figure FDA0003180562220000021
其中，
Figure FDA0003180562220000022
Figure FDA0003180562220000023
其中，u，r，z分别为物质空间域内的点在轴向、切向和竖直方向的位移分量，σr、σθ和σzr分别为轴向、切向以及竖直和切向合方向的应力，G表示物质的杨氏模量，β表示物质的热膨胀系数。
5.如权利要求1所述的基于等离子体吸收增强的激光与物质作用加强方法，其特征在于，所述组合式重频脉冲激光波长在紫外波段、可见光波段或红外波段。
6.如权利要求1所述的基于等离子体吸收增强的激光与物质作用加强方法，其特征在于，所述脉冲尖峰在脉冲前沿、中部或后沿。
7.如权利要求1所述的基于等离子体吸收增强的激光与物质作用加强方法，其特征在于，所述组合式重频脉冲激光由微秒重频激光脉冲通过时域调控得到。
8.如权利要求1所述的基于等离子体吸收增强的激光与物质作用加强方法，其特征在于，所述组合式重频脉冲激光由微秒重频激光与短脉冲重频激光通过空间合束的方法叠加得到。
9.如权利要求1所述的基于等离子体吸收增强的激光与物质作用加强方法，其特征在于，所述组合式重频脉冲激光由微秒重频激光与短脉冲重频激光通过时间合束的方法叠加得到。
10.如权利要求1所述的基于等离子体吸收增强的激光与物质作用加强方法，其特征在于，所述组合式重频脉冲激光由连续激光与短脉冲重频激光通过空间合束的方法叠加得到。
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