【摘要】：研究了百兆瓦級(jí)激光燒蝕碳/碳復(fù)合材料靶材產(chǎn)生的等離子體吸收激光束能量引起的熱阻塞效應(yīng)。首先,基于逆軔致吸收理論,建立了激光在燒蝕靶材產(chǎn)生的等離子體中的傳播模型;然后,基于磁流體理論,得到了等離子體在百兆瓦級(jí)激光形成的電磁場(chǎng)中的波動(dòng)方程,建立了等離子體吸收激光能量引起熱阻塞效應(yīng)的模型。最后,對(duì)燒蝕過(guò)程中粒子的總密度、吸收系數(shù)、靶材表面等效熱流隨激光持續(xù)時(shí)間的變化規(guī)律以及是否考慮熱阻塞效應(yīng)時(shí),靶面垂直方向的溫度場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。結(jié)果表明:等離子體的形成,對(duì)激光形成了明顯的熱阻塞效應(yīng),削弱了激光對(duì)靶材的燒蝕作用,使粒子總密度、吸收系數(shù)、靶材表面等效熱流以及靶面垂直方向溫度場(chǎng)的變化均呈現(xiàn)為非線(xiàn)性。
【圖文】：

）ｃｒｉｔｉｃａｌｄｅｎｓｉｔｙｎｃ／ｃｍ－３５２１４４．０４×１０２０９．７２×１０－４２．９１×１０７２４５３．６９．８６×１０２０脈沖結(jié)束時(shí)等離子體溫度為１５０００Ｋ，并將初始參數(shù)代入耦合關(guān)系進(jìn)行計(jì)算，得到激光輻照靶材引起等離子體熱阻塞效應(yīng)的規(guī)律。２．１吸收系數(shù)及靶材表面熱流隨時(shí)間變化規(guī)律分析Ｆｉｇ．１Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｄｅｎｓｉｔｙｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｉｍｅ圖１粒子密度隨時(shí)間的變化總粒子密度隨著激光持續(xù)時(shí)間的變化規(guī)律如圖１所示。密度曲線(xiàn)的變化趨勢(shì)說(shuō)明了膨脹初期密度是迅速下降的，然后在１０～１８ｎｓ附近有一個(gè)相對(duì)平穩(wěn)的階段，然后密度再次下降。這是因?yàn)殡S著電子密度的增加等離子體逐漸形成，對(duì)激光的吸收也不斷增加，產(chǎn)生了熱阻塞效應(yīng)，靶材表面接受的激光輻照功率隨之降低，引起燒蝕速率的減小，，即燒蝕產(chǎn)生的粒子數(shù)減少，密度因此受到影響。圖２和圖３體現(xiàn)了吸收系數(shù)和靶材表面激光功率隨時(shí)間變化的規(guī)律。從圖２中可以看出，吸收系數(shù)在約１７ｎｓ以后開(kāi)始增加，到達(dá)靶材表面的激光功率在滯后約１７ｎｓ以后開(kāi)始下降，這說(shuō)明電子密度足夠高的等離子體開(kāi)始形成，也印證了圖１中約２０ｎｓ后密度再次下降的原因。圖３中的曲線(xiàn)在后半段有減緩趨勢(shì)，這是因?yàn)殡S著等離子體的膨脹和逆軔致系數(shù)的增加，等離子體會(huì)吸收部分甚至大部分入射的激光能量，使等離子體溫度和電子密度升高，但這會(huì)引起到達(dá)靶材表面的激光能量變Ｆｉｇ．２Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｃｈａｎｇｅｓｗｉｔｈｔｉｍｅ圖２吸收系數(shù)隨時(shí)間變化Ｆｉｇ．３Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｈｅａｔｆｌｕｘｏｎｓｕｒ

化規(guī)律分析Ｆｉｇ．１Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｄｅｎｓｉｔｙｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｉｍｅ圖１粒子密度隨時(shí)間的變化總粒子密度隨著激光持續(xù)時(shí)間的變化規(guī)律如圖１所示。密度曲線(xiàn)的變化趨勢(shì)說(shuō)明了膨脹初期密度是迅速下降的，然后在１０～１８ｎｓ附近有一個(gè)相對(duì)平穩(wěn)的階段，然后密度再次下降。這是因?yàn)殡S著電子密度的增加等離子體逐漸形成，對(duì)激光的吸收也不斷增加，產(chǎn)生了熱阻塞效應(yīng)，靶材表面接受的激光輻照功率隨之降低，引起燒蝕速率的減小，即燒蝕產(chǎn)生的粒子數(shù)減少，密度因此受到影響。圖２和圖３體現(xiàn)了吸收系數(shù)和靶材表面激光功率隨時(shí)間變化的規(guī)律。從圖２中可以看出，吸收系數(shù)在約１７ｎｓ以后開(kāi)始增加，到達(dá)靶材表面的激光功率在滯后約１７ｎｓ以后開(kāi)始下降，這說(shuō)明電子密度足夠高的等離子體開(kāi)始形成，也印證了圖１中約２０ｎｓ后密度再次下降的原因。圖３中的曲線(xiàn)在后半段有減緩趨勢(shì)，這是因?yàn)殡S著等離子體的膨脹和逆軔致系數(shù)的增加，等離子體會(huì)吸收部分甚至大部分入射的激光能量，使等離子體溫度和電子密度升高，但這會(huì)引起到達(dá)靶材表面的激光能量變Ｆｉｇ．２Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｃｈａｎｇｅｓｗｉｔｈｔｉｍｅ圖２吸收系數(shù)隨時(shí)間變化Ｆｉｇ．３Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｈｅａｔｆｌｕｘｏｎｓｕｒｆａｃｅｃｈａｎｇｅｓｗｉｔｈｔｉｍｅ（Ｉ＝４×１０８Ｗ／ｃｍ２）圖３靶材表面等效熱流隨時(shí)間變化（Ｉ＝４×１０８Ｗ／ｃｍ２）姜學(xué)東等：熱阻塞效應(yīng)對(duì)激光輻照靶材燒蝕過(guò)程的影響分析


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