【摘要】：激光與物質(zhì)相互作用機(jī)理是將激光應(yīng)用于工業(yè)、軍事等領(lǐng)域的基礎(chǔ)。本文理論和實(shí)驗(yàn)研究了波長(zhǎng)為1064nm的毫秒激光致固體靶材氣化的現(xiàn)象,以及氣化對(duì)激光打孔的影響,并對(duì)熔融噴濺過程進(jìn)行了研究。當(dāng)毫秒激光輻照硅靶時(shí),實(shí)驗(yàn)中觀察到氣化現(xiàn)象,并且硅靶前后表面兩側(cè)同時(shí)出現(xiàn)熔融噴濺物。采用Mach-Zehnder干涉儀獲得了毫秒激光與硅靶相互作用的序列干涉圖,通過干涉圖中條紋位置的變化,得到了物質(zhì)蒸氣速度。理論上,將該蒸氣速度作為初始條件,由Rankine-Hugoniot方程、氣體動(dòng)力學(xué)方程以及Knudsen層蒸氣的守恒方程(質(zhì)量、動(dòng)量和能量)得到了硅靶后表面的蒸氣壓強(qiáng);進(jìn)而利用Clapyron-Clausius方程得到了硅靶后表面的溫度,發(fā)現(xiàn)其高于硅的沸點(diǎn),即在激光作用區(qū)域形成了“過熱液體”。建立了毫秒激光與硅靶相互作用的有限元(FEM)模型,分別采用熱焓法和熱流方程處理熔融相變過程和氣化導(dǎo)致的激光能量損失。數(shù)值仿真了功率密度為5×106W/cm2的毫秒激光與硅靶相互作用的氣化過程,得到了不同脈寬激光作用后的溫度場(chǎng)分布,以及不同時(shí)刻的氣化速度和氣化深度。將數(shù)值結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對(duì)比,發(fā)現(xiàn)熔融噴濺是移除物質(zhì)主要機(jī)制。實(shí)驗(yàn)研究了毫秒激光在厚鋁板中打孔的過程,并通過孔的深度得到了激光打孔的效能比。理論上,在準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)方程中添加氣化過程的修正項(xiàng),解析計(jì)算了打孔過程中鋁板的表面溫度,進(jìn)而得到了氣化過程所消耗的激光能量。結(jié)果表明:相同脈寬、不同能量密度時(shí),氣化過程所消耗的激光能量隨著激光能量密度的增加而變大;不同脈寬、相同能量密度時(shí),氣化過程所消耗的激光能量隨著激光脈寬的增加而變小。通過高速CCD獲得了毫秒激光與固體靶材(硅靶、鋁靶)相互作用的序列陰影圖,發(fā)現(xiàn)毫秒激光對(duì)兩種靶材均能產(chǎn)生氣化和熔融噴濺過程,但氣化強(qiáng)度和熔融噴濺物的形態(tài)、亮度均不相同,其原因?yàn)楣璋性诤撩爰す庾饔孟聲?huì)出現(xiàn)過熱沸騰現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)中,對(duì)比了相同能量密度的毫秒激光與硅靶和鋁靶的打孔深度,結(jié)果表明,硅靶的激光打孔效率更高;理論上,考慮了過熱沸騰現(xiàn)象的影響計(jì)算了毫秒激光對(duì)硅靶的打孔深度,與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致。本文的研究結(jié)果為進(jìn)一步研究毫秒激光致固體靶的氣化和熔融噴濺現(xiàn)象提供了理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù),有助于推動(dòng)毫秒激光在工業(yè)加工及制造、軍事等領(lǐng)域的應(yīng)用。
【學(xué)位授予單位】：南京理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TN249
【圖文】：

激光技術(shù)、波音公司的美國(guó)陸軍高能激光技術(shù)演示器（ＨＥＬ邋ＴＤ）項(xiàng)目、德國(guó)萊茵金屬逡逑公司的５０邋ｋＷ高能激光武器、歐洲導(dǎo)彈系統(tǒng)公司的４０邋ｋＷ高能激光武器等［３３］。其中，逡逑德國(guó)５０邋ｋＷ高能激光武器如圖１．１所示１３４］。逡逑圖１．１德國(guó)５０邋ｋＷ高能激光武器逡逑在工業(yè)加工方面，激光可用于表面改性［３５］、熔覆［３６＿３８］、焊接［３９＿４１］、切割１４２４４］、打孔逡逑１４５４７］、亥彳槽［４８］、打標(biāo)［４９１和３Ｄ打印［５（Ｋ５２］等多種應(yīng)用工藝。以激光打孔為例，激光打孔具逡逑有速度快，效率高，經(jīng)濟(jì)效益好，可獲得很大的深徑比，可在硬、脆、軟等材料上進(jìn)行逡逑加工，無工具損耗，并可在難加工材料傾斜面上加工小孔，加工出來的工件清潔、無污逡逑染等顯著的優(yōu)點(diǎn)。例如美國(guó)Ｇｅｎｅｒａｌ邋Ｅｌｅｃｔｒｉｃｓ邋Ｃｒａｆｔｔｕｒｂｉｎｅ邋Ｐｌａｎｔ用１２臺(tái)３０邋Ｊ／ｐｕｌｓｅ的紅寶逡逑石激光器，結(jié)合五軸ＣＮＣ系統(tǒng)對(duì)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪葉片打孔。采用ＹＡＧ激光對(duì)逡逑ＨａｙｎｅＳ１８８鈷基超合金燃燒室襯套進(jìn)行打孔，每個(gè)襯套有３６０個(gè)直徑為０．４ｎｉｍ，深為２逡逑ｍｍ的孔。該公司還在加工噴氣渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的生產(chǎn)線上采用了激光加工冷卻隔板以及在逡逑氣冷式渦輪葉片、噴嘴、外罩和燃燒室采用激光加工出直徑為０．１２７－１．２７邋ｍｍ、深度為逡逑３．１邋ｍｍ邋的小孔１５３］。逡逑激光與物質(zhì)相互作用機(jī)理是激光在工業(yè)和軍事等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)，因此開展激逡逑光與物質(zhì)相互作用機(jī)理的研宄

１９９７年，美國(guó)田納西大學(xué)空間研宄所的ＳｅｍａｋＶ．［ｌ５４］，假設(shè)熔融噴濺物是由氣化產(chǎn)逡逑生的壓力離開靶材表面的，并利用能量守恒定律，解析求得了氣化機(jī)制打孔速度（Ｖ）逡逑和熔融噴o拼蚩姿俁齲ǎ觶Γ┓直鷯爰す夤β拭芏鵲墓叵�。壤_跡保此盡Ｔ詡す忮義瞎β拭芏冉系褪�，熔日斁|π緯傻拇蚩姿俁卻笥諂頻拇蚩姿俁齲壞孀偶す夤β叔義廈芏鵲腦黽櫻賈虜牧媳礱嫖露鵲腦黽櫻飭街只頻拇蚩姿俁染嵩黽印５牽廴阱義嚇緗菩緯紗蚩姿俾駛崴孀偶す夤β拭芏鵲腦黽傭饔誄Ｊ�，而气化机制打孔速埋傖辶x纖孀偶す夤β拭芏鵲腦黽傭齟蟆ｅ義希玻卞義

本文編號(hào)：2741568