激光等离子体点燃机理分析与阈值测试研究

【摘要】：本文从理论上和实验上研究了高功率激光与空气中、液体中物质相互作用过程中等离子体的点燃机制及有关特性，并对金属等离子体点燃阈值进行了实验测试和数值计算研究。 从热传导方程和雪崩电离机制出发，假设当电子增值2~(10)倍时，考虑了温度对材料热力学和光学参数的影响时，得到了气化和等离子体点燃的时间，利用该模型进行计算得到的结果与国内外报道及自行通过实验测得的阈值基本一致；提出了利用刀刃法测量激光光斑面积的方法，并通过实验进行了验证和误差分析；利用光偏转装置和压电换能器分别对空气和水中金属等离子体点燃阈值进行了实验诊断，激光器均为调Q—YAG激光器(波长1064nm，532nm，355nm，脉宽10ns)，靶材分别为Al、Fe和Cu，两种测试方法得到的等离子体点燃阈值基本一致；本文从实验和理论计算两个方面讨论了波长对等离子体点燃阈值的影响，均得到了等离子体点燃阈值随着波长的增加而减小的结论；对空气中和水中不同环境下金属等离子体的点燃阈值进行了比较研究，得到了金属在水中的等离子体点燃阈值比空气中的大，且水中产生的冲击波的压强是空气中的5倍左右的结论。 本文的研究结果对激光与物质相互作用机理和实验研究提供参考，也为今后的激光应用工程提供理论和实验依据。