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激光烧蚀固体材料引起力学效应的数值模拟研究

袁红  
【摘要】:高强度激光照射固体靶材表面时,激光能量被靶表面的物质及附近的环境气体吸收,其中环境气体吸收激光能量后直接发生电离,形成等离子体;而固体的靶物质吸收激光能量后,局部升温、熔融、气化,直至电离,形成蒸气等离子体。激光照射靶材引起蒸气或等离子体的流体力学运动及其在凝聚态靶中的力学响应,构成了激光对靶的力学效应。激光烧蚀固体引起材料的力学效应有许多重要的应用,如激光冲击硬化、激光驱动高速飞片、激光推进、激光清除空间碎片、激光驱动准等熵、惯性约束聚变(ICF)、材料高压状态方程、高应变率下材料动态力学性能研究等。本文利用激光体烧蚀模型,根据流体力学理论并采用一维Lagrange有限差分的计算方法,对激光烧蚀固体材料引起力学效应进行了系统的数值模拟研究。 本文首先简述了激光烧蚀固体引起材料的力学效应并综述了激光烧蚀固体材料引起力学效应的应用。接下来对激光辐照自由面靶引起的蒸气或等离子体的流体力学运动进行了描述,包括靶蒸汽的一维定常流动,激光烧蚀过程中低温蒸气的一维非定常流动及高温等离子体的一维不定常运动,激光维持的燃烧波和爆轰波,激光烧蚀压力,激光驱动冲击波压力等,这是激光烧蚀固体引起力学效应的理论基础。 介绍了靶蒸气及等离子体对激光的吸收特性,建立了激光与固体靶相互作用的体吸收模型,并在SSS程序上增加了用于描述烧蚀靶对激光吸收物理过程的功能模块。利用改造的SSS程序首先对激光烧蚀单层自由靶的物理过程进行了数值模拟,计算给出的靶后表面速度历史与实验中线成像VISAR系统测量的结果基本符合。计算还给出了激光加载过程中等离子体和飞片各参数(温度、密度、速度、压力等)随时间以及空间的变化,其中不同时刻的剖面图较完整地反映了激光烧蚀单层自由靶的物理过程,数值计算获得的烧蚀压力与Phipps定标关系在数量级上相符合。 对激光驱动飞片的物理过程进行了一系列的数值模拟,计算得到的烧蚀深度与实验结果符合较好。计算结果表明:在其他条件相同的情况下,随着激光能量增大,飞片的速度也相应提高;在相同激光功率密度条件下,飞片速度随飞片靶厚度的增大而减小。在此基础上,对影响飞片速度的关键因素进行了分析。 介绍了采用自行研制的冲量摆对真空环境下激光烧蚀固体靶过程中冲量耦合系数Cm的实验测量,从实验结果可以看出Cm随光强先上升、后下降的趋势,这是等离子体状态下冲量耦合的特征。对真空条件下不同激光参数下气化物质对靶产生冲量的过程进行了数值模拟,所得的计算结果与实验结果、Phipps定标关系符合较好。 对激光清除空间碎片的研究背景、研究进展及工作原理进行了简述。根据激光与靶的冲量耦合理论,结合现有激光技术的发展水平,通过对激光清除空间碎片物理过程的具体分析以及对其典型工况的估算,我们认为地基激光清除空间碎片在技术原理上是有可能实现的。


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