钱彦[1]2004年在《不同介质中激光等离子体冲击波波前参量特性研究》文中研究指明本文首先系统分析了气态、液态、固态介质中激光等离子体冲击波波前传播特性的相关理论，采用基于光束偏转法的光纤传感器分别对空气介质、水介质中的激光等离子体冲击波自由衰减时其波阵面上的有关物理参量进行了探测，并首次用这套装置探测到了透明固体有机玻璃介质中的激光等离子体冲击波。相比其它类型探测装置，该装置结构简单、调节方便、灵敏度高，不会对流场造成破坏。 结合冲击波波阵面处的动量、能量、质量守恒定律以及冲击波波阵面处的压强、密度、波后粒子运动速度等重要理论模型，通过对实验数据的处理分析，分别得到了自由衰减条件下，空气中、水中、有机玻璃中冲击波波阵面上各参量的衰减变化趋势，并讨论了入射激光能量和介质物理特性对冲击波的影响。结论表明，同种介质中，入射激光能量越大，冲击波衰减越慢；入射激光能量相同时，冲击波在波阻抗较小的空气介质中衰减最慢，而在波阻抗较大的固体有机玻璃介质中衰减得最快。 论文的实验结果与分析表明实验采用的基于光偏转法的光纤传感器可以用来测量各种透明介质中冲击波波前参量的特性。本文的结论不仅对研究激光与物质相互作用的相关理论具有重要意义，而且它还给激光武器的研究以及激光加工，激光医疗等领域提供理论和实验依据。
赵瑞[2]2007年在《激光等离子体冲击波传输及空泡动力学特性研究》文中认为本文从理论和实验方面研究了高功率激光与物质相互作用过程中激光等离子体冲击波的产生、传输特性以及激光空泡动力学特性、空蚀机理，并对有关特征参数进行了实验测试和数值计算研究。利用自行设计的基于光纤耦合的双光束测试系统研究了激光致使空气中靶材表面产生的等离子体冲击波，实现了在一个激光脉冲内对激光等离子体冲击波瞬时速度的直接测量，避免因激光器稳定性或者激光等离子体冲击波可重复性而引起的测量误差，提高了实验精度。在对激光等离子体冲击波在不同介质中传输特性的研究方面，将“压缩波追赶与稀疏波卸载理论”引入冲击波发展及衰减过程的研究；从质量和动量守恒方程出发，解析研究了强激光等离子体冲击波的产生、发展和衰减机理。进而采用自行研制的光纤传感器跟踪探测等离子体冲击波的形成及发展过程，从实验验证了该理论模型的正确性。采用PZT水听器探测了波长为532nm和1064nm激光与水下金属靶材作用时产生的激光等离子体声波，并对实验获得的数据进行了时频分析。结果表明：该等离子体声波强度随激光能量的增大而增大；频率范围在0-150KHz，在频率为25KHz附近有一峰值；且频率范围和峰值位置基本不随作用激光能量以及靶材料的改变而改变。从基本的空泡动力学理论出发，推导了空泡各特征参量之间的关系，进而对空泡动力学模型进行了修正；采用有限差分法对空泡脉动进行数值模拟，得到了空泡脉动特性随液体粘性、空泡含气量、表面张力以及可压缩性的变化规律；实验上采用光偏转测试装置探测了激光空泡脉动以及空泡溃灭的细节过程，进而分析了液体粘性和作用激光能量对空泡脉动周期、泡半径及泡能等特征参数的影响。在系统地研究固壁面附近空泡溃灭过程的基础上，提出并研究了射流阈值、空泡在第一次和第二次脉动过程衰减蚀除机理以及空泡溃灭周期延长因子等问题。本文研究结果既可避免激光等离子体冲击波和空化带来的危害，也为合理利用激光等离子体冲击波和空化现象提供理论和实验依据，可供激光加工、激光医疗、水下激光加工和相关流体力学的研究参考。
陈笑[3]2004年在《高功率激光与水下物质相互作用过程与机理研究》文中提出本文从理论和实验上全面研究了高功率激光与液体中物质相互作用过程中激光等离子体冲击波的传播特性、激光空泡动力学以及空化空蚀的作用机制，并对有关特征参数进行了实验测试和数值计算研究。 根据点爆炸球对称冲击波在自由空间中传播的约束条件，首次提出了空气中激光等离子体球对称冲击波在衰减阶段的传播规律，建立了强冲击波运动规律与波源热力学参量、介质声学特性参量之间的关系。该点爆炸冲击波传播方程克服了经典Taylor模型在描述冲击波离爆心不远处或运动晚期与实际过程明显不符的缺陷。从理论和实验两个方面验证了Taylor解是该冲击波运动方程在中场阶段的近似形式。得到了冲击波波阵面处温度、压强、气体密度和粒子运动速度等参数的时空变化规律。 基于液体中激光等离子体冲击波非完全中心对称结构，首次提出了液体中激光等离子体冲击波等效旋转椭球面波前传播模型，揭示了旋转椭球面冲击波向球面波衰减演化过程中冲击波波后物理特性参量的变化规律。论证了点源球面冲击波是旋转椭球面冲击波的特例。 采用自行研制的基于光纤耦合的光束偏转测试系统，实验研究了高功率激光烧蚀水下靶材时所产生的激光等离子体冲击波、激光空泡及其空泡溃灭诱导的冲击波等物理现象。系统分析了激光等离子体冲击波的时空变化规律、等离子体冲击波与空泡膨胀壁的分离过程、空泡的脉动特性以及空泡溃灭诱导的冲击波形成机制。进而根据空泡动力学方程，结合实验测试结果得到了空泡在实际脉动中腔内含气量的变化规律；以及空泡能量和腔内含气量对空泡脉动影响的竞争关系。 实验系统研究了空蚀机制对激光打孔效率的影响，并根据实验结果提出了当无量纲参数γ介于0.67和0.96之间时，空化空蚀机制以空泡溃灭产生的射流冲击效应为主；而当γ＞0.95或γ＜0.67时，空蚀损伤机制以空泡溃灭产生的冲击波损伤为主。 本文研究结果可为水下激光加工、激光医疗和相关流体力学的研究，即避免空化带来的危害，同时也为合理利用空化现象提供理论和实验依据。
徐荣青[4]2004年在《高功率激光与材料相互作用力学效应的测试与分析》文中研究指明本文主要从实验上全面研究了高功率激光与物质相互作用存在的力学效应、超声效应、空泡效应、等离子发射光谱以及等离子冲击波。 首先提出了一种由负轴棱镜和球面透镜组成的光学系统，该系统可产生光斑尺寸可变的无衍射光束，指出若用该系统作为激光加工的聚焦系统，在无衍射范围内对工件位置误差的敏感度为零，对工件表面的平整度适应性强，并可通过更换普通的球面透镜来适应不同加工要求，同时指出该系统在测量方面潜在的应用价值。 采用光学阴影同步照相法研究了激光烧蚀靶材过程中烧蚀物的空间形状及其发展过程，首次提出光场力概念，结果表明：烧蚀物离开靶材表面时的速率分布由蒸发机制决定，在作用激光作用时间内烧蚀物的传输行为由扩散机制和光场力机制共同决定，激光作用结束后，烧蚀物的传输行为由扩散机制单独决定。 研制了基于光探针技术的测量等离子体发射光谱的装置，并用该装置研究了激发态Al原子的特征谱线的飞行谱，计算了激发态Al原子的飞行速度。 研制了基于表面形变效应光偏转的激光超声测试仪，用其测量了Lamb波、表面波及纵波。 研制了基于折射率效应光偏转的等离子冲击波测试仪，首次用光偏转法测量了透明固体中的冲击波。 首次研制了基于胡克定律的光纤瞬态力学传感器，用其研究了不同激光能量下水下打靶过程中靶的力学效应，结果表明：靶依次受到叁个瞬态脉冲压力；空泡射流的产生及射流冲击力的大小，由泡能和无量纲参数共同决定。实验研究了气液环境中激光打孔的效率，得到了水中激光打孔效率远高于空气中打孔效率的重要结论，并分析了原因。 根据考虑空泡能量耗散的球形空泡动力学模型，数值计算了激光泡的脉动过程，在此基础上，基于气液两相面折射率变化引起光偏转原理，设计并研制了测量激光泡一维几何线度的实验装置，用其研究了不同激光能量下靶材表面激光泡各次脉动的最大泡半径及最小径向距离，并对数值计算与实验结果进行了分析。 本文的研究结果对激光的应用及相关检测技术的发展有一定的促进作用。
夏铭[5]2003年在《流体中非中心对称点源冲击波衰减波前测试及传播特性的研究》文中进行了进一步梳理本文首先讨论了激光等离子体冲击波的形成机理、冲击波理论的基本关系式、水中冲击波的状态方程模型以及冲击波波前参数的关系。 其次，从空气中激光等离子体冲击波波前的传输特性出发，将空气中点源爆炸球面冲击波波前衰减传播公式推广到非中心完全对称情况，提出旋转椭球面冲击波前传播公式；建立水中的激光等离子体冲击波波前衰减传播模型。同时设计应用声学方法对水中不同能量的脉冲激光作用下产生的激光等离子体冲击波波前传播过程进行测试及数据分析，对光学阴影方法探测的激光等离子体冲击波近场波前传播数据进行详细分析，结果表明新模型计算结果与实验测量值一致。通过这些不同能量、不同光斑半径、不同方向的实验结果分析，表明点源激光等离子体冲击波在空气中和水中的自由衰减过程服从相同的规律；点源球面结构冲击波是旋转椭球面冲击波的特殊情况。 最后，设计应用声学方法对酒精中产生的激光等离子体冲击波波前传播过程进行测试，对两个不同方向上激光等离子体冲击波波前测试数据的分析表明，旋转椭球面的冲击波模型与实验测量结果相吻合。
张平[6]2007年在《激光等离子体冲击波与表面吸附颗粒的作用研究》文中进行了进一步梳理激光等离子体冲击波清洗是一项前沿性的表面吸附颗粒清除技术，该技术以清洗定位准确、可重复清洗、适用范围广等潜在优势丰富了干法清洗，为半导体工业加工中的基片、掩模板清洗提供了一种新的途径。本论文从理论和实验两方面对该技术中涉及到的气态介质中激光等离子体冲击波传播特性、颗粒移除机制、微米颗粒的移除实验及基片安全工作距离等作了较为系统深入的研究，取得以下创新性成果：提出“zig-zag”多光束偏转方法测量激光等离子体冲击波在常压和低压空气介质中的中近场传播；建立了实验装置，在一次实验中获得了同一激光等离子体冲击波的波前传播特性规律，为激光等离子体冲击波清洗颗粒的理论计算和寻找最佳工作压强提供了客观依据。基于颗粒吸附平面基片的JKR模型，从冲击波与颗粒作用角度出发，改进颗粒滚动模型，得到了基片上颗粒滚动移除的范围；进而针对滚动模型无法解释凹槽中的颗粒移除，提出了颗粒弹出机制，该机制合理解释了基片上吸附颗粒的移除且给出了颗粒弹出所需冲击波的最低阈值。对吸附有10μm、20μm标准聚苯乙烯颗粒的平面基片进行了清洗实验，发现颗粒清洗中冲击波阈值与弹出模型相对应，并研究了工作距离变化、能量变化、粒径变化对基片表面清洗效果的影响。针对激光等离子体冲击波清洗过程中的基片宏观和微观破坏，分别通过缩短工作距离和金属探针探测的方法进行了研究，发现了240mJ激光能量下基片宏观安全工作距离应大于0.50mm，并研究了等离子体外射带电粒子空间飞行距离变化规律。本论文的研究成果为激光等离子体冲击波清洗这一新兴技术的深入发展提供了有价值的参考。
钟东[7]2015年在《基于光学传感测量的飞秒激光烧蚀过程的动力学特性研究》文中研究表明由于飞秒激光与物质相互作用的多样性和复杂性,并且飞秒激光在微纳米加工、激光推进、冲击强化处理、生物医疗等领域具有重要的应用价值,因此,飞秒激光烧蚀机理成为飞秒激光应用领域的热点研究内容。本文针对飞秒激光烧蚀过程产生微等离子体及微等离子体冲击波进展的复杂性,提出运用光学传感测量技术从理论和实验两方面研究了飞秒激光烧蚀过程的动力学特性。探索了飞秒激光烧蚀过程中影响动力学特性的参量变化情况,包括电子密度、冲击压强等。设计了一种运用抽运探测技术探测飞秒激光烧蚀晶体材料产生微等离子体的膨胀过程的实验系统;建立了一种利用ICCD拍摄微等离子体动态过程的高速摄影实验系统;设计了一套基于全光纤无胶微结构探针型光纤F-P声发射传感器的在线监测系统;获得了一种利用光纤F-P声发射传感探针在线监测飞秒激光烧蚀晶体材料产生微等离子体冲击波的动力学过程的新原理、新技术;初步探索了一种晶体材料成分检测的新方法。主要研究工作如下:(1)针对飞秒激光烧蚀过程产生微等离子体的复杂性,运用抽运探测技术,建立了飞秒激光烧蚀晶体材料的时间分辨抽运探测系统。将不同飞秒激光能量、不同晶体材料的实验条件下产生微等离子体的动态过程用时间分辨阴影图进行描述和分析。研究了不同能量、不同晶体材料的微等离子体冲击波的法线方向、切线方向传播速度、传播距离等的变化规律,揭示了不同能量、不同晶体材料的微等离子体冲击波的冲击波速、冲击压强的变化规律。初步确定了影响飞秒激光微等离子体动力学过程的基本因素。(2)运用高速摄影法在不同激光能量下对飞秒激光烧蚀不同晶体材料产生微等离子体动态过程进行了研究。高速摄影法直观地显示了激光微等离子体的发展变化过程。研究发现飞秒激光烧蚀晶体材料产生微等离子体在空间上呈液滴状,微等离子体闪光的纵向尺寸比水平方向的尺寸大。随着飞秒激光能量的增大微等离子体在空间上的尺寸也随着增加,在纵向微等离子体的尺寸产生明显的变化趋势,而在水平方向的变化较为缓慢。这些结论对以后更深入地研究高强度飞秒激光应用以及飞秒激光与物质相互作用具有重要的指导意义。(3)根据F-P光纤传感原理和激光等离子体冲击波声学理论,设计与制作了能够监测相应频率的高灵敏度、全光纤无胶微结构探针型F-P声发射传感器,设计了用于飞秒激光微等离子体在线监测的光纤传感信号解调系统,设计了基于光纤传感技术的飞秒激光微等离子体冲击波的测量系统。实验结果表明,该传感测量系统可测量飞秒激光等离子体冲击波面微弱声发射高频信号。使不同飞秒激光脉冲内的微等离子体声发射信号的非接触式探测变成现实,减小了由于接触式探测信号以及重复测量带来的误差,保证了实验的准确性。(4)首次采用光纤F-P声发射探针在线监测飞秒激光微等离子体冲击波的时空进程,通过在线监测飞秒激光微等离子体冲击波的声学信号,分析飞秒激光微等离子体冲击波的时空历程,建立一种新型的激光微等离子体冲击波动力学过程监测的传感理论和方法。实验研究了光纤F-P声发射传感探针在线监测飞秒激光烧蚀过程所产生的微等离子体冲击波的时空变化规律及声发射信号的时频特性。研究发现:该飞秒激光烧蚀晶体材料产生的微等离子体声发射信号强度随激光能量的增大而增大;频率范围在0~100KHz;频率范围和峰值位置基本不随作用激光能量的改变而改变。不同晶体材料的频率峰值有细微的差异,同一晶体材料的频率峰值保持不变。(5)初步探索了一种晶体材料成分检测的新方法。提出了一种新颖的基于时频分析的飞秒激光微等离子体冲击波声发射信号的处理和分析方法,研究了飞秒激光微等离子体冲击波声发射信号的频率特征及能量分布;通过对探测到的信号的特征分析,初步实现了对晶体材料成分的检测。
叶亚云[8]2010年在《光学元件表面的激光清洗技术研究》文中认为激光清洗技术是利用激光处理待清洗物体,在激光脉冲作用下使污染物从物体表面脱离。由于激光清洗可通过调整激光波长、脉宽、作用时间和作用方式等来适应不同污染物和不同基底的清洗要求,因此广泛适用于各种清洗对象,并常用于一些特殊功能的清洗,解决常规清洗所不能解决的问题。此外,与其它清洗技术相比,激光清洗具有无污染、效率高、低成本等优点,因而研究和应用更加广泛。本文针对目前常规清洗无法完成的光栅清洗和光学元件在线清洗,开展了基于激光清洗和激光等离子体冲击波清洗的理论与实验研究,为啁啾脉冲放大(CPA)系统中的光栅洁净和高功率固体激光装置中的光学元件在线洁净提供了一条新的路径,为激光清洗光学元件工艺做技术储备。本文的主要研究内容及结论如下：(1)建立干式激光清洗颗粒污染物理论模型,计算准分子(248 nm)激光清洗硅片表面Al203颗粒过程中,基底位移、运动速度和加速度随时间变化关系,并得到在准分子激光的不同脉宽下,不同大小颗粒的激光清洗阈值及其引起的基底损伤阈值。(2)建立激光等离子体冲击波清除颗粒污染物理论模型,模拟了激光产生的等离子体冲击波清洗K9玻璃和镀金K9玻璃表面的Si02颗粒过程,获得各参数(激光参数、颗粒位置等)对清洗效果的影响曲线。(3)建立激光清洗油脂污染物理论模型,计算C02激光清洗金膜表面的二甲基硅油污染物过程中,油膜温度随激光功率和辐照时间变化的曲线。(4)进行1064 nm激光等离子体冲击波法清除K9玻璃和镀金K9玻璃表面的Si02颗粒污染物实验研究。结果表明K9玻璃表面颗粒移除率可达到95%,镀金K9玻璃表面颗粒移除率可达90%,该清洗方法效果良好。得到清洗K9玻璃和镀金K9玻璃的工艺参数,如颗粒位置、激光作用距离、激光能量与移除率的规律曲线等。实验结果与理论计算数值基本吻合且规律一致,验证了计算模型。(5)进行CO2激光清洗镀金K9玻璃表面的二甲基硅油清洗实验,获得了激光功率、照射时间、重复频率与清洗效果的规律。结果表明在不损伤金膜的前提下,激光器功率越高或者辐照时间越长,清洗效果越明显,而激光频率对清洗面积影响不大。实验结果与计算规律一致,验证了计算模型。理论模拟和实验结果表明,激光清洗是一种有效的清洗方法,能清除光学元件表面的颗粒和油脂污染物,可进一步用于光栅清洗和其它光学元件的在线清洗。此外,激光清洗技术还可用于其他领域,具有广阔的应用前景。
邓圆[9]2013年在《超短脉冲强激光在介质中的传输及激光在水下声源中的应用》文中研究说明近年来,随着激光器技术的不断进步,超短脉冲强激光在介质中的传输、成丝控制以及激光在水下声源中的应用成为领域内的一个研究热点。本文在此基础上,开展超短脉冲强激光传输、成丝控制及激光水下声源应用的研究。本文首先研究了超短脉冲强激光在传输介质中传输时所引起的散射、空间-时间散焦、群速度色散、高阶色散、克尔自聚焦、自相位调制、拉曼效应、多光子电离等效应,对超短脉冲强激光在传输介质中的传播过程进行了全面的描述。本文还分析了等离子体与激光的相互作用过程,并综合超短脉冲强激光在传输介质中传输时的各种效应,给出了具体的数学模型。随后,本文采用数值仿真计算的方法,对超短脉冲强激光在传输介质中的传输过程进行了二维和叁维仿真。在二维仿真中,研究了激光峰值功率、脉冲形状、激光波长、脉宽等因素对激光传输、成丝及产生的电离通道的影响。仿真结果表明,激光峰值功率越高,越有利于形成连续的电离通道；采用贝塞尔形激光脉冲,其产生的电离通道宽度更窄、长度更长、电子密度分布更均匀。改变激光波长为248nm的紫外激光,其产生的电子密度数量级保持不变,而相应的峰值功率密度减小两个数量级。保持激光其它参数不变,增大脉宽将使电离通道中的电子密度分布更均匀。在叁维仿真中,研究了椭圆形激光脉冲、圆环形激光脉冲、黑色薄片、幅度盘及相位盘等手段对多丝分布的影响。结果表明,初始激光脉冲形状为椭圆形时,丝沿椭圆长轴方向分布,而在椭圆短轴方向上,丝分布区域被压缩。当初始激光脉冲形状为圆环形时,丝沿圆环轴线排列,从而在空间上形成一管道形电离通道。采用黑色薄片,对激光进行裁切,当激光脉冲被裁切为一维直线形、正方形及椭圆形时,相应形成的多丝也分别排列成直线形、正方形及椭圆形形状。通过采用幅度盘,可对丝的数量进行精确控制,此时,丝排列成规则的几何形状。改用相位盘,丝沿相位改变极大值方向进行排列。针对激光在水下声源的应用,本文分别研究了热膨胀机制、汽化机制及击穿机制下激光声源的波形、频谱、指向性等特性。本文还研究了双空泡情况下,激光致空化气泡溃灭及其产生的声波辐射。研究结果表明,通过控制激光光强的时域波形、光斑形状、激光串波形形状、重复频率等参数,可有效控制激光水下声源的时域波形、频谱及指向性。汽化机制下,激光声源产生声波的时域波形、频谱及指向性等随观测点位置、观测频率、光斑位置等不同而不同。击穿机制下,通过建立等离子体柱模型与等离子体椭球模型,研究了两种情况下声波的指向特性。此外,在激光致单空泡运动及其辐射声波的基础上,研究了双空泡运动情况下,空泡运动及其辐射声波。研究发现,空泡间距越小,空泡溃灭时达到的最小半径越小,辐射产生的声压越高。最后,本文设计实验,研究了激光水下声源的时域、频谱特性,并分别研究了水下声源辐射声压级与激光能量、水体盐度、颗粒物浓度、聚焦点位置等因素的关系。实验结果表明,激光能量越高,激光产生的声压级越高,两者近似成2次方关系；随水体盐度增加,激光声源辐射声压级呈上升趋势。当观测点位置一定时,聚焦点位置离水面越近,激光致声源辐射声波的声压级越高。激光声源辐射声压随颗粒物浓度的升高并没有明显的上升或下降趋势。预测结果表明,在浑浊海水中,随传输距离增加,激光声源辐射声波的时域波形中的高频振荡部分消失,脉宽展宽,频谱中的高频部分迅速衰减,直至消失。考虑沙质海底影响后,垂直入射时,激光水下声源辐射声波的时域波形、频谱分布并没有发生太大变化,然而其幅度变得更小。
饶志敏[10]2010年在《水环境激光推进中冲击波信号分析》文中认为激光与水下物质相互作用的研究一直受到国内外学者的关注,目前仍处于发展阶段,许多问题有待解决。本文针对水环境中激光与靶材相互作用时产生的等离子体冲击波和空泡溃灭冲击波信号探测方面作了一些基础性的理论和实验工作。采用基于光偏转原理的水声信号的探测系统进行了实验研究,并使激光与靶材作用点处分别距离固壁面,自由水面3mm处、深水中,且以固定和不同的激光能量作用,探测光远离靶材等形式获得的冲击波信号进行比较,分析了随着激光能量变化以及探测距离变化时,冲击波声信号的强度变化及分布。通过对实验结果的分析、总结进一步为搭建基于薄膜震动的干涉法探测空泡产生、脉动和溃灭的一系列冲击波信号细微特征的实验装置提供了一定的理论参考。本文的研究结果对研究水环境中激光与物质相互作用的机理具有一定的参考意义。
参考文献：
[1]. 不同介质中激光等离子体冲击波波前参量特性研究[D]. 钱彦. 南京理工大学. 2004
[2]. 激光等离子体冲击波传输及空泡动力学特性研究[D]. 赵瑞. 南京理工大学. 2007
[3]. 高功率激光与水下物质相互作用过程与机理研究[D]. 陈笑. 南京理工大学. 2004
[4]. 高功率激光与材料相互作用力学效应的测试与分析[D]. 徐荣青. 南京理工大学. 2004
[5]. 流体中非中心对称点源冲击波衰减波前测试及传播特性的研究[D]. 夏铭. 南京理工大学. 2003
[6]. 激光等离子体冲击波与表面吸附颗粒的作用研究[D]. 张平. 南京理工大学. 2007
[7]. 基于光学传感测量的飞秒激光烧蚀过程的动力学特性研究[D]. 钟东. 武汉理工大学. 2015
[8]. 光学元件表面的激光清洗技术研究[D]. 叶亚云. 中国工程物理研究院. 2010
[9]. 超短脉冲强激光在介质中的传输及激光在水下声源中的应用[D]. 邓圆. 浙江大学. 2013
[10]. 水环境激光推进中冲击波信号分析[D]. 饶志敏. 南京理工大学. 2010