毫秒脉冲激光辐照下金属靶材温度场的实测与模拟

摘要

本文针对毫秒激光辐照金属靶材后的物理过程，分析了毫秒脉冲激光与金属靶材相互作用机理，对辐照过程中影响辐照效果的一些因素进行了总结，基于热传导基本方程，推导出几种无限大平面的热传导方程，并给出了相应边界条件。
　　 根据推导的热传导方程，利用有限元法结合实验用Me-lar-50激光器的参数对常见金属铜片、铝片进行了温度的数值模拟，对同脉宽不同能量下铝、铜表面温度径向变化;低电压下不同脉宽下铝、铜表面温度径向变化;同脉宽不同能量下铝、铜内部温度场轴向变化;低电压下不同脉宽下铝、铜内部轴向温度场变化进行了分析对比。当脉冲持续时间为1.Sms时，作用铝和铜的温度场变化差别极大，反映了吸收系数对靶材温升的影响，吸收系数高的温度升的更快。当能量在一定低值时候，通过提升脉宽时间可以有效提高靶材温升;当能量超过一定数值后，通过增加脉宽来提升靶材温升效果就不特别明显。
　　 利用KLEIBERKMGA740高速测温仪对Me-lar-50激光器辐照后的各种情况进行了实验测试，得到了铜片、铝片表面温度变化的实验数据，激光器在相同低电压下，虽然脉宽不同能量不同，但作用后的温升的初始变化趋势基本相同，初始阶段温升变化曲线是几乎重合的，这与理论模拟计算结果相一致。在激光器电压、光斑大小相同的情况下增加激光脉宽可以有效提升作用效果增加温升，小脉宽大能量对于提高辐照后瞬间最高温度相对更好些。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 激光辐照在激光测试技术中的意义

1．3 激光辐照下靶材温度场分布研究概况

1．4 本文所做的工作

2 毫秒脉冲激光辐照下靶材表面的反射与吸收

2．1 基于YAG毫秒脉冲激光器的原理及特点

2．2 激光在介质中传播的经典电磁理论

2．3 激光在固态介质中吸收的洛伦兹阻尼振子模型

2．4 金属物质对毫秒脉冲激光的吸收与反射的微观机理

2．5 辐照过程中影响靶材温升变化的理论分析

2．5．1 脉冲持续时间对金属靶材表面温升特性的影响

2．5．2 金属靶材表面粗糙度对温升特性的影响

2．5．3 激光光斑大小对靶材温升特性的影响

2．6 本章小结

3 毫秒脉冲激光作用下的金属靶材温度场分布情况

3．1 毫秒脉冲激光对金属靶材的加热微观机理

3．1．1 金属靶材的内能

3．1．2 比热容及焓

3．1．3 金属靶材内部热传导研究方法讨论

3．2 一般情况下热传导方程及边界条件

3．2．1 热传导方程(heat conduction)

3．2．2 毫秒脉冲激光对金属靶材热作用计算边界条件的讨论

3．3 激光辐照理想状态下的几种常见热传导方程推算

3．3．1 二维无限大平面靶材的热传导方程及其解

3．3．2 三维无限大平面温度场的热传导方程及其解

3．3．3 半无限大平面温度场的热传导方程及其解

3．4 本章小结

4 毫秒脉冲激光辐照下AL＼CU径向轴向温度场模拟分析

4．1 同脉宽不同能量下铝、铜表面温度径向变化

4．2 低电压下不同脉宽下铝、铜表面温度径向变化

4．3 同脉宽不同能量下铝、铜内部温度场轴向变化

4．4 低电压下不同脉宽下铝、铜内部温度场轴向变化

4．5 本章小结

5 靶材中心点温度场变化实验测试与模拟对比分析

5．1 金属材料的选择

5．2 实验条件

5．2．1 实验测试光路

5．2．2 KLEIBER KMGA 740高速测温仪的设置

5．3 实验测试与模拟

5．3．1 实测低电压下铜的中心点温度变化

5．3．2 相同脉宽不同能量下铜片中心点温度变化情况

5．3．3 相同能量不同脉宽铜片中心点温度变化情况

5．3．4 铜片中心点温度变化实测与模拟对比

5．3．5 实测相同脉宽不同能量下铝片中心点温度变化

5．3．6 铝片中心点温度变化实测与模拟对比

5．4 本章小结

6 总结与展望

6．1 本文总结

6．2 研究展望

致谢

参考文献