高功率激光诱导液本介质产生等离子体的理论研究和实验测试

摘要

本文研究了高功率激光与液体相互作用产生等离子体的物理过程，建立了激光诱导水击穿阈值的物理模型；提出了阴影法和干涉法中衍射效应的消除方法；研究了强激光作用于水中靶材的力学效应，推导了激光径迹方程；利用阴影法研究了激光空泡发展过程，从理论上和实验上研究了激光等离子体的屏蔽效应。
　　 首先，本文基于自由电子速率方程，建立了用于确定水击穿阈值的两个模型。通过与实验数据的比较，发现基于数值模拟的模型的结果要比简化模型与实验结果更接近。利用基于数值模拟的模型，分析了多光子电离、雪崩电离和电子的复合损失对击穿阈值的影响，并分析了激光波长、脉宽和杂质对水击穿阈值的影响，还计算了等离子体中自由电子密度的演化、等离子体吸收系数和能量密度。发现多光子电离在短脉宽、短波长作用激光和纯净水情况下作用显著，而雪崩电离在长脉宽、长波长作用激光下和含有杂质的情况下占主导作用。这些结果与已报道的实验结果相一致。
　　 提出了利用干涉法和阴影法对激光诱导水击穿形成的等离子体和冲击波的测量过程中，衍射效应的消除方法。运用衍射基本理论建立了物理模型，从理论上推导了透镜成像衍射效应的过程和结果，发现等离子体区域与相机相对于成像透镜成物像关系时能克服衍射效应的影响。
　　 实验上采用基于光纤耦合的高灵敏度光束偏转测试系统实验研究了激光烧蚀水下铝靶时所产生的等离子体冲击波的物理现象，发现激光等离子体冲击波衰减为声波的距离随作用激光能量增大而增大的结论。采用基于光偏转原理作成的光纤力学传感器测量了不同激光能量下水下靶材表面的瞬态压力，结果表明空泡射流的力学效应与等离子体冲击波的一样重要，有时甚至更加明显。采用阴影法观察了激光诱导冲击波和空泡的产生过程，并对所观察的实验现象进行了解释。
　　 理论上利用激光时空分布的对称性和激光等离子体折射率分布特点，研究了后续激光在等离子体中传播的传播方程，得到了激光在激光等离子体中传播的径迹方程，给出了径迹图，并进行了讨论；实验上采用光学阴影法，研究了激光诱导水击穿形成的等离子体对探测光的屏蔽现象。实验发现激光等离子体的屏蔽随作用光的增强而增强，同时，观察并测量了由于激光的自聚焦效应，在激光诱导水击穿形成的线性等离子体区域。
　　 本文研究结果可为水下激光加工、激光医疗效果及其安全性研究、激光在液体中的传播特性研究，避免激光导致等离子体效应带来的危害，同时也为科学利用激光导致液体产生等离子体效应提供理论和实验依据。