长脉冲激光辐照铝靶过程中熔池内液体的表面张力与熔池形状的关系(2)
4.2.4 形成熔坑时表面溶液的表面张力 19
4.3 熔池形状与熔液表面张力关系分析 20
结论 23
致谢 24
参考文献 25
1 引言
1.1 激光技术概况
从激光器问世到现在,其利用价值被充分挖掘,不断推动着科学技术的进步和人类社会的发展,在工业[1]、地理、生物学等众多领域得到了非常广泛的应用，成为国家科学技术综合实力的重要评判指标之一。
激光与物质相互作用过程中有着种种复杂的现象,要了解产生这些现象的原因,就必须研究激光物质相互作用过程的机理。激光相对于自然光,具有很好的单色性及相干性且在传播时不会发生较大的方向偏移,具有良好的方向性。种种先天的优势使得激光技术被普遍应用。在激光加工中，金属材料在激光辐照下，表面会吸收入射激光束的能量的一部分并通过光热转换将其转变为热能，产生的热能再通过热传导继续传播，从而引发进一步的温升。参数不同（能量、波长及脉宽等）的激光辐照材料表面时，材料表面发生的物理现象也不同。此外，材料参数和环境条件的不同也将影响材料对激光的响应。在激光辐照金属材料时，随着温度的上升，金属将熔化产生熔池，工业中便是通过控制激光参数和加工方式，来得到特定的金属构件。在实验中，我们可以通过数值或解析计算的方法来求解理论情况下打孔的形状，也可用全息摄影法[2]、拼接打孔[3]等方法来获得实际的孔型。在理论计算中，通常通过求解金属材料受激光辐照时温度场的分布来得到辐照过程中各个时刻所产生的熔池形状。
1.2 激光辐照材料的研究
1.2.1 国外研究状况
1.2.2 国内研究状况
1．3 本文的主要研究工作
本文的主要研究工作就是利用长脉冲激光辐照铝靶，在辐照过程中求解铝靶内温度场的分布，从而得到铝靶熔化所产生的熔池形状，并对熔池内液体表面的张力进行计算。工作内容如下：
1、依据长脉冲激光辐照铝靶的实际情况建立了二文轴对称模型，将激光束的照射以热流密度载荷加载到铝靶表面，利用有限元法对激光作用靶材过程中的热传导方程进行求解，得到了铝靶受辐照过程中的温度场分布以及所产生熔池的形状。
2、假设熔池内熔液向外凸起形成鼓包和发生喷溅且仅在固-液界面残留很薄一层熔液这两种情况下，通过数值计算，分别得到不同时刻熔池内液体表面张力的大小。分析了表面张力与熔池形状的关系以及其在不同时刻下的变化率。
2 理论基础
2．1 材料受激光辐照的理论基础
2.1.1 激光与物质相互作用的过程
在激光作用材料表面时，对不同参数的入射激光，材料内部温度场和应力的分布也不同。物质受到激光辐照时会产生温升及应力等变化，归根结底还是物质对激光的吸收与转化。
对于不同材料，其吸收激光的方式可能不同。激光辐照物质表面时，物质对激光的吸收大致可分为杂质吸收、多光子吸收、逆韧致吸收、光致电离、空穴吸收等五种。激光作用物质表面时，其表面将反射和散射一部分激光能量；一部分激光能量被材料自身吸收与转化，剩下的则透过材料向前传播。由能量守恒定律可知，入射激光束总能量应该等于经材料表面散射和反射部分、被材料自身转化吸收和透射的激光能量之和[15]。从本质上来说，激光束也是一种电磁波，其与物质的相互作用便是其与物质中电子的相互作用，因此，物质的内在结构和电子能带结构很大程度上影响着其对激光的吸收能力。