激光等离子体静电效应机理与实验研究

激光等离子体静电效应机理与实验研究

南京理工大学

硕士学位论文

激光等离子体静电效应机理与实验研究

姓名：童朝霞

申请学位级别：硕士

专业：光学工程

指导教师：卞保民

20060601

激光等离子体静电效应机理与实验研究

中文摘要

中文摘要

激光与靶材的强烈相互作用产生高能量的超热电子逃逸，导致激光等离子体带微

量的正电荷。本文深入分析研究了激光等离子体静电效应产生的机理，提出了一种无

偏置电压的激光等离子体静电效应——靶材电势测试法，建立了该测试方法的低阶等

效电路模型。本文应用无偏置电压靶材电势测试法，测量不同激光能量、不同靶材特

征参量（材料、长度、截面直径）对靶材电势的影响，结合靶材的汽化热、汽化温度、

等离子体电离度、等离子体激光吸收系数等因素，对靶材电势变化规律进行详细分析。

本文的研究结果表明，激光等离子体的静电效应可分为四个阶段：第一阶段内靶

电势随超热电子的逃逸持续增大，时间约３０船；第二阶段内靶电势随激光等离子体

衰减迅速下降，持续时间约１００ｒ掰；第三阶段内靶电势随高温带电气团的扩散出现波

动，持续时间约１声；第四阶段内靶材上的剩余电荷通过测试电路放电，靶电势呈指

数规律衰减。低阶等效电路模型的理论计算与测试结果吻合，激光等离子体的微量正

电量大于１０５Ｐ。；

■本论文的研究为激光熔蚀过程中激光等离子体静电效应机理及测量奠定了初步

基础，为解决激光等离子体冲击波的能量转化问题做了铺垫。

关键词：激光等离子体静电效应靶材电势测试法资助项目：国家自然科学基金Ｎｏ．６０３７８００３

激光等离子体静电效应机理与实验研究

英文摘要

ＡＢＳＴＲＡＣＴ

Ｔｈｅｓｔｒｏｎｇｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｏｆｌａｓｅｒａｎｄｍａｔｅｒｉａｌｐｒｏｄｕｃｅｓｕｌｔｒａｈｏｔｅｌｅｃｔｒｏｎｓ

ｗｉｔｈｈｉｇｈ—ｅｎｅｒｇｙｗｈｏｅｓｃａｐｅｏｕｔｗａｒｄｓ，ｌｅａｄｉｎｇｔｏｔｈｅｐｌａｓｍａｈａｓａｄｒａｍｏｆ

ｐｏｓｉｔｉｖｅｃｈａｒｇｅｓ．Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃｅｆｆｅｃｔｍｅｃｈａｎｉｓｍｗａｓｌｕｃｕｂｒａｔｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．

Ａｔｅｓｔｉｎｇｍｅｔｈｏｄｏｆｔｈｅｔａｒｇｅｔｅｌｅｃｔｒｉｃｐｏｔｅｎｔｉａｌｗｉｔｈｏｕｔａｄｄｉｔｉｏｎａｌｖｏｌｔａｇｅ

ｗａｓｐｕｔｆｏｒｗａｒｄ。ｗｈｏｓｅｌｏｗ－ｏｒｄｅｒｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｃｉｒｃｕｉｔｍｏｄｅｌｗａｓａｌｓｏｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．

Ｔｈｒｏｕｇｈｃｈａｎｇｉｎｇｌａｓｅｒｅｎｅｒｇｙ，ｔａｒｇｅｔｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｐａｒａｍｅｔｅｒ（ｍａｔｅｒｉａｌ，

ｌｅｎｇｔｈ，ｓｅｃｔｉｏｎｄｉａｍｅｔｅｒ），ｔｈｅｄｅｔａｉｌｅｄａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｓｉｇｎａｌｗａｓｃａｒｒｉｅｄｏｎ

ｆｒｏｍｖａｐｏｒｉｚａｔｉｏｎｈｅａｔ，ｖａｐｏｒｉｚａｔｉｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｐｌａｓｍａｉｏｎｉｚａｔｉｏｎｒａｔｅ，

ｐｌａｓｍａａｂｓｏｒｂａｂｉｌｉｔｙｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ．ｅｔｃ．

ＩｔｗａｓｆｏｕｎｄｔｈａｔＬａｓｅｒ—ｉｎｄｕｃｅｄｐｌａｓｍａ’Ｓｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃｅｆｆｅｃｔｃａｎｂｅｄｉｖｉｄｅｄ

ｉｎｔｏｆｏｕｒｓｔａｇｅｓ：Ｔｈｅｆｉｒｓｔｓｔａｇｅ，ｔｈｅｔａｒｇｅｔｅｌｅｃｔｒｉｃｐｏｔｅｎｔｉａｌｉｎｃｒｅａｓｅｓｗｈｅｎ

ｕｌｔｒａｈｏｔｅｌｅｃｔｒｏｎｓｅｓｃａｐｅ，ａｂｏｕｔ３０船；Ｔｈｅｓｅｃｏｎｄｓｔａｇｅ，ｔｈｅｔａｒｇｅｔｅｌｅｃｔｒｉｃ

●ｐｏｔｅｎｔｉａｌｄｅｓｃｅｎｄｓｗｈｅｎｔｈｅｐｌａｓｍａｄｅｃａｙｓａｎｄｗｉｔｈｅｒｓａｗａｙ．ａｂｏｕｔｌＯＯｎｓ；Ｔｈｅ

ｔｈｉｒｄｓｔａｇｅ，ｔｈｅｔａｒｇｅｔｅｌｅｃｔｒｉｃｐｏｔｅｎｔｉａｌｆｌｕｃｔｕａｔｅｓｗｈｅｎａｉｒｍａＳＳｄｉｆｆｕｓｅｓ，

ａｂｏｕｔｌｐｓ；Ｔｈｅｆｏｕｒｔｈｓｔａｇｅ，ｔｈｅｒｅｍａｉｎｄｅｒｃｈａｒｇｅｓｄｉｓｃｈａｒｇｅｓｂｙｔｈｅｔｅｓｔｉｎｇ

ｃｉｒｃｕｉｔ，ｔｈｅｔａｒｇｅｔｅｌｅｃｔｒｉｃｐｏｔｅｎｔｉａｌｒｅｄｕｃｅｓｅｘｐｏｎｅｎｔｉａｌｌｙ．Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ

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ｒｅｍａｉｎｄｅｒｐｏｓｉｔｉｖｅｃｈａｒｇｅｓｏｆｔｈｅｌａｓｅｒ—ｇｅｎｅｒａｔｅｄｐｌａｓｍａｉｓｍｏｒｅｔｈａｎ１００．

Ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｏｆｔｈｉｓｐａｐｅｒｌａｙｓａｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｙｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｆｏｒｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｓｍ

ａｎｄｔｅｓｔｉｎｇｏｆｔｈｅｌａｓｅｒ—ｇｅｎｅｒａｔｅｄｐｌａｓｍａｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃｅｆｆｅｃｔｉｎｌａｓｅｒ

ａｂｌａｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｅｎｅｒｇｙｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｌａｓｅｒ—ｉｎｄｕｃｅｄｐｌａｓｍａｓｈｏｃｋｗａｖｅ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｌａｓｅｒ—ｇｅｎｅｒａｔｅｄｐｌａｓｍａ，Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃｅｆｆｅｃｔ，ｔｅｓｔｉｎｇ

ｍｅｔｈｏｄｏｆｔｈｅｔａｒｇｅｔｅｌｅｃｔｒｉｃｐｏｔｅｎｔｉａｌ

激光等离子体静电效应机理与实验研究

声明

本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所

●

学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均中作了明确的说明。

●

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激光等离子体静电效应机理与实验研究

。１绪论

ｌ－１引言

簟

激光与靶材相互作用物理过程是十分复杂的，与靶材的多样化、作用激光参数的多样化、作用条件的多样化都有关，涉及诸多学科，包括激光物理、传热学、等离子体物理学、非线性光学、热力学、气体动力学、流体力学、靶材力学、固体物理、固体靶材的光学性质等【ＩＪ。激光作用于靶材表面，表面就会吸收和反射激光，这种吸收和反射主要取决于靶材表面的光学性质。靶材表面吸收入射的激光能量，表面温度上升，改变了靶材表面的结构和性能，甚至造成不可逆的破坏。这在激光加工过程中，如切割、淬火、焊接、辐射以及靶材表面处理等方面，已得到广泛的应用。靶材在高功率激光作用下，表面物质吸收激光能量，温度快速上升至气化温度，气化后的物质蒸汽吸收激光能量，温度进一步升高，形成蒸汽等离子体，等离子体继续吸收激光剩余能量，并向外膨胀，转化为等离子体冲击波，等离子体熄灭后，冲击波向外运动，最后衰减成为声波。

大约从上世纪五十年代起 …… 此处隐藏：12836字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……