马赫曾德尔干涉仪瞬态干涉条纹采集技术及其在激光等离子体测试中(2)

激光与靶材相互作用时，当激光尚未照射到靶材表面时，激光与靶材是两个相互独立的部分。一旦激光入射到靶材表面，靶材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，靶表面吸收入射激光能量，使其表面温度上升，从而能够改变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，已经得到了广泛的应用。靶材在高功率激光作用下，靶面迅速吸收激光能量，靶面温度很快升至气化温度，从而出现气化。气化后的物质蒸气继续吸收激光能量，使其温度进一步升高，形成蒸气等离子体。这种等离子体的出现对靶与激光相互作用会产生巨大的影响［３１１４］。这种影响主要表现在三个方面，一是蒸气等离子体自身对激光有很强的吸收作用，能使后续的激光能量部分的甚至全部不能到达靶面，这就在靶与激光之间形成一个屏蔽【５Ｊ激光能量的“墙”。二是蒸气等离子体对靶材的作用１６］，主要为力学作用和热学作用（包括压力和冲量传递、靶材中应力波等力学效应）；三是相互作用过程中蒸气等离子体的点燃【＿７】和发展过程（包括等离子体时间和空间行为）。同时，会在空气中产生等离子体冲击波【８】。可见激光在与物质相互作用的过程中会在材料内部及其材料所处的外部环境中产生热学、力学、光学、电磁学等丰富的物理效应，这些物理效应直接决定了激光的应用，因而激光与物质相互作用的机理是激光应用的基础。目前，国内外广大科研工作者己经对激光与物质相互作用的

Ｉ引言硕士论文机理和测试进行了广泛而深入的研究，做了大量的实验和理论工作，得到了大量的有价值的实验和理论数据，揭示了一些重要的相互作用过程的规律。

１．２研究意义

随着科学工作者对激光技术研究的不断深入，激光等离子体在一些新的领域获得了新的应用。下面择其一二加以介绍。

１．激光等离子体在推进技术中的应用

传统的卫星发射，需要大型的化学燃料运载火箭。化学燃料推进的比冲较低【９】【１０１，约为２００～５００ｓ，有效载荷比约为１．５％，发射成本约为１００００美元／千克。化学燃料推进依靠的是化学燃料的燃烧，而激光推进利用的则是激光束辐照靶面产生的超音速喷射的等离子体，由于克服了燃烧温度的限制，等离子体的温度可达至ｌＪｌ０４Ｋ，同时比冲达到１０５Ｓ，与化学燃料相比，激光等离子体推进技术可以将发射费用降低两个数量级，实现近地轨道的发射费用约为几百美元／千克，同时大大降低推进剂的消耗。

２．激光点火的应用

当高能量激光聚焦在空气中，就会诱导空气击穿，形成高温高压的激光等离子体【ｌｌ】

【１２】。激光等离子体向外高速膨胀推动周围气体形成高速传播的冲击波，此时的冲击波已经满足了点火的要求。要想利用传统的点火装置稳定可靠地点燃空气和燃油的混合物，必须提高点火的电压和能量，点火电压超过４０ｋＶ，如此高的点火电压和能量反过来又影响了点火的可靠性，比如导致二次电压击穿、点燃时间的不稳定性、以及电极性能的退化和腐蚀等。因此必须频繁的更换火花塞，这样做造成了资源的浪费。

而利用激光点火可以克服上述困难，并且还具有其他的一些优势，比如可以精确控制点燃时间和点燃位置。又该点火方式可以在汽缸中心位置点燃，因此减少了汽缸壁的导热带来的能量损失。这样做既可以提高发动机的效率，而且又经济环保。但是在激光点火中，可靠的点燃阈值是最重要的，等离子体的发展过程对发动机的性能影响很大，所以必须深入研究激光等离子体的发展过程。

３．激光等离子体的其他应用

激光等离子体还有其他一些领域的应用，如激光引雷【１３１、激光等离子体清洗技术、激光等离子体在可控核聚变中的应用等。可控核聚变是解决能源危机的重要途径之一，主要方案包括磁约束和惯性约束聚变（ＩＣＦ）。１９９４年由美国利弗莫尔国家实验室研究人员提出的激光核聚变“快点火＂（ＦＤ方案，为ＩＣＦ点火开辟了一条很有希望的崭新途径。快点火方案是先由大型激光器将靶丸燃料压缩至高密度，但不必加热到点火温度，再由高功率激光器加热的快粒子穿过高密度等离子体区达到靶丸实现点火，该方案大大减小了传统方案中对称压缩和靶丸温度之间的矛盾，并且显著提高能量增益，从而降低可控核聚变研究在技术和经济上的需求。２

硕士论文马赫．曾德尔干涉仪瞬态干涉条纹采集技术及其在激光等离子体测试中的应用

由上可知，激光等离子体将有着广泛的应用前景，而激光等离子体是激光与材料相互作用的产物。所以对激光等离子体的诊断自然而然就成为人们研究的一个重要课题。激光等离子体的诊断内容日益丰富，包括诊断等离子体的折射率、等离子体温度、压强、电子密度、电离度和密度等，这些物理量都从某一方面反映了等离子体的性质。激光等离子体的诊断手段和方法也在不断的改进、探索和创新中。目前，尽管国内外科研工作者对激光与物质相互作用的机理和测试做了广泛而深入的研究并且得到大量的有价值的实验和理论数据。但对激光与物质相互作用的理论和实验作进一步研究，对激光的应用和相关检测技术的发展仍具有重要意义。而且对于这方面的研究，国外比国内起步早，并且一直领先于国内，所以我们很有必要对此作深入的研究。

１．３激光等离子体的国内外研究进展

激光等离子体诞生的同时，科学工作者就开始对激光等离子体进行广泛而深入的研究，国外对激光等离子体的研究要比国内早几十年。

早在１９６６年Ｃ．Ｄａｖｉｄ［１４】等人研究了激光作用于靶材产生的等离子体现象，并用Ｈｅ－Ｎｅ激光器产生的激光作为马赫一曾德尔干涉仪的探测光源诊断了红宝石激光引起靶材气化产生的等离子体。Ｄ．Ｂ．Ｎｉｃｈｏｌｓ和Ｒ．Ｂ．Ｈａｌｌ［”１（１９７８）ｔｉ开究了波长为２．８ｐｍ的ＨＦ激光器和波长为３．８／ａｍ的ＤＦ激光器作用于不同靶材的等离子体点燃阈值。Ｊ．Ａ．Ｍｃｋａｙ［１６１（１９７９）用干涉法、条纹照相和电荷收集等测量手段对等聚焦的Ｃ０２激光器产生的离子体进行了诊断，得到了等离子体区折射率分布和密度分布。

Ｉ．Ｕｒｓｕ等人【ｒ刀（１９８０）研究了等离子体屏蔽与激光束直径之间的关系。徐至展【１８】等人（１９８１）研究了上升时间为毫微秒的万兆瓦量级的钕玻璃激光脉冲与多种含氘材料平板靶之间的相互作用。重点测量了等离子体的中子产额、电子温度和后向反射激光的各种特性（包括反射率、空间、时间及光谱结构）。他们又在１９８７年利用六路激光装置发射激光引起的后向喇曼散射光作为探测光，研究了激光等离子体的产生过程，得到了高分辨率的等离子体图像。Ｄ．Ａｐｏｓｔｏｌ等人（１９８３）用红宝石和ＣＯ。激光器研究了不同能量下激光打击铝靶材产生等离子体的情况，分析了在作用０．２Ⅳｓ以后的等离子体膨胀过程。刘长剐１９】等人（１９８９）用高速摄影机和扫描变像管相机研究了１．０６ｌａｍ波长激光与ＬＹｌ２铝靶相互作用产生等离子体现象。

陆型２０】［２１】等人（１９９１）用光学延迟法实现探测光和作用光的精确同步和延迟，借助光学干涉法全面研究Ｑ－ＮＤ．＂ＹＡＧ激光在铝靶表面产生和发展等离子体的过程，得到了起始阶段的等离子体干涉图，通过对等离子体干涉图的分析，提出了判断等离子体是否点燃和在什么时刻点燃的方法。并且通过改变探测光和作用光之间的延迟时间，测量了能量为１２ …… 此处隐藏：2450字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……