铁基金属材料的超短脉冲激光烧蚀机理及实验研究

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1、硕士学位论文铁基金属材料的超短脉冲激光烧蚀机理及实验研究ULTRASHORTPULSELASERABLATIONMECHANISMANDEXPERIMENTALSTUDYOFIRON-BASEDMETALMATERIALS张凯哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：TH140学校代码：10213国际图书分类号：621密级：公开工学硕士学位论文铁基金属材料的超短脉冲激光烧蚀机理及实验研究硕士研究生：张凯导师：白清顺副教授申请学位：工学硕士学科：机械制造及其自动化所在单位：机电工程学院答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学Cla

2、ssifiedIndex:TH140U.D.C.:621DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringULTRASHORTPULSELASERABLATIONMECHANISMANDEXPERIMENTALSTUDYOFIRON-BASEDMETALMATERIALSCandidate：ZhangKaiSupervisor：AssociateProf.BaiQingshunAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringMechanicalManufacturin

3、gandSpeciality：AutomationAffiliation：SchoolofMechatronicsEngineeringDateofDefence：June,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要近年来，随着固体激光驱动器规模的不断扩大，激光装置内激光通量的不断提高，高功率激光装置内部洁净度问题已经成为制约激光惯性约束核聚变发展的瓶颈问题之一。在神光-III装置运行过程中，打靶过后光传输通道内部环境急剧恶化，颗

4、粒污染物的沉积将导致光学元件在激光作用下产生损伤。通过研究发现当杂散光照射到金属构件表面后，金属粒子将散射到周围环境形成颗粒污染物，进一步被吸附到光学元件表面。因此，从污染物的源头进行分析，对激光诱导不锈钢构件的损伤行为进行研究具有十分重要的意义。研究结果可为提高高功率激光装置的内部洁净度、实现超洁净控制提供理论依据。本文首先采用分子动力学方法模拟了污染物在单晶铁表面的吸附过程，从瞬时体系构象、污染物分布状态和系统吸附能等角度对污染物在单晶铁表面的吸附过程进行分析。研究表明：基底表面微结构对污染物吸附程度具有重要影响，污染物在不同基底微结构表

5、面产生不同的吸附状态。以污染物在单晶铁表面吸附的稳态模型为基础，为后文模拟激光烧蚀污染单晶铁材料提供所需要的物理模型。其次，本文采用基于双温模型的分子动力学模拟方法对激光烧蚀单晶铁的物理过程进行研究，根据不同时刻单晶铁原子的分布状态对激光烧蚀过程进行了详细分析。分析了单晶铁基体内部的应力波传播现象，根据不同激光能量作用下单晶铁表面原子的状态变化情况，确定单晶铁材料的烧蚀阈值。与后文激光烧蚀污染单晶铁进行对比，分析污染物对单晶铁烧蚀的影响情况。再次，采用分子动力学能量耦合方式模拟激光烧蚀污染单晶铁的物理过程，对激光作用下污染物诱导单晶铁的损伤情

6、况进行分析。根据单晶铁基体各区域的温度和质量密度变化情况确定烧蚀阈值，对比不同能量加载方式下单晶铁材料受影响情况，分析不同激光加载方式对单晶铁激光烧蚀的影响情况。最后，对不锈钢工件表面污染物含量进行检测，通过采用液滴接触角实验对工件表面污染物的含量进行定性分析，采用X射线光电子能谱仪对工件表面污染物的元素成分进行定量检测，初步验证污染物吸附特性。使用ThalesSAGA固体脉冲激光器烧蚀不锈钢工件，检测不同脉冲数目和不同激光能量作用下2Cr13不锈钢工件的损伤情况。采用光学显微镜观测激光烧蚀不锈钢工件的宏观形貌，借助扫描电子显微镜和白光干涉仪

7、检测激光烧蚀后不锈钢工件表面产生的微观缺陷和被烧蚀区域的截面形貌，揭示激光作用下污染物诱导不锈钢工件的损伤情况。关键词：激光烧蚀；污染物；单晶铁；分子动力学；超洁净制造-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractInrecentyears,withthecontinuousenlargementofthesizeofsolid-statelaserdrivers,thelaserfluxinlaserdeviceshasbeencontinuouslyimproved.Atpresent,theinternalcleanlinesso

8、fhigh-powerlaserdeviceshasbecomeoneoftheproblemsrestrictingthedevelopmentoflaserin