激光与物质相互作用课件.ppt

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1、第2章激光熔融与气化激光加热材料表面使得其表面的温度升高、当表面温度达到材料的熔点时，将发生熔融现象；继续加热到材料表面温度达到气化温度时，表面将发生汽化现象。§1激光熔融现象当激光致使材料表面的温度达到其熔点时，材料表面已有部分被熔化．而且熔化区的出现使热传导变得很复杂；原因主要因为材料熔化要吸收熔化热；其次材料的热导率在熔化前后将成倍的变化。等温面传播的最大距离为最大熔化深度，该物理量是激光焊接中的重要参数。为使问题简化，在激光加热和熔化期间材料的热特性保持不变，且激光强度恒定，均匀地作用于材料表面，熔化（液相区）也均匀地出现在某一平面上，并假

2、设等温面z（t），边界条件为：激光照射到材料表面时，材料表面温度按热传导的规律升高，但表面温度达到熔点Tm，等温面(熔化波前)以一定的速度向材料内部传播。其传播速度取决于激光功率密度和材料的固相、液相的热力学参数。式中下标1，2分别表示液相和固相，Tn代表融化温度；Ll为材料的熔化潜热；t是熔化开始后的时间。tn是激光照射材料表面到材料熔化所需的时间对于大多数金属而言，近似成立，所以溶化波前的深度为在所作用的激光脉宽一定时，应调整作用激光的功率密度，以便在激光脉冲结束时材料表面恰好达到气化温度，以获取最大的熔化深度。溶蚀时间tn可由热平衡方程近似出

3、第2节靶材的气化模型高强度激光脉冲照射金属靶表面分为几个阶段:首先，靶表面达到熔点温度时，就形成一个熔融层，然后温度继续上升直到蒸发开始。一部分吸收的激光能流变为蒸发的潜热、气化质量的动能和喷溅蒸气的热量，其余部分传给靶材。最后，在强度不是很高的条件下，喷溅蒸气不能形成强吸收，系统达到一个稳定状态。若激光加热能量分布随时一间变化，则必须假定在每一时刻均存在稳定状态解，然后将所有的点的解集合。对于蒸发稳定状态，可从温度和蒸气的质量变化率来计算蒸气压力在更高的强度下，激光和蒸气之间的相互作用变得重要了，温度很高以致部分靶蒸气原子处于激发状态，另外随着蒸

4、气密度的加大，逆韧致辐射过程加强了。考虑熔融潜热稳态蒸发解为铝靶吸收了功率密度为107W/cm2的激光后温度分布第3节靶材气化时的Knudsen(克努森)层从靶表面跑出来的蒸汽粒子具有表面温度下的麦克斯韦速率分布.而且这些气化粒子的速度方向均是离开靶表面方向。这种各向异性的速率分布是通过蒸气粒子相耳碰撞形成的，通常认为这种碰撞是在靶表面前方几个平均自由程内进行，这一区域称为Knudsen层。在下面处理过程中，假设所有后向散射蒸气粒子凝固到靶表面上，并将蒸气近似为理想气体来处理，那么1mol理想气体内能为代入分布函数式并积分，得到Knudsen层的质

5、量、动量、能量守恒方程变换一下得靶表面蒸汽的温度、密度与靶材密度、表面温度的关系。Knudsen层的蒸气马赫数Ma为马赫数:Machnumber定义1：在某一介质中物体运动的速度与该介质中的声速之比。定义2：流场中某点的速度与该点处的声速之比第4节Knubsen层外的蒸气流动五条假没:1)作用激光近似作为顶帽型(top-hat)处理。2)激光脉冲开始时，就有蒸发现象3)激光脉冲期间，靶表面靶物质喷溅是稳定的。4)靶周围气体均匀且静止。5)与气体喷溅速度相比，靶表面后退速率很慢整个区域分为三部分，1、表示稳态气体，2、表示受扰动气体;3、为Knuds

6、en层邻近气体冲击波后的气体速度Ma3表示接触间断面蒸气中的马赫数代入V2饱和蒸气压力和Knudsen层温度Ts的函数关系第5节气化时间的估计假设气化过程中，所有材料在液相和固相时性质相同，且不随温度变化，那么气化厚度为d,:的金属所需时间可由能量守恒定律推得作用激光功率密度愈高所需气化时间愈短；一般气化时间比熔融时间高出一个数量级，原因在于沸点比熔点高得多。而且气化潜热比熔融潜热要大一个数量级。激光加热靶材且至气化过程中，有两个非常重要的物理量：激光与靶材的热耦合系数，激光能量中被转化为靶的热能的部分。质量迁移率：m/E，材料气化而损失的质量与

7、激光能量的比值，与激光功率密的分布、脉冲结构、光斑大小及材料本身的特性等都有关。调Q或锁模激光，m/E的值在1-10g/J，而对自由振荡脉冲激光、其脉宽为毫秒量级m/E为102g/J数量级很强激光照射靶材引起蒸气或等离子体的流体力学运动及其在凝聚态靶中的力学响应，构成了激光对靶的力学效应，蒸气或等离子体的运动将占据明显的能量比例，其动力学机制成为这类现象的主要因素，并对激光与靶的福合起到决定性的作用。在离开处于热力学平衡态的凝聚态靶表面的气体分子中，有一定比例的粒子由于反向散射而返回靶表面;特别当饱和气化时，蒸气压力与环境气体压力平衡，离开

8、靶面的粒子数与返回靶面的粒子数相等，呈现动态平衡。饱和气化时其平均速度为零，表现为气态半空间中的麦克斯韦分布当蒸气压力大于