强激光的热与力学效应研究
热能激光的原理
热能激光的原理热能激光是一种基于热效应的激光，它的原理依赖于材料在吸收激光强光束时产生热，从而引起物质膨胀、膨胀和物理变化。
这些热效应对激光光束的相位、振幅和极化状态产生影响，从而产生激光辐射。
热能激光的应用领域很广，包括舰艇防御、限制侦察、气动力学和材料研究等，下面将就热能激光的原理、性质和应用进行介绍。
热效应是热能激光产生的核心原理之一。
光子与物质之间的相互作用遵循能量守恒和动量守恒定律。
当光子的能量超过物质的能带间隙能量时，光子将被吸收并将能量转移到物质中。
由于吸收产生的能量比散射和反射更容易在物质中产生热效应。
因此，物质吸收激光强光束后会产生热并引起温度升高。
当热效应使物体某些区域的温度上升到临界值时，这些区域的特性将发生变化，如光学物质的折射率、热膨胀系数和热导率等。
这些变化将影响光波的传播和调制，从而引起产生激光的相位和振幅调制，产生惯性约束激光脉冲。
热能激光的原理可以用Bloch方程和Maxwell方程组的数学模型来描述。
在受激发时，布洛赫方程将描述材料的激子等效电子态与其基态能级之间的相互作用。
这些相互作用会引起相干和非相干的自发放出，导致材料中的光增强。
同时，麦克斯韦方程组将描述材料中电场、磁场和电流的演化。
这些方程可以用来描述材料内部的光传播和反射。
通过合并这些方程，可以导出光在材料中的传播方程，用于描述激光的发射和调制。
热能激光有一些特殊的性质，这些性质有助于它在各种应用中的使用。
热能激光的波长通常在红外区域，其产生的激光具有高功率和高能量密度。
此外，由于热效应带来的相位和振幅调制，热能激光可以产生非常高的亮度，这使得其在军事和航天领域中具有重要的应用价值。
此外，热能激光也可应用于物质处理、红外医学治疗和加工等领域。
热能激光在军事应用领域中具有重要的作用。
例如，热能激光的高功率和高能量密度使其可以用于防御舰艇和航空器。
当用热能激光向飞行物体或侦查设备发射激光时，激光会向其表面输送热能，特别是在其外壳表面上。
超强激光的产生及应用
超强激光的产生及应用·引言激光作为20世纪人类最重要的科技发明之一，经过40年的发展，直接推动了一批新兴学科与高新技术的发展，如非线性光学、激光光谱学、强场物理、光通信、光计算、光信息存储、激光化学、激光医学、激光生物学、激光核聚变、激光分离同位素、激光全息术、激光加工等等。
同时，激光技术也已经走进了人们的日常生活，如随处可见的CD唱机、VCD影碟机、超市收银机的条形码扫描仪、激光打印机等，无不采用先进的激光技术。
激光的发展开拓了激光技术的应用，激光技术的应用又推动了激光科学技术的进一步发展。
激光科技的最新前沿之一是超强超快激光。
超强即超高的功率和功率密度（指单位面积上的功率），目前一个激光系统甚至可产生高达1015瓦的峰值功率，而全世界电网的平均功率只不过1012瓦数量级；超快即极短的时间尺度，目前激光脉冲最短不过几个飞秒（10－15秒），光在1飞秒内仅仅传播0.3微米。
近年来新型小型化超强超快激光技术的迅猛发展，为人类提供了全新的实验手段与极端的物理条件。
这种在实验室中创造的极端物理条件，目前还只有在核爆中心、恒星内部、或是黑洞边缘才能找到。
在当今超强超快激光技术已经提供并将由于其进一步发展而能提供的越来越强并越来越快的光场条件下，激光与各种形态物质之间的相互作用，将进入到前所未有的高度非线性与相对论性起主导作用的强场超快范围，并将进一步把光与物质的相互作用研究深入到更深的物质层次，甚至光与真空的相互作用，由此开创了超强超快激光这一全新的现代科学技术前沿领域。
·超强激光的特点·脉冲短脉冲周期可达10-15s，是人类目前在实验室条件下所能获得最短脉冲的技术手段。
·峰值功率高峰值功率可达1015W，比全世界发电的总功率还大。
·聚焦光斑小精确的靶向聚焦，聚焦光斑可达μm量级。
·聚焦功率密度大可达1020～1022W/cm2,产生电磁场的强度比原子核对其周围电子的作用力还要高数倍。
激光加热下不同形貌硅片的热力学性能分析
- 44 —
装 备 机 械 2021 No.2
Calculation • Analyses
系 统 的 可 靠 运 行 [6_7]。硅 片 在 磨 削 加 工 时 会 造 成 表 面 磨 损 ，强 度 因 此 受 到 影 响 。对 集 成 电 路 和 硅 器 件 进 行 研 究 发 现 ，硅 片 在 高 温 工 艺 下 出 现 弯 曲 、翘曲也 是常 见 的 现 象 ~°]。如何提高硅片的机械强度和热 应 力 ，是一个重要课题。
的 ，没有光线穿透硅片。由此，激光产生的所有热量
都作用在硅片表面。
热量0 为：
Q = 〇j A { T ^ - T 2 ) / e
(6)
式 中 为 硅 片 温 度 ; r2 为周围环境温度;《为导热
系 数 ,出 为 5.67><1〇-8评/ ( 1112 .1〇 ^ 为辐射率，与
娃片表面性能有关，数 值 介 于 0 和 1 间 ' 取 0. 8;4
对 模 型 输 入 材 料 ，采 用 四 面 体 网 格 对 模 型 进 行 网格化设置，在硅片上表面施加同等压力，在硅片下 表 面 四 周 施 加 固 定 约 束 ，分 析 不 同 表 面 形 貌 硅 片 的 应 力 、应 变 ，得 到 应 变 云 图 如 图 3 所示 ，应力云图如 图 4 所示。
E E E E E E E E
-
-
0 0 0 0 0 0 0
I
7 0 0 .o>
E
-1 +
00
0.
1.487E-08 1.322E-08 1.157E-08 9.916E-09 8.263 E-09 6.611E-09 4.958E-09 3.305E-09 1.653E-09 O.OOOE+OO
激光加工中材料变形规律探究
激光加工中材料变形规律探究激光加工技术在工业制造领域得到了广泛的应用，其高精度、高效率、非接触式加工的特点使其成为许多行业的首选。
然而，激光加工过程中材料的变形问题一直是限制其应用范围和效果的重要因素。
本文将探究激光加工中材料的变形规律，希望能够深入了解这一问题并提出解决方法。
首先，我们需要明确激光加工中材料变形的原因。
激光加工过程中，激光能量会被材料吸收并转化为热能，导致材料温度升高。
高温下材料的热膨胀系数增大，使材料发生膨胀或收缩。
此外，激光加工中产生的热应力和热应变也会引起材料的变形。
因此，激光加工中材料的变形是由热效应引起的。
接下来，我们要研究激光加工中材料的变形规律。
首先要考虑的是材料的导热性能。
导热性能直接影响激光加工过程中材料的温度分布和传热过程，进而影响材料的变形情况。
热导率越高的材料，其热能能够迅速传递到周围环境，从而减少材料的温度升高，降低变形的风险。
其次，材料的热膨胀系数也是影响材料变形的重要因素。
热膨胀系数是材料受热时单位温度升高下的线膨胀率，它描述了材料在温度变化时的膨胀或收缩情况。
热膨胀系数越大的材料，在受热时会产生更大的线膨胀变形，从而增加材料变形的风险。
此外，激光加工过程中材料的形变还受到材料的力学性能的影响。
材料的弹性模量、屈服强度和断裂韧性等参数会影响材料在激光加工过程中的应力分布和应力集中状况，进而影响材料的变形情况。
在选择激光加工材料时，应尽量选择具有良好力学性能的材料，以减少变形的风险。
此外，激光加工过程中的工艺参数也会对材料变形产生影响。
激光功率、扫描速度、光斑直径等参数的选择会直接影响激光能量的输入和分布情况，进而影响材料的温度分布和热应力分布。
在激光加工中，应根据具体材料和零件的要求，合理选择和控制工艺参数，以减少材料的变形。
针对激光加工中材料变形的问题，我们可以采取一些解决方法来降低变形风险。
首先，可以通过优化工艺参数来控制激光加工过程中材料的温度分布和热应力分布，减少变形的发生。
强激光辐照充压圆柱壳体热力效应的相似性数值模拟(Ⅰ)
根据相似性原理 ， 以利用几何相似的模 Nhomakorabea来探索激 光 可
对 靶 材热 力耦 合 的 尺 度 规 律 。把 结 构 热 力 响 应 问 题 所 涉 及 的所 有 重 要 的输 入 和输 出参 量 连 同相 应 的 物 理 量 纲 列 出来 ， 然后应用 Ｂ ｃｉ ｈｍ Ｉ定理 …， ｕｋｎ ａ ｇ Ｉ 表征出一组完备的无量纲组 合 或 项 ， 以 直接 得￣ ４ 尺 度 模 型 和 大 尺 度 原 型 的 缩 比关 可 １， １ 系 Ｊ 过 进 一 步 的 分 析 ， ２ 。经 叮以 知道 热 传 导问 题 可 以孤 立 地 进 行 几 何 缩 比 模拟 ， 不 能 与力 学 效 应 同 时 进 行 几 何 缩 比 模 但 拟， 即热力耦合 问题不满 足初等几何 相似律 ｊ ２。因此 ， 理 从 论 上来 看 ， 于 激 光 辐 照 靶 材 的热 力 耦 合 问 题 十 分 复 杂 ， 对 通 过 某 个 小 尺 寸模 型 的结 果 来 推 广 大 尺 寸 原 型 的结 果 是 有 一 定 困难 的 。 同 时 ， 照 相 似 性 原 理 ， 何 相 似 缩 放 必 须 是 严 按 几 格 的 Ｊ儿 何 尺 寸 的 使用 必 须 服 从 相 似 律 的要 求 。而 在 实 验 ３， 中 ， 样 的要 求 往 往 是苛 刻甚 至 有 时 是 无 法 实 现 的 （ 如 ， 这 例 对 于激 光 辐 照 靶 材 的 壳 厚 不 能 缩 放 的 很 薄 ） 基 于 这 样 的 考 。 虑 ， 文从 实 验 研 究 的实 际 需 要 出 发 ， 立 了非 严 格 的 几 何 本 建 缩 比模型 ， 我们称之 为近几何缩 比模型 。针对工程 中所关 心 的激 光 功率 、 光斑 大 小 等 参 数 设 计 了几 种 不 同 的缩 比方 案 。 本 文 讨 论 的是 同一 加 载 条 件 下缩 比靶 模 型 的 相 似 性 规 律 ， 即 相 同辐 照 靶 面 功率 密 度 、 同 光 斑 大 小 的 加 载 条 件 ， 它 几 相 其 种 缩 比方 案将 在 另 文 中进 行 讨 论 ｌ 。 利 用 有 限 元 方 法 ， 每 ４ ｊ 对 种 缩 比方 案 下 的 不 同 缩 比率 模 型 进 行 了弹 性 范 围 内热 力 效 应 的数 值模 拟 。通 过 对 一 定数 量 计 算 结 果 的 积 累 和 分 析 ， 可 以探讨热力效应 的相似性 规律 ， 对实验模 型设计 、 光参 激 数 的选 取 及 效 应 研 究具 有 一 定 的 参 考 价值 。
强激光辐照下金融材料表面热力学效应
ｄ ） ２ 靠ｃ（ Ｒ。［ ’ ｃ 膏 ／ ， ） ｜ Ｋｒ＋１
＋ Ａ／ 一 膏 叫（ ￣ ４ ４ｔ ＡＫ Ｔ ， ／ 膏 ＋ １ ）
材 料 表 面 热 力学 效 应 遵 从 的 数 学 方 程 ， 以 Ｃ 并 ａ 为 例 ， 激 光辐 照 金 属板 材 的表 面 热力 学 效应 作 对
分 析
＋ （ｅ ３： Ｋ丁／ 《）］
（） ４
式 中 的 Ｋ 为玻 尔 兹 曼 常 量 ， 式 （ ） 入式 将 ４代
ｌ 格 林 乃 森 系数
设 晶体是 南 Ⅳ 个质量 为 的原 子 组成 ， 原子
收 稿 日 期 ：０ １８ １ ２ ０ ＿ ３
维普资讯
４期
酃 瑞 伦等 ．强激 光辐 照 下金 属 材 料 表 面 热 力 学 效 应
４１ ８
密切 相关 ．将 原子 振 动看 成三 维各 向 同性 的非 简 谐振 子 并 认 为它遵 从 量 子 力 学规 律 ， 用 定 态 微 利
摘 要 导 出格 林 乃森 参量 随温度 的变化规 律 以及 热压 强的表 示式 ， 立 了强激光 辐照 下奎 建 属材 料 表 面 附近 的温度 和 应 力所 满足 的数 学方程 ． Ｃ 以 ｕ例 ， 激 光辐 照 下 材料 表 面 的 热 力 对
学效应 作 以分析 ．
关键词Leabharlann 激 光辐 照 ； 林 乃森参 量 ； 格 金属 材料 ； 力 学效应 热
扰 法 ， 易 求 得 在 式 （ ） 示 的 相 互 作 用 势 作 用 下 很 ２所 的 能 量 本 征 值 为
Ｅ 【 ＝ ＋ ２ 。 叫 （ ＿ 膏 ） １ Ｅ ／ Ｅ ／ （ ５ ２
一
ＰＩ（ ， ）≈ （ Ｖ Ｔ ＮＫｓＲ。２ 。 ）（ 】 ／ ｓＶ １— ３ １ ｒ ，／
强激光辐照光学元件的光热效应探测系统开题报告
所在专业审查意见：
学科管理部副主任：
年月日
工作者不但测量了植物的新陈代谢情况，而且对人体的皮肤组织以及细菌等进行了光
热研究，或研究其结构，或研究其光化学反应的弛豫过程。这是目前的新发
展趋势之一。
自从70年代近代光声光热学的先驱者A. Rosencwaig等使光热效应广泛应用于物
理、化学及生物医学等方面的研究以来，光热效应的研究逐步引起许多学科门类学者
[2] F B artoi,l L Esterow itz, R A llen, et a.l A genera lized the rm
a lm ode l fo r laser dam age in infrared detectors[J]. J.
App.l Phys. , 1976, 47(10): 2875- 2881.
描电子显微镜和扫描光声显微镜的研究工作，为热波的光声检测技术在我国的应用开
辟了一条新的途径。随着光声技术应用的快速发展，光热检测技术作为一种无损检测
方法己有了应用的结果，在薄膜热物性检测方面，香港理工大学的王聪和以及浙江大学的施柏煊用横向光热偏转方法测试了一些薄膜样品的热扩散率，他们把所得结果与用闪光法得到的结果进行比较，发现两结果很接近，证明了这种方法的可行性。
在对固体材料热扩散深度的检测和垂直于表面裂纹的检测等也已有了检测实例，南京
大学声学研究所的张淑仪院士等也在1984年研究了光束偏转成像方法，在我们实验室
里，1985年起，曾在国家自然基金资助下进行了光热偏转技术应用于固体薄膜光热成
像的研究，并获得了金属铝表面下最深200微米处的缺陷的无损成像检测结果。
毕业设计开题报告
２．本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：
中国工程物理研究院研究生院-流体物理研究所-研究方向简介-901
研究利用电磁能量驱动或发射物体的原理及技术，如电磁轨道发射、电磁内爆技术等。
激光的热和力学效应
刘仓理 研究员、孙承纬 研究员、谷卓伟 研究员
研究强激光对于介质、材料和结构的热与力学效应及其在国防科技和国民经济中的应用。
核技术及应用
082703
李泽仁 研究员、冯华 研究员、罗阳 研究员、郑峻松 研究员、何清义 研究员、宫亮 研究员、朱礼国 研究员
主要围绕临床病理诊断的需要开展快速无创（微创）的特异性光谱学技术、高灵敏光电传感技术及其临床应用研究。
流体力学
077203
不定常流体力学
柏劲松 研究员、李庆忠 研究员
可压缩流体力学中波的产生、传播及相互规律，强冲击载荷下固体介质的不定常流动现象与规律，流体力学界面不稳定性及其数据解读，多介质流体力学数值模拟技术。
工程力学
080104
爆轰和爆炸动力学
赵锋 研究员、张旭 研究员、谷岩 研究员、陈军 研究员、汤铁钢 研究员、陈永涛 研究员、任国武 研究员
研究爆轰波引爆、传播和驱动以及相关的理论、实验和数值模拟工作, 极为注重对于炸药起爆机理、爆炸作用规律、爆炸装置的设计及其受外界撞击时的响应和安全性研究。
冲击动力学
光电子学
李剑锋 研究员、杨延强 研究员、阳庆国 副研究员
主要研究极强电磁波的产生方法、稠密体系的电磁结构、电磁兼容问题、瞬态现象以及强场中的光电效应；发展新型超快过程、强电磁脉冲检测技术；探索实现完全光电隔离信息处理系统的新方法，发展光电对抗技术；研究高速信息传输系统设计问题。
图像传输、接收和处理
刘军 研究员、贺红亮 研究员、祝文军 研究员、姬广富 研究员、陈黎亮 研究员
超快激光技术及其应用
超快激光技术及其应用超快激光是激光中的一种，是脉冲波在fs量级上的激光。
飞秒（fs）是极短的时间单位，即1015 s ,仅仅是1千万亿分之一秒，如果将10fs作为几何平均来衡量宇宙，其寿命仅不过1min而已。
在如此短的时间内产生的脉冲波，我们可以预料到一定有着许多有趣的性质，内为我们的科学实验带来许多帮助。
激光，顾名思义是“激发出来的光”，产生的物理基础是原子的受激辐射，这个过程是由爱因斯坦最早在1916年在理论上发现的。
受激辐射概念刚提出时没有收到应有的重视，虽然1924年就有一位德国的科学家在实验上简介地证实了受激辐射的存在。
但真正导致热门重新发掘受激辐射概念所隐含的巨大潜力是在二次世界大战之后，当人们企图将想干滇西波段从长波扩展到微波乃至光波是，发现只有借助于分子、原子这样的围观体系才能实现短波长的相干电磁波放大，爱因斯坦的受激辐射正是实现这种想干放大的物理机制。
要产生激光，需要解决两个矛盾。
首先是受激辐射与受激吸收的矛盾。
根据玻尔兹曼分布，热平衡的原子体系中总有低能级上的原子数多于高能级上的原子数，当光与体系发生相互作用时，由于吸收比受激发辐射显著，结果是将导致光信号的衰减。
因此，产生激光的一个基本条件就是要实现体系中粒子数的反转。
已处于粒子数反转的戒指叫做激活介质货增益介质，它具有对光信号的放大能力。
为使粒子数反转，需一外界能源以适当的方式对原子体系产生作用（泵浦），此能源被称为泵浦源。
产生激光所要解决的另外一个矛盾就是受激辐射与自发辐射的矛盾。
在原子体系中，这两种过程同时存在，相互竞争。
为产生激光，需使受激辐射处于优势地位。
为此，需选择合适结构的光腔（或足够长的激活介质），在轴线方向的自发辐射通过反复增益获得较高的光场能量密度，从而得以受激辐射为主的输出。
激光与普通光源又极大的不同，它具有高亮度、高方向性、高单色性和高相干性等特征。
在加工、存储、医疗、通信、雷达、科研、国防等领域有着极为广泛的应用。
激光辐照转动充压圆柱壳体热力学效应
点 的驻 留时间 不尽相 同 ， 而且在 此 时 间段 内激 光沿 运动 方 向的辐 照范 围会 超 出光 束沿 运动 方 向 的弦 长 ， 出的 超 多少 由 △ 的 大小决定 ， △ 越小 ， 出 的范 围越 小 ， 光热 流加载 也就 越符 合 实 际 物理 过 程 ， 就要 求 计 算 中的 超 激 这 时 间步长 越小 越好 ， 但这 样会 大 大增加 计 算量 ， 而大 大降低 计算 效率 ， 从 给数值 计 算带 来很 大 困难 。 为此 ， 本文 提 出了一 种利用 主时 间步 长 与 子 时 间步 长 相 结合 的双 时 间步 长法 ， 即计 算 中采 用 主 时 间 步 长
荷的 大小 与实 际物理 过程 有一 定偏 差 ， 这些 都直 接 影响 到数值 结果 的 可信 度 ， 于移 动载荷 。 响尤 为 显著 。 对 影
激 光辐 照转 动 圆柱壳 体侧 面 时 ， 体表 面上 一定 区域 内的点周 期性 地 出入 光束 辐 照范 围 ， 壳 在一 个较 小 的 时 间段 内， 辐照 区域 内各点 所受 到 的激光 辐 照量 是不 相 同的 。设 数值 计算 中的 时间 步长 为 △ ， ￡ 由于 △ 是数 值计 ｆ 算 中最 小 的时 间单位 ， 算过程 无 法处 理 △ 内热载 荷 的变 化 ， 计 ｆ 只能 将激 光热 载 荷 集 中加 载 在 光 束 沿 运 动方 向
摘 要 ： 采用有限元计算方法对 激光辐照下转动充压壳体的热力学 问题进 行了较为全面的数值 计算 ， 获 得 了激光 辐照 下转 动内压 圆柱壳 壁上的温升 、 应力 、 应变 、 位移分布等物理 图像 。 为进一步分 析转动 充压圆柱壳 体在 激光 辐照下的破坏 与失 效奠定了基础 。提 出的解决数 值计算 中移动热 流载荷 问题 的双时间步 长法 。 以 可 有效 提高计算 效率 ， 同时提高计算精度 。研 究结果表明 ： 于给定 的壳 体结构 ， 损伤 阈值时间 主要取 决于 靶 对 其 面激光强 度与壳体 旋转频率 ； 在辐照过 程中 ， 损伤最先 出现在最初受激光 辐照的区域 。 关键 词 ： 激光辐照 ； 热力耦合 ； 转 动壳 体 ； 屈服 比｝ 双时间步长法
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研究进展概述
含热解的热物性模型 材料本构与强度退化模型 含氧化的移动边界模型 界面分层与界面热阻的统一模型 流热固耦合的计算策略与方法
细观热物性模型
反应动力学方程：
b E B0b n exp( A ) t RT
脉冲激光诱导的爆炸与冲击效应
①
②
③
激光器系统 ① 与中科大合作研制激光器
实验环境与测量平台
— 光学平台，四轴运动器，试验靶箱
— 同步触发，脉宽测量，能量测量 — 速度测量，压力测量，图像采集
② 光谱物理Quanta-Ray PRO-350-10
③ IPG光纤激光器YLS-2000-CUT
脉冲激光诱导的爆炸与冲击效应
150
200
60 40 20
(11-1)[1-10] (11-1)[101] (11-1)[011]
60 40
Tau (MPa)
Tau (MPa)
20 0 -20 -40 0 50 100 Time (ns) 150 200
0 -20 -40 -60 0 50 100 Time (ns) 150 200
p
b：原始树脂相 p：热解焦炭相 g：热解气体相
b (1 b )(1 ) p
b p g 1
代表性单元方程：
Sb =g1/3
Sp =(1-g )1/3
m =
平均化方程：
f f mm
C C f f f Cm mm
p b
Pmax
Pmax =3.84GPa
surf surf umax umax 2 0 (C0 S ) Y0 P 2 2 3
脉冲激光诱导的爆炸与冲击效应
pmax
p
c f AJ c , S g AJ c , S c
计算剪应变增量
0 s (t )
( )tr T* ( )tr S 0
1 F e ( ) tr F e ( ) tr 1 2
e tr E ( ) S0
滑移系开动
( )tr >s (t ),
( )tr
1m
sign ( )tr
更新塑性变形梯度
更新弹性变形梯度，计算T*(τ)
Fe ( ) F( )F p ( )
,n 更新变量 T( ),s ( ) ; m
1
p F p ( ) 1 sign( ( )tr ) S 0 F (t )
报告提纲
一、引言 二、脉冲激光诱导的爆炸与冲击效应
三、连续激光对复合材料的辐照效应
四、激光应用中重要的力学问题
脉冲激光诱导的爆炸与冲击效应
背景：Blast simulator
─ 光学平台上的“激光爆炸” ─ 近场小V：形貌、流场 PVDF：瞬态冲击波压力 PDV：结构自由面质点速度 FBG、应变片：结构的变形
细观热物性模型
1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 0 200 400 5 K/min 25 K/min 60 K/min
2 0 -2
0.033K/s 0.1K/s 0.33K/s 1.0K/s 3.3K/s
CCF300/BA9916
孔隙率
(Wm K )
热传导系数
lg ka
T(C)
空中推进
水下推进
激光冲击强化
报告提纲
一、引言 二、脉冲激光诱导的爆炸与冲击效应
三、连续激光对复合材料的辐照效应
四、激光应用中重要的力学问题
不同环境下的热烧蚀/热解效应
空气环境中
t=0s
氮气环境中
t=2s
t=6s
2.55 MW/m2
6.37 MW/m2
10.2 MW/m2
12.7 MW/m2
两个重要机制：1、热解效应；2、热力耦合引起的脱层
─单色性：1013→通信、谱线宽度测量等 ─高相干性：无限的干涉程差→精密测量、制导等
热→力学效应
─ 金属介质：电子振动，辐射电磁波＋平动动能，与晶格相互作用 ─ 电介质：吸收很弱，缺陷吸收诱导破坏 ─ 半导体：光致电离、自由载流子吸收；电子与空穴复合产生热 ─ 等离子体：逆韧致辐射吸收、共振吸收等
Lp
1/2 3 1/2 0
max
Lmax
S g AJ c , S c , h S Y f AJ c , S c , h S S g AJ c , S c , h S
1/2 3 1/2 1/2 0 1/2 3 1/2 1/2 0
f f mm
b1
S p Sb 1 S p Sb (S p 2 Sb 2 ) m (1 S p 2 ) S p 2 m (1 S p 2 ) m
xx fh f mm
yy 1/ (
f m ) fz m
m b ( )1/2 / b1
T T0
m bb p p
Cm
含热解效应的能量方程：
c
hg T T (ii ) Qdeco (g g v) t xi xi t z
( g g v) t z
bbCb p pC p bb p p
600 800 1000
-1
-1
-4 -6 -8 -10 -12 -14 0
1.1
200
400
600
800
1000
T(C)
925
920
915
5 K/min 25 K/min 60 K/min
1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5
c(J/kgK)
910
905
900
0.033K/s 0.1K/s 0.33K/s 1.0K/s 3.3K/s
p p , n , T (t), F (t),s (t) T ( ), F ( ),s ( ) , m , n F(t ),F( ) , m 0 0
确定潜在激活滑移系
F e ( ) tr F( )F p (t),Ee ( )tr
2 3 3 1/2
1/2
c
能量沉积阶段(载荷)
surf Y f pmax / Y , p
Lp S 1/2
max
gp
/ Y , p
S S
1/2
1/2 E , h0 1/2 E , h0
S 1/2 S 1/2
1/2
惯性约束阶段（效应）
surf Y f AJ c 3 , S 1/2 c , h0 S 1/2
60 40
Tau (MPa)
(-111)[101] (-111)[110] (-111)[01-1]
20 0 -20
0 -20 -40 -60 0 50 100 Time (ns)
(1-11)[10-1] (1-11)[011] (1-11)[110]
-40
150 200
0
50
100 Time (ns)
2. 与靶体、约束层的运动变形耦合
压力、脉宽：随约束条件、靶体性能不同呈倍数变化 特征的确定：多介质、多场的耦合计算
脉冲激光诱导的爆炸与冲击效应
分析模型实验验证
半峰宽：25ns， 波长：1064nm 计算 plasma 3.44GPa; plasma 23.4ns 实验 plasma 3.54GPa; plasma 22.7ns
e tr T* ( ) Te ( )tr sign( ( )tr ) sym ( C ( ) S0 )
计算织构
脉冲激光诱导的爆炸与冲击效应
60 40 20
Tau (MPa)
(111)[1-10] (111)[10-1] (111)[01-1]
0.4
895
比热容
0 200 400
0.3 0
密度
200 400 600 800 1000
890
T(℃)
600
800
1000
1200
T(C)
含退化效应的力学性能
热-力学特性
E1 E f a1 f ， E2 Eb a 2 ， G12 a1 a 1 sl sa 1 sl nl , a 2 a 2 1 f f a exp b 2 1 21 E2
LSP，应变率106~107/s 出现奥氏体 马氏体相变
脉冲激光诱导的爆炸与冲击效应
LSP后表面微结构变化：产生位错及形变孪晶
TEM观察到在LSP冲击区域产生了大量的位错和非晶 A B
B A
SEM观察在LSP冲击区出现了大量的形变孪晶
脉冲激光诱导的爆炸与冲击效应
脉冲激光诱导的爆炸与冲击效应 ☞ 晶体塑性显式有限元计算方法
压力：～10GPa 脉宽 ：～10ns 高应变率 ：～106/s
Xianqian Wu, et, al, J. Appl. Phys. 2011,110(5):053112.
脉冲激光诱导的爆炸与冲击效应
冲击波的传播
普通结构材料中的传播
—质点速度、冲击波衰减、层裂
— 验证模拟爆炸冲击效应的能力 NiTi合金中的传播
压力特征？ 冲击波传播？ 相似律？
脉冲激光诱导的爆炸与冲击效应
压力的求解1
— Maxwell方程+含带电粒子Euler 方程+Saha方程+EOS