激光辐照效应

一 , 等离子体发展模型和膨胀模型

1）在脉冲激光微加工中主要等离子体模型有：

纳秒激光与物质相互作用中的单温模型

飞秒激光与物质相互作用中的双温模型和库伦爆炸模型

2）在研究激光辐照固体靶蒸汽等离子体形成时有动态烧蚀耗能模型和光线跟踪激光能量等离子体吸收模型。

3）其他的一些模型

三温与多温电子等离子体自由膨胀的理论模型。自相似解成功地再现了在激光等离子体自由膨胀中离子速度分布呈现的三峰和多峰结构,这些结构已在激光打靶的实验中频繁地观察到。

二，等离子体参数的测量的方法

等离子的体的基本参数有：电子温度，电子密度等。而这些参数都可以利用实验来测得。例如利用光谱测量的光谱展宽，然后利用origin拟合曲线再萨哈方程就能计算得到粒子的电子温度和电子密度了。

三，激光支持燃烧波（LSCW）和爆破波（LSDW）的产生与传播，LSCW和LSDW 的分类法，基本结构，区别与判断方法。LSCW向LSDW转化机制。

激光维持的燃烧波（LSC）和爆轰波（LSD）

较强的激光束辐照于靶面时，使得靶蒸汽或者靶面附近的环境气体发生电离以致击穿，形成一个激光吸收区。被吸收的激光能量转化为该区气体（或等离子体）的内能，与流动发生耦合，按照气体动力学的规律运动。等离子体的一部分能量将以辐射的形式耗散，被凝聚态靶或周围气体所吸收。这种吸收激光的气体或等离子体的传播运动通常称为激光吸收波。主要的激光吸收区最终总是在环境气体中形成。在极高光强下，真空环境中的把蒸汽也会产生激光吸收波。

对于LSC，前面运动的冲击波对激光是透明的，等离子体区域是激光的吸收区。以亚声速向前推进，依靠输运机制（热传导、热辐射和扩散）时期前方冷气体加热和电离，维持LSC及其前方冲击波的传播，波后是等离子体区，等离子体温度为1~3eV。

对于LSD，冲击波阵面就是激光吸收区，被吸收的激光能量直接支持冲击波前进，LSD波相对于波前介质超声速运动，等离子体温度为10eV到几十电子伏。此冲击波压缩前方的气体，使之升温电离、吸收激光，成为新的波阵面，上溯激光入射方向继续传播。这里冲击波依靠吸收激光能量而自持传播，是一种物理性质的爆破波。

聚焦光束产的LSD波作发散传播，当波阵面传离靶面稍远处，光强已不足以维持LSD波，等离子体熄灭，这时激光又可直接入射于靶面。

以Si 粒子为例，观测LSD 波的寿命。在周围气体中产生LSD ，Si 粒子的寿命延长到几千ns ，是在真空中寿命的33.2倍。激光能量被爆轰波吸收，对于靶面的压力也主要是有爆轰波产生的，由于产生了爆轰波，对等离子体形成了屏蔽，靶材料停止气化。

正常的LSD 波速：()[]3/1002/12ργI D J -=

其中γ为介质的等熵指数，0ρ为介质的密度，0I 为入射激光的强度（能量

密度）。

LSD 波阵面后等离子体的密度、压力和粒子速度：

()()()()()()[]

()⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧+-=+=+-=+=+=---3/103/1013/123/203/103/13/223/12001121/11

41//1I D u I D p J J J ργγγργγγγργργρ LSD 波的速度：

等离子体对靶面的压力为：

在空气中的压力是低真空中压力的35倍。

LSD 传播的二维理论：

靶面压力：

T p 是激光脉宽。

将上面的结果带入公式：

P 0为1个大气压。

既求得大气压下LSD 波的寿命。为1.9×104ns,在2.7Pa 时得LSD 波的寿命为430ns ，这两种情况下求得的爆轰波的寿命和在相同实验条件下Si 离子的寿命近似，可知，LSD 波的寿命和等离子体中Si 离子的寿命密切相关，LSD 波使在背景气体中烧蚀产生的等离子体中的碰撞增强，这种增强和LSD 波的长的寿命导

致了Si离子散射的增强和寿命的延长。

在LSC点燃阈值附近，这种增强热耦合的效果最显著，随着光强增大或者辐照时间增长，等离子体发生膨胀运动，其辐射谱也向长波移动，或者发生了LSC向LSD的转变。