纳秒激光驱动波动特性及应用的论文的研究

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1、国内图书分类号：O472.3学校代码：10213国际图书分类号：535密级：公开理学博士学位论文纳秒激光驱动波动的特性及应用研究博士研究生：宋云飞导师：杨延强教授申请学位：理学博士学科：光学所在单位：物理系答辩日期：2012年4月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:O472.3SchoolCode:10213U.D.C:535SecrecyGrade:OpenDissertationfortheDoctoralDegreeinScienceTHECHARACTERISTICSANDAPPLICATIONOFTHEOPT

2、ODYNAMICWAVEDRIVENBYNANOSECONDLASERCandidate：SongYunfeiSupervisor：Prof.YangYanqiangAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofScienceSpeciality：OpticsAffiliation：DepartmentofPhysicsDateofDefence：April,2012Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要当激光脉冲照射在材料表面上时，激光的

3、能量在极短的时间内沉积在材料表面附近。根据入射的功率密度和材料本身的性质，材料表面会出现加热、熔化、气化或电离等现象。伴随这些现象的是由某种机理驱动产生、并以被照射区域为振源的波动。在过去几十年中，对激光驱动波动现象的研究和应用从几个相关、但不相同的领域中发展起来，这些领域包括高能密度物理、激光超声检测技术、强动高压加载技术、冲击诱导化学反应等。目前，虽然激光驱动波动技术在某些方面已经有实际应用，然而关于波动本身以及这些技术的特点，特别是激光驱动冲击波的研究尚有许多不足之处，并且缺乏简单有效的探测手段，这使得许多工作偏重于对冲击高压的应用，而

4、对冲击现象起源的研究则缺少足够的实验支持。在本论文的工作中，激光驱动波动现象将作为一个整体的方向来研究，具体工作包括分析不同入射功率密度下，激光与材料相互作用及波动产生的机制；研究不同类型波动（激光驱动超声波和激光驱动冲击波）的产生和探测技术；并对激光超声技术和激光冲击技术的可能应用做初步的探讨。本文所关注的重点是纳秒激光脉冲所驱动的各种类型波动。首先，激光超声检测技术因具有远距离、非接触的独特优点而受到广泛重视。目前国内虽有一些单位从事相关研究，但利用激光超声技术非接触的特点进行极端条件下物性检测的工作则非常稀少。因此，实验中我们搭建了纳秒

5、激光超声的产生和探测系统，该系统可以在体材料中激发热弹性波或烧蚀波。利用该实验系统得到了高温变温条件下，蓝宝石单晶的弹性模量和温度之间的关系。这一工作将有助于评估蓝宝石器件在高温下工作的可靠性。当入射到材料上的功率密度足够大时，激光所驱动的弹性声波会在极短的时间内演化为冲击波，其标志是波前处陡峭的冲击前沿。目前，可以对激光冲击现象进行研究的手段较少，并且技术比较复杂。为了研究纳秒激光驱动的冲击波的特性，我们设计了以时间分辨拉曼光谱技术为基础的激光冲击实验系统及相应的标靶结构，并提出了通过对光谱线形进行拟合以获得冲击波参数的分析方法。该技术原理

6、简单，实验上容易实现，可以在纳秒的时间尺度上研究激光冲击波的特性。利用该实验系统，我们得到了冲击波前的上升时间，同时也测出了冲击压力的大小以及冲击波的传播速度等特征参量。驱动冲击波产生的直接动力是激光等离子体的快速膨胀，因此冲击波的-I-哈尔滨工业大学理学博士学位论文特征和等离子体的状态有直接的关系。为了加深对激光冲击现象的了解，我们设计了研究激光等离子体状态的实验方案：利用拉曼光谱技术测量等离子体的压力，同时利用时间分辨光谱测温技术测量等离子体的电子温度。通过改变入射激光的功率密度、以及电子温度随时间的变化趋势，发现电子的密2度随着激光功率

7、密度的提高而快速增长；结果还表明，由GW/cm量级的激213光脉冲激发等离子体即可以使电子密度达到10/cm，说明约束结构能够显著的提高等离子体的电子密度；而约束结构使冲击压力提高也赖于电子密度的增加。这一技术可以作为密集等离子体的一种诊断方法。作为激光冲击技术的可能应用之一，我们利用激光驱动冲击波模拟材料在受到剧烈撞击时所承受的动高压加载。传统的高速撞击实验耗能高、准备周期长，而利用激光冲击模拟材料受到撞击时的力学效应，同样可以研究材料在动高压加载下的损伤情况。我们以K9玻璃为样品，根据材料表面所承受的压力以及表面的损伤形貌，推测出了材料表

8、面所受到的压力作用方式，并进一步得出了材料在动高压加载情况下损伤阈值。由于人造卫星等航天器在太空中经常遭遇相对速度高达每秒几十公里的剧烈撞击，因此这一研究方法将为评