切向氣流作用下激光對典型金屬靶的輻照效應(yīng)

焦路光，趙國民，江厚滿

(國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院，湖南長沙410073)

1 引言

研究強激光對金屬靶的輻照效應(yīng)不僅在工程上具有重要意義，在理論上也具有極大價值。目前，激光對金屬靶的加熱效應(yīng)已有廣泛的研究［1～5］，其物理本質(zhì)均為求解各種初邊值條件下的傅里葉熱傳導(dǎo)方程。當(dāng)激光強度較小時，靶不會發(fā)生熔化，激光對目標主要起加熱作用，此時只要給定激光加載條件、目標靶的幾何形狀以及靶對激光的吸收特性、靶的熱物理性質(zhì)等，即可求得靶目標溫度場的時空變化。當(dāng)激光強度較大時，靶表面可能發(fā)生熔化，由于實際環(huán)境中靶表面存在切向氣流，在氣流作用下熔化產(chǎn)物被移除，靶的質(zhì)量發(fā)生損失，此時必須考慮燒蝕效應(yīng)才能正確描述激光對金屬靶的輻照效應(yīng)［6，7］。因此，開展切向氣流作用下激光輻照金屬靶的機理研究具有重要意義，此項研究國內(nèi)尚未見有相關(guān)報道。

本文闡述了最近幾年國外公開發(fā)表的一些研究成果以及其中尚未解決的理論問題，揭示了亞音速切向氣流在激光輻照金屬靶過程中所起的作用，希望能為國內(nèi)相關(guān)研究工作的開展提供參考。

2 切向氣流作用下激光對典型金屬靶的輻照效應(yīng)

近幾年來，美國勞倫斯-利弗莫爾國家實驗室(LLNL)利用其研制的高功率脈沖固體熱容激光器對金屬靶的破壞機理做了大量的實驗研究，并開展了數(shù)值模擬工作［8～15］。其實驗結(jié)果表明，亞音速切向氣流產(chǎn)生的效應(yīng)主要包括以下幾個方面:降低靶面溫度;移除靶表面大部分熔化層;為金屬靶的氧化反應(yīng)提供充足的氧氣;空氣動力學(xué)效應(yīng)導(dǎo)致厚度較薄的目標靶在熔化溫度之前發(fā)生破裂。下面通過介紹LLNL的實驗對這些效應(yīng)進行詳細闡述。

2.1 燒蝕效應(yīng)

圖1為Boley等人使用固體熱容激光器輻照1020鋼靶時，在不同氣流條件下測量得到的靶后表面中心溫升曲線［10，13］，實驗參數(shù)為:激光波長λ=1 053 nm，單脈沖能量125 J，重頻率200 Hz，脈寬約0.5 ms，靶面上光斑尺寸3 cm×3 cm，能量均勻分布，靶尺寸5 cm×7.5 cm×1 cm，氣流速度約100 m/s。實驗結(jié)果表明，當(dāng)靶表面切向氣流為空氣時，鋼靶被熔穿，輻照后靶的形貌如圖2(b)所示;切向氣流為氮氣時，靶后表面中心在激光輻照結(jié)束時刻溫度約為1 000℃，靶并不會被熔穿。這種區(qū)別主要是由氧化作用造成的，當(dāng)氣流為空氣時，隨著熔化產(chǎn)物的移除，來流提供了充足的氧氣供鋼靶發(fā)生氧化反應(yīng)，反應(yīng)生熱加速了靶的溫升。此時，切向氣流的作用主要體現(xiàn)在移除熔化產(chǎn)物及提供氧化反應(yīng)所需的氧氣。而當(dāng)來流為氮氣時，靶不會發(fā)生氧化反應(yīng)，因此引起其溫升的能量僅來源于激光，溫升程度較小，靶不會被熔穿，此時切向氣流的作用主要為移除表面的熔化產(chǎn)物。當(dāng)靶表面不存在切向氣流時，溫升歷史與切向氣流為氮氣時的情形相近，但其溫升程度要稍大，這主要是由于切向強迫氣流作用下，靶表面對流換熱強度較大，即氣流還起到降溫的作用。圖2(a)為無切向氣流作用時，激光輻照后鋼靶表面形貌圖，可見靶并沒有被熔穿，由于重力場作用，熔化產(chǎn)物發(fā)生定向流動，這同圖2(b)的形貌截然不同。

圖1 1020鋼靶表面無強迫氣流及表面存在強迫氣流時靶后表面中心溫升曲線Fig.1 Thermocouple readings for 1020 steel targets

圖2 激光輻照后鋼靶表面形貌圖Fig.2 Steel targets after irradiation experiments

以上分析表明，在實際環(huán)境中，氣流所起的作用主要包含以下兩個方面:首先，氣流移除熔化產(chǎn)物，從而增大燒蝕速率;其次，氣流提供了充足的氧氣供靶發(fā)生氧化反應(yīng)，反應(yīng)生熱有利于靶的升溫，從而可增大燒蝕速率。

2.2 熱力聯(lián)合效應(yīng)

圖3為Boley等人使用固體熱容激光器輻照6061鋁合金靶時，激光輻照結(jié)束后靶的形貌圖［14，15］。實驗參數(shù)為:激光波長 λ =1 053 nm，單脈沖能量 125 J，重頻率 200 Hz，脈寬0.5 ms，光斑能量均勻分布。圖3(a)中光斑尺寸為12 cm×12 cm，激光輻照時間為4 s，表面無切向氣流。圖3(b)中光斑尺寸為13 cm×13 cm，激光輻照時間為4 s，表面存在切向氣流，氣流速度約為100 m/s，兩種情形下靶的厚度均為0.18 cm。由圖3(a)可以看出，在激光作用后，靶表面出現(xiàn)熱導(dǎo)致的裂紋及熔化痕跡，但靶并沒有被熔穿。當(dāng)光斑擴大到13 cm×13 cm時，靶面上的平均功率密度從0.174 kW/cm2降低至0.148 kW/cm2，在光斑輻照區(qū)域，靶發(fā)生了大面積的穿孔。與圖3(a)相比，圖3(b)中的激光功率密度更低，且靶表面存在切向氣流。氣流會起降溫作用，如果僅考慮熱效應(yīng)，那么勢必得到一個推論，與圖3(a)相比，圖3(b)中靶表面的熔化及裂紋效應(yīng)將得到削弱，但事實并非如此。因此應(yīng)該考慮兩者之間較大的區(qū)別在于氣流環(huán)境不同(圖3(a)中靶表面不存在切向氣流，而圖3(b)靶表面存在切向氣流)，因此造成圖3(b)中現(xiàn)象的來源必然是切向氣流與激光共同作用于靶時產(chǎn)生的熱力效應(yīng)。

圖3 激光輻照4 s后鋁合金靶形貌圖Fig.3 Two targets irradiated for 4 s

圖4 為激光輻照過程中鋁合金靶的破裂過程(對應(yīng)于圖3(b)情形)。第1幀為激光輻照1.67 s時靶的形貌，光斑輻照區(qū)域靶發(fā)生了大面積的凸起。在此之前，靶的溫度逐漸升高，其力學(xué)性能不斷下降，而切向氣流會降低靶面處的壓力，從而在靶的前后產(chǎn)生壓差，使靶產(chǎn)生較大面積的變形，當(dāng)形變增大到一定程度后，靶表面的凸起即會改變切向氣流的狀態(tài)。這從第1幀圖像的穿孔位置即可看出，穿孔并沒有發(fā)生在光斑中心，而是在氣流的下游位置，這可能是由于靶的形變導(dǎo)致氣流在該處形成旋渦，增大了局部壓力，從而形成較大的剪切作用，導(dǎo)致穿孔的出現(xiàn)。隨著激光的繼續(xù)輻照，靶的形變將會繼續(xù)增大，在剪切力的作用下，靶表面形成了兩個較大的穿孔(第2幀及第3幀圖像)，最終合并為一個更大的穿孔(第4幀及第5幀圖像)。由后面3幀圖像可以看出，氣流移除的靶材均為宏觀的碎片，靶并沒有發(fā)生熔化現(xiàn)象。因此，當(dāng)鋁合金靶較薄時，切向氣流導(dǎo)致的力學(xué)效應(yīng)可以造成靶的整體破裂，而并不需要將靶熔化，這相當(dāng)于降低了對靶面處激光功率的要求。

圖4 鋁合金靶破裂過程Fig.4 Successive stages in burn-through of an aluminum targetThe wind is from the left.The time of the first frame is 1.67 s after the beam was turned on.The time between the two frames is about 160 ms

3 尚未解決的問題

上節(jié)通過介紹最近幾年來LLNL所做的工作，論述了亞音速切向氣流在激光輻照金屬靶中可能產(chǎn)生的效應(yīng)。同時，建立相關(guān)的物理模型描述實驗效應(yīng)，并能將理論模型應(yīng)用于預(yù)測實際工程問題，也是至關(guān)重要的課題。目前，描述激光對金屬靶輻照效應(yīng)的物理數(shù)學(xué)模型已有很多，很大一部分來源于激光加工的實際需求［16～22］。當(dāng)靶表面存在切向氣流時，在物理模型中就需要考慮氣流效應(yīng)。在目標靶較厚情形下，氣流效應(yīng)主要包括移除熔化產(chǎn)物及促進氧化反應(yīng)，其中較為復(fù)雜的是如何考慮氧化反應(yīng)。對于不同的金屬，氧化反應(yīng)規(guī)律相差較大，在建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型時，必須考慮氧化反應(yīng)產(chǎn)生的效應(yīng)。因此，首先需要針對不同的金屬材料，定量描述氧化反應(yīng)速率，氧化層的厚度及氧化反應(yīng)放熱的強度與激光參數(shù)、氣流參數(shù)之間的關(guān)系。進行這類研究必須依靠精密的實驗手段，而目前還未發(fā)現(xiàn)對此有系統(tǒng)的研究報告。LLNL在其理論模型中只是在激光加載邊界上人為地增加熱流密度值，以此模擬氧化反應(yīng)所產(chǎn)生的熱量，并沒有揭示其物理實質(zhì)，因此有必要對此進行細致的研究。

針對切向氣流與激光聯(lián)合作用下熱力效應(yīng)導(dǎo)致的靶的破壞，在LLNL實驗之前還未有相關(guān)研究報道，據(jù)此LLNL認為這種效應(yīng)是一種新的破壞效應(yīng)［15］。但目前LLNL對其機理研究還不夠深入，缺乏統(tǒng)一的數(shù)理模型，而且其相關(guān)報道僅僅描述了特定條件下靶的破壞過程，對光斑大小、靶厚度、靶材料發(fā)生變化及氣流速度發(fā)生變化時的實驗現(xiàn)象如何并不清楚。要揭示其內(nèi)在規(guī)律，還須進行系統(tǒng)的實驗研究，確定熱力破壞效應(yīng)與光斑尺寸、靶厚度、氣流速度等各種參數(shù)之間的定量關(guān)系，確定何種條件下力學(xué)效應(yīng)占主導(dǎo)作用，何種條件下力學(xué)效應(yīng)可以忽略等基本規(guī)律，以此為基礎(chǔ)才能進行更為一般的理論研究。進行理論研究的關(guān)鍵是要建立統(tǒng)一的數(shù)理模型描述激光、靶目標、流場三者的相互關(guān)聯(lián)。由上文分析可知，流場在目標靶的熱力破壞效應(yīng)中起著關(guān)鍵作用。以往的研究成果已對熱力效應(yīng)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的破壞進行過大量研究，其物理本質(zhì)為求解熱彈塑性動力學(xué)問題。而當(dāng)靶表面存在切向氣流時，靶前后存在壓力差，靶面變形后氣流狀態(tài)將發(fā)生變化，變化后的氣流對靶的作用也隨之改變。因此，在數(shù)值模擬中還須考慮流場與靶目標的耦合。綜合而言，在理論模型中需要同時考慮熱彈塑性動力學(xué)效應(yīng)及流固耦合效應(yīng)，如何將這兩個高度非線性的問題進行耦合求解，目前尚未發(fā)現(xiàn)研究報道，研究思路還不清晰。

4 結(jié)論

本文通過介紹最近幾年LLNL公開發(fā)表的一些研究成果，重點闡述了亞音速切向氣流在激光破壞典型金屬靶中所起的作用，分析了目前研究中存在的不足以及尚未解決的基礎(chǔ)理論問題。文章指出在今后的研究過程中，還需要針對不同的氣流速度、不同類型的金屬開展激光輻照效應(yīng)的實驗研究，以便在足夠多的實驗數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上形成更為清晰的規(guī)律性認識并建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型描述物理現(xiàn)象，以此預(yù)測不同環(huán)境下各種目標靶被破壞所需的激光閾值。

［1］BRUGGER K.Exact solutions for the temperature rise in a laser-heated slab［J］.J.Appl.Phys.，1972，43(2)：577-583.

［2］SPARKS M.Theory of laser heating of solid：metals［J］.J.Appl.Phys.，1976，47(3)：837-849.

［3］WARREN R E，SPARKS M.Laser heating of a slab having temperature-dependent surface absorptance［J］.J.Appl.Phys.，1979，50(12)：7952-7957.

［4］LOZE M K，WRIGHT C D.Temperature distributions in semi-infinite and finite-thickness media as a result of absorption of laser light［J］.Appl.Opt.，1997，36(2)：494-507.

［5］LOZE M K，WRIGHT C D.Temperature distributions in laser-heated semi-infinite and finite-thickness media with convective surface losses［J］.Appl.Opt.，1998，37(28)：6822-6832.

［6］CRANE K C A，GARNSWORTHY R K，MATHIAS L E S.Ablation of materials subjected to laser radiation and high-speed gas flows［J］.J.Appl.Phys.，1980，51(11)：5954-5961.

［7］JOHNSON R L，O'KEEFE J D.Laser burn-through time reduction due to tangential airflow-an interpolation formula［J］.AIAA J.，1973，12(8)：1106-1109.

［8］BOLEY C D，RUBENCHIK A M.Modeling of material removal by solid state heat capacity lasers［R］.UCRL-JC-146480，April 2002.

［9］BOLEY C D，RUBENCHIK A M.Modeling of high-energy pulsed laser interactions with coupons［R］.UCRL-ID-151857，F(xiàn)ebruary 2003.

［10］BOLEY C D，F(xiàn)OCHS S N，RUBENCHIK A M.Lethality effects of a high-power solid-state laser［R］.UCRL-CONF-229010，March 2007.

［11］YAMAMOTO R，PARKER J，BOLEY C，et al..Laser-material interaction studies utilizing the solid-state heat capacity laser［R］.UCRL-CONF-230816，May 2007.

［12］BOLEY C D，RUBENCHIK A M.Modeling of laser-induced metal combustion［R］.UCRL-CONF-401854，F(xiàn)ebruary 2008.

［13］BOLEY C D，F(xiàn)OCHS S N，RUBENCHIK A M.Large-spot material interactions with a high-power solid-state laser beam［R］.UCRL-JRNL-406723，August 2008.

［14］BOLEY C D，CUTTER K P，F(xiàn)OCHS S N，et al..Study of laser interaction with thin targets［R］.LLNL-PROC-411215，March 2009.

［15］BOLEY C D，CUTTER K P，F(xiàn)OCHS S N，et al..Interaction of a high-power laser beam with metal sheets［J］.J.Appl.Phys.，2010，107：0431061-0431065.

［16］CHAN C L，MAZUMDER J.One-dimensional steady-state model for damage by vaporization and liquid expulsion due to laser-material interaction［J］.J.Appl.Phys.，1987，62(11)：4579-4586.

［17］CHAN C L，MAZUMDER J，CHEN M M.Effect of surface tension gradient driven convection in a laser melt pool：threedimensional perturbation model［J］.J.Appl.Phys.，1988，64(11)：6166-6174.

［18］FAROOQ K，KAR A.Removal of laser-melted material with an assist gas［J］.J.Appl.Phys.，1998，83(12)：7467-7473.

［19］TOKAREV V N，KAPLAN A F H.An analytical modeling of time dependent pulsed laser melting［J］.J.Appl.Phys.，1999，86(5)：2836-2846.

［20］TOSTO S.Modeling and computer simulation of pulsed-laser-induced ablation［J］.Appl.Phys.A，1999，68：439-443.

［21］SOLANA P，KAPADIA P，DOWDEN J，et al..Time dependent ablation and liquid ejection processes during the laser drilling of metals［J］.Opt.Communications，2001，191：97-112.

［22］ABDERRAZAK K，KRIAA W，SALEM W B，et al..Numerical and experimental studies of molten pool formation during an interaction of a pulse laser(Nd：YAG)with a magnesium alloy［J］.Opt.＆Laser Technol.，2009，41：470-480.