激光誘導(dǎo)等離子體的氣體動(dòng)力學(xué)和燃燒波擴(kuò)展速度研究?

蔡繼興 郭明 渠旭 李賀 金光勇?

1)(長(zhǎng)春理工大學(xué)理學(xué)院,吉林省固體激光技術(shù)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長(zhǎng)春 130022)2)(長(zhǎng)春理工大學(xué)光電信息學(xué)院,光電科學(xué)分院,長(zhǎng)春 130012)

激光誘導(dǎo)等離子體的氣體動(dòng)力學(xué)和燃燒波擴(kuò)展速度研究?

蔡繼興1)郭明2)渠旭1)李賀1)金光勇1)?

1)(長(zhǎng)春理工大學(xué)理學(xué)院,吉林省固體激光技術(shù)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長(zhǎng)春 130022)2)(長(zhǎng)春理工大學(xué)光電信息學(xué)院,光電科學(xué)分院,長(zhǎng)春 130012)

(2016年12月22日收到;2017年1月6日收到修改稿)

針對(duì)激光對(duì)熔石英材料產(chǎn)生致燃損傷過程中存在的激光支持燃燒波,考慮激光作用的溫度殘余、目標(biāo)形貌的改變、噴濺物質(zhì)分布、目標(biāo)表面氣流狀況的分布等效應(yīng),分階段對(duì)激光支持燃燒波的過程進(jìn)行建模和仿真研究.通過建立二維軸對(duì)稱氣體動(dòng)力學(xué)模型,模擬研究包含逆韌致輻射、熱輻射、熱傳導(dǎo)和對(duì)流過程在內(nèi)的激光能量傳輸過程.此外,依據(jù)激光支持燃燒波在可見光波段具有明顯的輻射特征這一特點(diǎn),利用陰影法測(cè)量了激光對(duì)熔石英致燃損傷過程中的燃燒波擴(kuò)展速度,得到了燃燒波演化過程圖像.研究結(jié)果表明:在平行激光束作用下,燃燒波的傳播是穩(wěn)態(tài)的,氣體動(dòng)力學(xué)行為比較穩(wěn)定;在聚焦激光束作用下,燃燒波的傳播是非穩(wěn)態(tài)的.模擬結(jié)果中得到的激光支持燃燒波擴(kuò)展速度及氣體動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論推導(dǎo)結(jié)果符合得很好,驗(yàn)證了理論模型的正確性.

激光支持燃燒波,數(shù)值模擬,陰影法,擴(kuò)展速度

1 引 言

熔石英材料既是激光系統(tǒng)中不可缺少的基本元件,也是所有元件中最薄弱的環(huán)節(jié)之一［1].尤其在強(qiáng)激光系統(tǒng)中,它的性能直接影響到激光器的輸出性能,即使出現(xiàn)很小的瑕疵,也會(huì)導(dǎo)致激光輸出光束質(zhì)量的下降,嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引起整個(gè)激光系統(tǒng)的癱瘓［2?5].所以,研究激光與熔石英材料的損傷過程并對(duì)其損傷機(jī)理進(jìn)行分析具有十分重要的價(jià)值［6,7].當(dāng)激光與熔石英材料相互作用時(shí),目標(biāo)吸收激光能量導(dǎo)致自身溫度升高進(jìn)而發(fā)生熔融和氣化,目標(biāo)氣化形成的蒸氣進(jìn)一步吸收激光能量并產(chǎn)生低密度離化反應(yīng),因而出現(xiàn)激光支持燃燒波的現(xiàn)象［8?16].本文根據(jù)激光致熔石英產(chǎn)生溫升和熔融過程、目標(biāo)氣化和部分離化過程,采用多物理場(chǎng)耦合的手段,分階段對(duì)激光支持燃燒波的過程進(jìn)行建模和仿真研究.與此同時(shí),考慮到激光支持燃燒波在可見光波段具有較強(qiáng)的輻射特征,明顯區(qū)別于激光導(dǎo)致目標(biāo)熔融、氣化現(xiàn)象,很容易被高速相機(jī)所接收和顯示,實(shí)驗(yàn)研究了毫秒脈沖激光作用下熔石英的燃燒波擴(kuò)展速度,并使用高速相機(jī)接收?qǐng)D像,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真模擬結(jié)果符合得較好.

2 物理模型

激光支持燃燒波在空氣中的傳播過程示意圖如圖1所示,初始的等離子體在目標(biāo)表面附近產(chǎn)生,然后等離子體區(qū)域在激光輻照作用下逆著光束方向向光源傳播,光源波長(zhǎng)為1.064μm.

我們假設(shè):1)氣流是低音速且層流的;2)激光支持燃燒波中的低溫等離子體是局部熱平衡的,等離子體只使用一個(gè)溫度來描述,它的熱力學(xué)和光學(xué)性質(zhì)僅是溫度和壓強(qiáng)的函數(shù);3)所有過程是軸對(duì)稱的.計(jì)算中所使用的熔石英材料具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所列.

圖1 (網(wǎng)刊彩色)激光支持燃燒波傳播示意圖Fig.1.(color online)Schematic diagram of the laser supported combustion wave.

表1 熔石英結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1.Structural parameters of fused silica.

建立二維軸對(duì)稱模型,模型中考慮了激光維持等離子體過程中所有重要的物理過程(逆韌致輻射、熱輻射、熱傳導(dǎo)和對(duì)流),數(shù)值模擬所用到的激光參數(shù)見表2.

表2 平行光束參數(shù)Table 2.Parallel beam parameters.

我們通過求解下列方程來得到激光支持燃燒波的熱力學(xué)和氣體動(dòng)力學(xué)行為:

連續(xù)性方程

可壓縮Navier-Stokes方程

能量守恒方程,主要由對(duì)流、熱傳導(dǎo)、激光輻射吸收和選擇性熱輻射傳輸過程決定,

多組擴(kuò)散近似的熱輻射傳輸方程

這里,V(Vr=v,Vz=u)是氣流速度,下標(biāo)r和z分別代表徑向分量和軸向分量;t是時(shí)間;ρ0是初始時(shí)刻的密度;T是溫度;p是實(shí)際壓強(qiáng)相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓p0=105Pa的偏差;代表對(duì)V的轉(zhuǎn)置運(yùn)算;g(gr=0,gz=?g)是重力加速度;參數(shù)ρ,Cp,η和λ分別是密度、比熱容、黏性系數(shù)和熱導(dǎo)率.

QL是激光輻射作為等離子體內(nèi)熱源的功率密度,

式中,J是激光束的強(qiáng)度;PL和RL分別是激光功率和光束半徑;μ為等離子體對(duì)激光能量的逆韌致輻射吸收系數(shù),

其中,χe=pe/p是平衡電子密度,可由Saha方程得到,pe是電子壓強(qiáng).

輻射傳輸作為系統(tǒng)熱源的功率密度為

其中,χm,Um和Ueq,m分別表示第m組輻射的體吸收系數(shù)、介質(zhì)熱輻射能量密度和理想黑體輻射密度;c代表光速;Nm為多組擴(kuò)散近似中熱輻射的組數(shù)［17,18].

表4 主要物理參數(shù)Table 4.The main physical parameters.

激光誘導(dǎo)等離子體的能量傳輸過程研究主要考慮以下4個(gè)參量:

其中,QL和QR在前面已經(jīng)討論過,QCD和QCV分別代表熱傳導(dǎo)和對(duì)流過程引起的空間能量密度變化率,當(dāng)其為正值時(shí)意味著空間能量密度的增加,反之亦然.

使用Comsol Multiphysics軟件對(duì)激光支持燃燒波在空氣中的傳播過程進(jìn)行模擬,計(jì)算區(qū)域是一個(gè)矩形,軸向長(zhǎng)度Z=150 mm,徑向長(zhǎng)度R=100 mm,計(jì)算中所涉及的主要物理參數(shù)隨溫度T變化的表達(dá)式列于表4中.

我們假設(shè)激光支持燃燒波位于一個(gè)靠近目標(biāo)表面的自由空間中,目標(biāo)是無(wú)滑動(dòng)、熱絕緣且熱輻射平衡的.沿著下邊界(z=0,0＜r＜R),我們?cè)O(shè)置

其中m=1,2,...,N.沿著圓柱的外曲面邊界(0＜z＜Z,r=R),我們?cè)O(shè)置

沿著上邊界(z=Z,0＜r＜R),我們?cè)O(shè)置

在對(duì)稱軸Z上(0＜z＜Z,r=0),我們?cè)O(shè)置

3 實(shí)驗(yàn)原理

為了分析激光產(chǎn)生燃燒波的規(guī)律,需要獲得燃燒波流場(chǎng)演化圖像,因此借助高時(shí)間分辨的光學(xué)陰影法實(shí)現(xiàn)對(duì)激光支持燃燒波流場(chǎng)演化過程的監(jiān)測(cè).利用DG645數(shù)字延遲發(fā)生器調(diào)整高速相機(jī)與激光系統(tǒng)的時(shí)間延時(shí),由高速相機(jī)接收?qǐng)D像,通過分析不同時(shí)間序列條件下的光學(xué)陰影圖像,可獲得激光產(chǎn)生燃燒波的膨脹傳播過程,從而得到激光支持燃燒波的產(chǎn)生時(shí)間和持續(xù)時(shí)間.通過測(cè)量不同延時(shí)條件下激光支持燃燒波的波面距目標(biāo)表面的空間位置,進(jìn)而計(jì)算出激光支持燃燒波的擴(kuò)展速度.

其中,Ln+1和Ln為不同延時(shí)條件下燃燒波波面距目標(biāo)表面的距離,τ為兩個(gè)波面的時(shí)間差.

圖2 (網(wǎng)刊彩色)燃燒波擴(kuò)展速度測(cè)量原理圖Fig.2.(color online)Measuring schematic of the combustion wave expanding velocity.

圖2所示為激光支持燃燒波擴(kuò)展速度的實(shí)驗(yàn)測(cè)量原理圖,主要包含激光系統(tǒng)、同步系統(tǒng)、參考激光系統(tǒng)和探測(cè)系統(tǒng)四部分.激光系統(tǒng)由Nd:YAG激光器(波長(zhǎng)為1.064μm、脈寬為1—3 ms、能量輸出范圍為20—100 J)和聚焦透鏡1(焦距300 mm)組成.同步系統(tǒng)為DG645數(shù)字延時(shí)發(fā)生器.參考激光系統(tǒng)包括532 nm激光器和25倍擴(kuò)束鏡.探測(cè)系統(tǒng)包括高速相機(jī)、聚焦透鏡2(焦距50 mm)和衰減片(532 nm帶通濾光片).使用V641型高速相機(jī)(幀頻為6800幀,即147μs/幀)接收?qǐng)D像.

4 結(jié)果與討論

在平行激光束作用下,計(jì)算所用的激光功率為1×105W,光束半徑為0.4 mm,平均功率密度近似為2×107W/cm2.圖3和圖4分別給出了1 ms和3 ms兩個(gè)時(shí)刻燃燒波的溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果,即激光支持燃燒波前部10000 K的等溫線為傳播的波前,我們計(jì)算出激光支持燃燒波的平均擴(kuò)展速度約為24 m/s,這和Klosterman和Byron［19]的實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果是一致的,驗(yàn)證了本文理論模型的正確性.

圖3 (網(wǎng)刊彩色)1 ms時(shí)刻激光支持燃燒波的溫度分布Fig.3.(color online)Temperature distribution of the laser supported combustion wave at 1 ms.

圖4 (網(wǎng)刊彩色)3 ms時(shí)刻激光支持燃燒波的溫度分布Fig.4.(color online)Temperature distribution of the laser supported combustion wave at 3 ms.

圖5和圖6所示為激光支持燃燒波傳播過程中3 ms時(shí)刻的速度場(chǎng),其中圖5為流體速度幅值的空間分布.Guskov等［20]由理論推導(dǎo)得出激光支持燃燒波的擴(kuò)展速度與波前后方的熱氣流的流動(dòng)速度的關(guān)系為vh/ω =(3ρh/8ρq)1/2≈6.5,其中,vh和ω分別為波前后方的流動(dòng)速度和激光支持燃燒波的擴(kuò)展速度;ρh和ρq分別是波前后方的高溫氣體密度和前方的冷空氣密度.圖6給出了3 ms時(shí)刻激光支持燃燒波速度分布的矢量圖和流線圖(其中實(shí)線部分代表流體速度矢量,虛線部分代表流線),從流場(chǎng)矢量圖可以得到激光支持燃燒波波前附近的流場(chǎng)速度平均值約為200 m/s,所以計(jì)算結(jié)果中流場(chǎng)速度和激光支持燃燒波的擴(kuò)展速度之間的數(shù)值關(guān)系與理論推導(dǎo)結(jié)果也是基本符合的.

圖5 (網(wǎng)刊彩色)3 ms時(shí)刻激光支持燃燒波的流體速度場(chǎng)幅值分布Fig.5.(color online)Fluid velocity amplitude distribution of the laser supported combustion wave at 3 ms.

圖6 (網(wǎng)刊彩色)3 ms時(shí)刻激光支持燃燒波的流體速度矢量和流線Fig.6.(color online)Fluid velocity vector and streamline of the laser supported combustion wave at 3 ms.

從圖6的流線圖可以看出激光支持燃燒波前方的冷空氣被波前排開,僅有部分冷空氣進(jìn)入等離子體區(qū)域,其他的繞過等離子體核.Guskov等［20]發(fā)現(xiàn)外部氣流在等離子體區(qū)域的前端遇到阻礙,并出現(xiàn)分流的現(xiàn)象,其觀測(cè)到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和我們的計(jì)算結(jié)果是一致的.

在聚焦激光束作用下,激光功率為1.8×105W.圖7和圖8所示分別為1 ms和1.8 ms時(shí)刻燃燒波的溫度場(chǎng)分布.燃燒波在聚焦激光束作用下傳播的過程中,等離子體前端的激光光強(qiáng)逐漸降低,光束半徑逐漸變大.激光參數(shù)的這種變化對(duì)燃燒波動(dòng)力學(xué)行為的影響表現(xiàn)為:傳播速度逐漸減慢、燃燒波前端等離子體區(qū)域的寬度逐漸增加、等離子體的溫度逐漸降低、等離子體的長(zhǎng)度逐漸減小.在平行激光束作用下燃燒波的傳播是穩(wěn)態(tài)的,氣體動(dòng)力學(xué)行為比較穩(wěn)定.而在聚焦激光束作用下,燃燒波的傳播是非穩(wěn)態(tài)的.對(duì)比圖7和圖8可以發(fā)現(xiàn)燃燒波的氣體動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)生了很大變化,圖8中燃燒波中出現(xiàn)了類似于“蘑菇云”的形態(tài),并出現(xiàn)湍流現(xiàn)象.

圖7 (網(wǎng)刊彩色)聚焦激光束作用下1 ms時(shí)刻燃燒波的溫度分布Fig.7.(color online)Temperature distribution under the action of focused laser beam at 1 ms.

圖9所示是相同激光功率條件下,脈沖寬度1 ms,使用V641型高速相機(jī),基于陰影法拍攝得到的燃燒波演化過程圖像(幀頻為6800幀,即147μs/幀).在0—147μs階段,由于激光輻照,熔石英表面溫度升高,通過熱輻射和熱對(duì)流方式向空氣傳遞能量,使得熔石英表面附近空氣溫度升高.由于此階段空氣的溫度和壓強(qiáng)并不高,所以空氣流動(dòng)主要表現(xiàn)為層流,觀察到近似圓形的陰影圖.在294—1029μs階段,隨著激光能量的不斷沉積,熔石英表面溫度不斷升高直至發(fā)生熔融、氣化,產(chǎn)生的蒸氣繼續(xù)吸收激光能量,使得蒸氣發(fā)生電離,產(chǎn)生低溫等離子體,此時(shí)激光支持燃燒波被點(diǎn)燃,所以觀察到陰影圖由近似圓形變?yōu)轭愃朴凇澳⒐皆啤钡男螒B(tài).同時(shí)還可觀察到在光斑中心有物質(zhì)噴出,分析原因可能是由于熔石英內(nèi)部存在著缺陷,導(dǎo)致石英玻璃內(nèi)部產(chǎn)生強(qiáng)吸收并產(chǎn)生高溫高壓等離子體,隨著熔石英材料的不斷燒蝕,內(nèi)部壓強(qiáng)不斷升高,當(dāng)超過外圍區(qū)域材料壓力極限,就會(huì)產(chǎn)生炸裂噴濺.在1176—3087μs階段,激光作用結(jié)束,陰影外沿?cái)U(kuò)展速度變慢,同時(shí)陰影圖變化緩慢.陰影外沿距離對(duì)時(shí)間微分,即可得到外沿的擴(kuò)展速度.在0—147μs階段,外延的擴(kuò)展速度為幾米每秒.在294—1029μs階段,外延的擴(kuò)展速度為幾十米每秒.在1176—3087μs階段,外延的擴(kuò)展速度逐漸減小并趨于零.通過計(jì)算我們可以得到此過程燃燒波的擴(kuò)展速度最大值約為28.8 m/s.

圖8 (網(wǎng)刊彩色)聚焦激光束作用下1.8 ms時(shí)刻燃燒波的溫度分布Fig.8.(color online)Temperature distribution under the action of focused laser beam at 1.8 ms.

在激光能量維持燃燒波傳播過程中,燃燒波內(nèi)的等離子體通過逆韌致輻射吸收激光能量來補(bǔ)償由熱輻射、熱傳導(dǎo)和對(duì)流引起的能量損失或轉(zhuǎn)移,使得等離子體區(qū)域維持在一個(gè)比較穩(wěn)定的溫度.燃燒波的傳播過程中,波前前方的冷空氣首先吸收能量,溫度升高到初始溫度,然后通過逆韌致輻射吸收激光能量,所以燃燒波前方的冷空氣的預(yù)加熱對(duì)其傳播是極為重要的.另外,由于空氣對(duì)激光輻射的逆韌致輻射吸收需要一個(gè)很高的初始溫度(幾千K),所以熔石英表面及內(nèi)部是否存在引起強(qiáng)吸收的缺陷或雜質(zhì),對(duì)燃燒波是否會(huì)產(chǎn)生,起到?jīng)Q定性作用.

圖9 (網(wǎng)刊彩色)燃燒波演化過程圖像Fig.9.(color online)Combustion wave evolution process image.

圖10和圖11所示為激光致燃過程中燃燒波在聚焦激光束作用下,分別在1 ms和1.8 ms時(shí)刻的速度場(chǎng)幅值分布圖.圖10中1 ms時(shí)刻氣流速度場(chǎng)的分布和圖5中平行激光束作用下燃燒波的氣流速度場(chǎng)分布是比較相似的,但是到1.8 ms時(shí)氣流速度場(chǎng)已經(jīng)發(fā)生明顯變化,主要表現(xiàn)為:等離子體區(qū)域內(nèi)的流體運(yùn)動(dòng)主要集中在前端,在偏下一些的地方速度很快變?yōu)榱?這說明等離子體前端的氣流運(yùn)動(dòng)從軸向運(yùn)動(dòng)主導(dǎo)變成了徑向運(yùn)動(dòng)主導(dǎo),并且氣流的速度幅值降低得很快.

圖10 (網(wǎng)刊彩色)1 ms時(shí)刻激光支持燃燒波的流體速度場(chǎng)幅值分布Fig.10.(color online)Fluid velocity amplitude distribution of the laser supported combustion wave at 1 ms.

圖11 (網(wǎng)刊彩色)1.8 ms時(shí)刻激光支持燃燒波的流體速度場(chǎng)幅值分布Fig.11.(color online)Fluid velocity amplitude distribution of the laser supported combustion wave at 1.8 ms.

5 結(jié) 論

本文通過建立二維軸對(duì)稱氣體動(dòng)力學(xué)模型,模擬研究了包含逆韌致輻射、熱輻射、熱傳導(dǎo)和對(duì)流過程在內(nèi)的激光能量傳輸過程.在平行激光束作用下,脈寬分別為1 ms和3 ms時(shí),我們計(jì)算出激光支持燃燒波的平均擴(kuò)展速度約為24 m/s,這與Klosterman和Byron［19]的實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果是一致的,驗(yàn)證了本文理論模型的正確性.脈寬為3 ms時(shí),得到激光支持燃燒波波前附近的流場(chǎng)速度平均值約為200 m/s,計(jì)算結(jié)果中流場(chǎng)速度和激光支持燃燒波的擴(kuò)展速度之間的數(shù)值關(guān)系與理論推導(dǎo)結(jié)果也是基本符合的.在聚焦激光束作用下,脈寬分別為1 ms和1.8 ms時(shí),等離子體前端的激光光強(qiáng)逐漸降低,光束半徑逐漸變大.當(dāng)脈寬為1.8 ms時(shí),燃燒波中出現(xiàn)了類似于“蘑菇云”的形態(tài),并出現(xiàn)湍流現(xiàn)象,這與我們實(shí)驗(yàn)中所拍攝到的燃燒波演化過程基本是一致的.仿真模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合得很好,同時(shí)也為研究熔石英材料的激光支持燃燒波過程提供了理論和實(shí)驗(yàn)上的依據(jù).

[1]Han W,Feng B,Zheng K X,Zhu Q H,Zheng W G,Gong M L 2016Acta Phys.Sin.65 246102(in Chinese)[韓偉,馮斌,鄭奎興,朱啟華,鄭萬(wàn)國(guó),鞏馬理 2016物理學(xué)報(bào)65 246102]

[2]Doualle T,Gallais L,Cormont P,Hébert D,Combis P,Rullier J L 2016J.Appl.Phys.119 113106

[3]Kozlowski M R,Thomas I M,Campbell J H,Rainer F 1993Proc.SPIE1782 105

[4]Pan Y J,Feng J 1996Semicond.Photon.Technol.2 199

[5]Liu H J,Huang J,Wang F R,Zhou X D,Jiang X D,Wu W D 2010Acta Phys.Sin.59 1308(in Chinese)[劉紅婕,黃進(jìn),王鳳蕊,周信達(dá),蔣曉東,吳衛(wèi)東 2010物理學(xué)報(bào)59 1308]

[6]Pan Y X,Zhang H C,Chen J,Han B,Shen Z H,Lu J,Ni X W 2015Opt.Express23 765

[7]Sharma S P,Oliveira V,Rui V 2016Appl.Phys.A22 1

[8]Qi L J,Zhu X,Zhu C H,Zhu G Z,Yang T 2008Proc.SPIE6825 68250A

[9]Wang B,Qin Y,Ni X W,Shen Z H,Lu J 2010Appl.Opt.49 5537

[10]Dai G,Lu J,Liu J,Qin Y,Ni X W 2011J.Test Meas.Technol.25 122(in Chinese)[戴罡,陸建,劉劍,秦淵,倪曉武2011測(cè)試技術(shù)學(xué)報(bào)25 122]

[11]Yoshida K,Tochio N,Ohya M,Matsuoka T,Yagi K,Ochi K,Kaku S,Kamimura T,Kuzuu N 2000Proc.SPIE3902 169

[12]Badziak J,Hora H,Woryna E,Jab?oński S,La?ka L,Parys P,Rohlena K,Wo?owski J 2003Phys.Lett.A315 452

[13]Alvisi M,Giulio M D,Marrone S G,Perrone M R,Protopapa M L,Valentini A,Vasanelli L 2000Thin Solid Films358 250

[14]Dai G,Chen Y B,Lu J,Shen Z H,Ni X W 2009Chin.Opt.Lett.7 601

[15]Xu Y,Zhang B,Fan W H,Wu D,Sun Y H 2003Thin Solid Films440 180

[16]Milam D,Bradbury R A,Bass M 1973Appl.Phys.Lett.23 654

[17]Capitelli M,Colonna G,Gorse C,D’Angola A 2000Eur.Phys.J.D11 279

[18]Bogatyreva N,Bartlova M,Aubrecht V 2011J.Phys.:Conf.Ser.275 012009

[19]Klosterman E L,Byron S R 1974J.Appl.Phys.45 4751

[20]Guskov K G,Raizer Y P,Surzhikov S T 1990Sov.J.Quantum Electron.20 860

PACS:42.62.–b,42.70.Ce,42.62.Eh,82.33.VxDOI:10.7498/aps.66.094202

Gas dynamics and combustion wave expanding velocity of laser induced plasma?

Cai Ji-Xing1)Guo Ming2)Qu Xu1)Li He1)Jin Guang-Yong1)?

1)(Jilin Key Laboratory of Solid-State Laser Technology and Application,School of Science,Changchun University of Science and Technology,Changchun 130022,China)2)(Photoelectric Science Branch,College of Optical and Electronical Information,Changchun University of Science and Technology,Changchun 130012,China)

22 December 2016;revised manuscript

6 January 2017)

Fused silica is an indispensable basic element in a laser system and the weakest link in all components.When the laser interacts with fused silica,the target absorbs the laser energy so that its own temperature rises,and then it melts and vaporizes.The vaporization of the target gasi fi cation further absorbs the laser energy and produces a low density ionization reaction,resulting in the laser supported combustion wave(LSCW)phenomenon.

In this paper,taking into account the e ff ects of temperature residual,change in target morphology,distribution of splash material,and distribution of target surface air fl ow condition,we model and simulate the process of LSCW in stages.The laser energy transfer process,including the inverse bremsstrahlung radiation,thermal radiation,heat conduction and convection processes,is simulated by establishing a two-dimensional axisymmetric gas dynamic model.In addition,the LSCW in the visible light band has a strong radiation characteristic,which is signi fi cantly di ff erent from the laser induced target melting and vaporization phenomenon.The LSCW is easily received and displayed by high-speed camera.Therefore,a shadow system is established to measure the expanding velocity of the combustion wave in the process of fused silica damaged by laser,and the evolution process image of the combustion wave is obtained.

The results show that under the action of parallel laser beam,the propagation of the combustion wave is in a steady-state and the gas dynamic behavior is stable.For the pulse widths of 1 ms and 3 ms,the average propagation velocity of the LSCW is calculated to be about 24 m/s,which is consistent with the experimental result in the literature available.This veri fi es the correctness of our theoretical model.For the pulse width of 3 ms,the average velocity of the f l ow fi eld near the wavefront is calculated to be about 200 m/s.The numerical relationship between the velocity of the f l ow fi eld and the propagation velocity of the LSCW is also basically consistent with the theoretical derivation result.Under the action of focused laser beam,the propagation of the combustion wave is unsteady.For the pulse widths of 1 ms,the laser intensity at the front of the plasma decreases gradually and the beam radius becomes larger.For the pulse width of 1.8 ms,both a similar pattern of“mushroom cloud” in the combustion wave and turbulence are observed,which is basically consistent with the evolution process of the combustion wave appearing in our experiment.The simulation results are in good accordance with the experimental results,and also provide a theoretical and experimental basis for studying the LSCW of fused silica.

laser supported combustion wave,numerical simulation,shadow method,expanding velocity

10.7498/aps.66.094202

?吉林省科學(xué)技術(shù)廳項(xiàng)目(批準(zhǔn)號(hào):20150622011JC)資助的課題.

?通信作者.E-mail:jgycust@163.com

*Project supported by the Science and Technology Department of Jilin Province,China(Grant No.20150622011JC).

?Corresponding author.E-mail:jgycust@163.com