高功率脉冲激光冲击力.pdf

高功率脉冲激光冲击力学效应 的理论研究 强希文’ 张建泉‘ 刘峰’ 李邦固 ’ 朱润合 (r }k0 s 技 - Mn9 , f I +} 7 1 0 0 2 4 1 ( “I-}J tfk j t “ g } % 4I 一 ' n7 1 0 0 2 5 ) 提要本文利月 } 一维理想弹塑幸 断疏 体力学模T.通过数值 价么，研究了高功率脉冲强 激光福照I1-1 体靶材叫，表}} i 烧蚀压在固体k材中产生的激谈的形成、稳定和衰减过程 并分别利用累计损伤判据和动态断裂准则，; 于 算厂铝把‘ { 了 产生的层裂损伤所得结果与 国外有关数值模拟及实汉 U 结果较为 一致 关键词高功率脉冲激介‘ ， 冲击力学效应尽 ) fv !+ { , i 引言 当高功率脉冲激光与W体靶材相互作用对 .靶材因Ia 收激光能W而被加热熔化、 汽化以致形成热的等离子体1等离子体猛烈阿外喷创，从而施于靶面一个冲击加 载，形成向靶内传播的压缩波当激光功率密度足够高时等离子体的反冲作用是激 波形成的t 要机制、在激光与靶材相13 . 作用的后期表面烧蚀压降低因而向靶内传 播一系列稀疏卸载波，当它赶上前而的激波时与其叠加从而使激波波阵面压力降 低，其剖面大致呈三角形。

该激波遇到靶树「由面时发生反射，形成扮伸波，一旦拉 应力达到 一定值时，便会引起材料的层裂破坏 我们利用一维理想弹x性流体力学摸型，通过数值寿法，研究了高功率脉冲强 激光辐照固体靶材时， 表面烧蚀压在固体靶材巾产生的激波的形成、稳定和衰减过 程 并分别利用累计损伤判据和 动态断裂准则， 计 算1 铝把中产生的层裂损伤 所得 结果与国外有关数值模拟及 实测结果 较为 致 2 激光产生的烧蚀压力 高功率脉冲激光 辐照固体靶材时， 靶材: 1 1 - i- 吸收激光的能量而在表面形 成一个含 温的等离子 体层该 等离子体li迅速向 外喷射， y ' ;施与 靶面一 个 烧蚀压力， 它作为 一个压力加载，向靶内传播 一 系列激波 烧蚀压力的大小与 入射 激光的强 度、 波长、Ib k 宽以及 靶面的等离子体 性质有关 在单流体双温度和等温膨胀的汽化等离 f 体的, IX 定 卜 万 d“ , 已经推导出如 F 烧蚀压力 的定标关系t ’ : P ， 、 0 .4 3 W` ' b r ’一 ; / 刃 , T ' ， 尸 “ ( 7 + / ) ; ' F ( P a l( } ) 其 q I .k f 为 原子 量 : 2 为 等 r } s 子 体卜 均电乌 能 ; . / 二 。

s 一 I 为 等 1A 子 体 中 弛 豫 过 程 决 定的离子温度与电子温度乙比:l、元、万分别为激光强度(N'/cm“] ,波长} c a ; 和脉 冲宽度t s l 平均电离度2满足关系: U , ,二 2 3 8 A 1 “ 1 ' ` , =c - Z “ r ' ( Z + _ f ) - “ l n [ 4 ? x 1 0 “ T- fi - z ; .`Z . ' 1 1 } “ ( 7 , + f ) - ' s 1 ( r } I ( 2 ) 这里U ( 2+ 1 / 2 ) 为 114 子的了 2司 2 ) 5 : L k 离能 3 激波的形成、稳定和衰减过程 4 'i 足入射到吧向的激光左f - 尺· J 远大丁 $ .E 倒 采用一维+ 't 想弹塑性流休 力 学f} I'l l 4 -M 还激波的形成 标系下，一维弹塑件流体勺 学方程组 为: Jt __艺 7 7 ( } 以烧蚀压力为阴始条件.则可 F ps 足和夜减过程y拉格朗日坐 l 尸 f 、 净 ( (S十 ( ) ) 0 ( 4 ) ( J， U} 1 I 户P ( 压 ) ( 6 ) 汗口欣一口 俞口爪一口厂 即} ’ p为材料的密度 G为比 容:R和厂 分别为 欧扮坐标和十 ,Y I 各 朗IJ } } 标: 速 度: 6 - - 尸 + 匀为 全 应力 以 j : 为 i E , 尸为 流 体 r t !二 力 ， . , 为 应力 偏} : : 能 L '。

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时 应 足 连 续 的 ， 则 由 声 速连续条件可求得 N 二 二二 加三 1一 凡‘ E ., ( 1 3 ) 这 里N是 与 材 料 性能 有 关 的 常 数 _ 5 F .'人· 叹 P 刚 开 如小F P . , 时， r ; F K Gx 的 状态 方程转化为极稠密气休的状态万程 尸二 ( 厂一 l } L P E( P一 八 、 ) l ( t 4 ) 4 激光激波的 材料破坏 在高 功率 脉冲激光与 靶材作用的后期， 衷面烧蚀玛 一 降低， 因而向靶内 传播一系 15 1 稀疏波， 当 它赶上前面的激波时与其 叠加，从 而使激波波阵面压力降低 其剖 面大致 旱三角形该激波在靶材中传播，遇到靶丰 柏勺 自i E i A时发生反射，形成拉仲波一旦 拉应力达到 一 定值，H 维持足够的时间 则导 致} T 材发生r l} 裂 由于 高功率脉冲 激光辐照f e fi } 产生的烧蚀压为 很高 目 脉冲持续时问短， 所以材 料的 应变率也 较后 1 ，一 般达t o : 一 ’ ， 而利用.高 速碰掩所得到的应变 率一般不超过i s 飞 一 这样，利用简单的动态断} 'Ila 准则就才 、 能给 N 满意的结果而M要考虑应变率对断 裂强度的影响。

在此， 我们利用象 积损伤判据来计W靶材的T . 裂 破坏 定义损伤积累 oq数为: l 二 了 f } 6 ( t ) 1t} t f(6(01? 一(a !0- 一 (T, ),( (I6 i 6 a )(o 5 1} 6 R ) ( l o ) ( I 6 ) 则 层裂 判 据 为 : 当t K 对 ， 发r丰 层 裂 层 裂 a '1 划' 1 l K 为累 积损伤层裂I} l 位 6 : 为 材料的 动态U服强度， 5 结果与讨论 根据fl i 而的分析及所得约沦，伐钊对激光辐照侣吧刘激波! t I十 ! ' E 的传播过程. 以及 激波对化州 的层裂效卜进行犷 计} ,'( . 11 1 F } ; 至 { 的参数为: 密度p ., -2 7 a 5 k g / m 声 速c二n :i 2 H m、1 N6乃森 系V L F -= 2 . ，杨氏模z y 扮 o x l or a : i :i 松比 v一 3 4 ; 1h i:7) A ': ! z ‘ 二 2 ,6 2- / 刀 曰 劝全屈月 淡 强嗜汀 二 1 0 ' 1 : X l} ;S1 91 fY 1-}l % K 二 ; .8 / l0 '' p n , : w ' k } h = 1 2 -, 1 0 ' J / I, g ; I L * L ' 7 = l 。

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J 靶厚达到 一 定程I x 时便小会发生层裂，不致发生层裂 的靶材厚度称为层裂闭值，I J I 1 J 以粗竖线农示个 } 」 应的.r : 裂N 1 值 对于图 3 和N4 的情 况， 我们 计 算 给 出 的 层 裂 K 值分 别为1 2 : i }i tt t m ? d 1 1 1 5 3 f t in , 而 引il E 的 文 献 给出 的 值分 别为1 2 , ) 0 pm 和1 1 7 .5 y m 二者 相比 较符甚 ; 较好 参考文献 川Z h a n g J Q , A n a l , t i c r e s e r mh o f l a s e r g e l] , mt e d p l a s m a p a r a m e t e r s . C h i n . J . O f L a s e r s , 1 0 9 5 , 1 3 4 : 3 3 :i [ 2 1 R u d i e N J , P r i n r i ll Ls a n d， ‘h n i g n , ，o f R e d i n t i o n H a r d e n i n g , W 'e s t P e r i o d . C o m p， 1 9 7 6 干 3 ] T r a i n o r J R , A n a t v t i c a t m o d e l s f o r d e s i g n o f l a s e r - g e n e r a t e d .s h o c k，、 、 1 e x p e r i m e n t s , l ' h v s 卜 l u t d , , 1 9 8 2 , 2 5 : 1 8 9 8 [ 4 I C o t t e t P e i a l_ S p a l l 。