切向氣流作用下激光對典型金屬靶的輻照效應

焦路光，趙國民，江厚滿

(國防科學技術大學光電科學與工程學院，湖南長沙410073)

1 引言

研究強激光對金屬靶的輻照效應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已有廣泛的研究［1～5］，其物理本質均為求解各種初邊值條件下的傅里葉熱傳導方程。當激光強度較小時，靶不會發生熔化，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、靶的熱物理性質等，即可求得靶目標溫度場的時空變化。當激光強度較大時，靶表面可能發生熔化，由于實際環境中靶表面存在切向氣流，在氣流作用下熔化產物被移除，靶的質量發生損失，此時必須考慮燒蝕效應才能正確描述激光對金屬靶的輻照效應［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，此項研究國內尚未見有相關報道。

本文闡述了最近幾年國外公開發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，希望能為國內相關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

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，并開展了數值模擬工作［8～15］。其實驗結果表明，亞音速切向氣流產生的效應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提供充足的氧氣;空氣動力學效應導致厚度較薄的目標靶在熔化溫度之前發生破裂。下面通過介紹LLNL的實驗對這些效應進行詳細闡述。

2.1 燒蝕效應

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。實驗結果表明，當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束時刻溫度約為1 000℃，靶并不會被熔穿。這種區別主要是由氧化作用造成的，當氣流為空氣時，隨著熔化產物的移除，來流提供了充足的氧氣供鋼靶發生氧化反應，反應生熱加速了靶的溫升。此時，切向氣流的作用主要體現在移除熔化產物及提供氧化反應所需的氧氣。而當來流為氮氣時，靶不會發生氧化反應，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物。當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，熔化產物發生定向流動，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，氣流移除熔化產物，從而增大燒蝕速率;其次，氣流提供了充足的氧氣供靶發生氧化反應，反應生熱有利于靶的升溫，從而可增大燒蝕速率。

2.2 熱力聯合效應

圖3為Boley等人使用固體熱容激光器輻照6061鋁合金靶時，激光輻照結束后靶的形貌圖［14，15］。實驗參數為: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，靶表面出現熱導致的裂紋及熔化痕跡，但靶并沒有被熔穿。當光斑擴大到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，在光斑輻照區域，靶發生了大面積的穿孔。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，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將得到削弱，但事實并非如此。因此應該考慮兩者之間較大的區別在于氣流環境不同(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)中現象的來源必然是切向氣流與激光共同作用于靶時產生的熱力效應。

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，光斑輻照區域靶發生了大面積的凸起。在此之前，靶的溫度逐漸升高，其力學性能不斷下降，而切向氣流會降低靶面處的壓力，從而在靶的前后產生壓差，使靶產生較大面積的變形，當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。這從第1幀圖像的穿孔位置即可看出，穿孔并沒有發生在光斑中心，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，導致穿孔的出現。隨著激光的繼續輻照，靶的形變將會繼續增大，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，靶并沒有發生熔化現象。因此，當鋁合金靶較薄時，切向氣流導致的力學效應可以造成靶的整體破裂，而并不需要將靶熔化，這相當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生的效應。同時，建立相關的物理模型描述實驗效應，并能將理論模型應用于預測實際工程問題，也是至關重要的課題。目前，描述激光對金屬靶輻照效應的物理數學模型已有很多，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。在目標靶較厚情形下，氣流效應主要包括移除熔化產物及促進氧化反應，其中較為復雜的是如何考慮氧化反應。對于不同的金屬，氧化反應規律相差較大，在建立相應的數學模型時，必須考慮氧化反應產生的效應。因此，首先需要針對不同的金屬材料，定量描述氧化反應速率，氧化層的厚度及氧化反應放熱的強度與激光參數、氣流參數之間的關系。進行這類研究必須依靠精密的實驗手段，而目前還未發現對此有系統的研究報告。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，以此模擬氧化反應所產生的熱量，并沒有揭示其物理實質，因此有必要對此進行細致的研究。

針對切向氣流與激光聯合作用下熱力效應導致的靶的破壞，在LLNL實驗之前還未有相關研究報道，據此LLNL認為這種效應是一種新的破壞效應［15］。但目前LLNL對其機理研究還不夠深入，缺乏統一的數理模型，而且其相關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、靶材料發生變化及氣流速度發生變化時的實驗現象如何并不清楚。要揭示其內在規律，還須進行系統的實驗研究，確定熱力破壞效應與光斑尺寸、靶厚度、氣流速度等各種參數之間的定量關系，確定何種條件下力學效應占主導作用，何種條件下力學效應可以忽略等基本規律，以此為基礎才能進行更為一般的理論研究。進行理論研究的關鍵是要建立統一的數理模型描述激光、靶目標、流場三者的相互關聯。由上文分析可知，流場在目標靶的熱力破壞效應中起著關鍵作用。以往的研究成果已對熱力效應導致結構的破壞進行過大量研究，其物理本質為求解熱彈塑性動力學問題。而當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將發生變化，變化后的氣流對靶的作用也隨之改變。因此，在數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效應及流固耦合效應，如何將這兩個高度非線性的問題進行耦合求解，目前尚未發現研究報道，研究思路還不清晰。

4 結論

本文通過介紹最近幾年LLNL公開發表的一些研究成果，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的實驗研究，以便在足夠多的實驗數據基礎上形成更為清晰的規律性認識并建立相應的數學模型描述物理現象，以此預測不同環境下各種目標靶被破壞所需的激光閾值。

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