焦路光，趙國(guó)民，江厚滿

(國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410073)

1 引言

研究強(qiáng)激光對(duì)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(jià)值。目前，激光對(duì)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(qiáng)度較小時(shí)，靶不會(huì)發(fā)生熔化，激光對(duì)目標(biāo)主要起加熱作用，此時(shí)只要給定激光加載條件、目標(biāo)靶的幾何形狀以及靶對(duì)激光的吸收特性、靶的熱物理性質(zhì)等，即可求得靶目標(biāo)溫度場(chǎng)的時(shí)空變化。當(dāng)激光強(qiáng)度較大時(shí)，靶表面可能發(fā)生熔化，由于實(shí)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(shí)必須考慮燒蝕效應(yīng)才能正確描述激光對(duì)金屬靶的輻照效應(yīng)［6，7］。因此，開(kāi)展切向氣流作用下激光輻照金屬靶的機(jī)理研究具有重要意義，此項(xiàng)研究國(guó)內(nèi)尚未見(jiàn)有相關(guān)報(bào)道。

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

2 切向氣流作用下激光對(duì)典型金屬靶的輻照效應(yīng)

近幾年來(lái)，美國(guó)勞倫斯-利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(LLNL)利用其研制的高功率脈沖固體熱容激光器對(duì)金屬靶的破壞機(jī)理做了大量的實(shí)驗(yàn)研究，并開(kāi)展了數(shù)值模擬工作［8～15］。其實(shí)驗(yàn)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(gè)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(dòng)力學(xué)效應(yīng)導(dǎo)致厚度較薄的目標(biāo)靶在熔化溫度之前發(fā)生破裂。下面通過(guò)介紹LLNL的實(shí)驗(yàn)對(duì)這些效應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)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(shí)，在不同氣流條件下測(cè)量得到的靶后表面中心溫升曲線［10，13］，實(shí)驗(yàn)參數(shù)為:激光波長(zhǎng)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)靶表面切向氣流為空氣時(shí)，鋼靶被熔穿，輻照后靶的形貌如圖2(b)所示;切向氣流為氮?dú)鈺r(shí)，靶后表面中心在激光輻照結(jié)束時(shí)刻溫度約為1 000℃，靶并不會(huì)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(shí)，隨著熔化產(chǎn)物的移除，來(lái)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(shí)，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(lái)流為氮?dú)鈺r(shí)，靶不會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng)，因此引起其溫升的能量?jī)H來(lái)源于激光，溫升程度較小，靶不會(huì)被熔穿，此時(shí)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(shí)，溫升歷史與切向氣流為氮?dú)鈺r(shí)的情形相近，但其溫升程度要稍大，這主要是由于切向強(qiáng)迫氣流作用下，靶表面對(duì)流換熱強(qiáng)度較大，即氣流還起到降溫的作用。圖2(a)為無(wú)切向氣流作用時(shí)，激光輻照后鋼靶表面形貌圖，可見(jiàn)靶并沒(méi)有被熔穿，由于重力場(chǎng)作用，熔化產(chǎn)物發(fā)生定向流動(dòng)，這同圖2(b)的形貌截然不同。

圖1 1020鋼靶表面無(wú)強(qiáng)迫氣流及表面存在強(qiáng)迫氣流時(shí)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(shí)際環(huán)境中，氣流所起的作用主要包含以下兩個(gè)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(shí)，激光輻照結(jié)束后靶的形貌圖［14，15］。實(shí)驗(yàn)參數(shù)為:激光波長(zhǎng) 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(shí)間為4 s，表面無(wú)切向氣流。圖3(b)中光斑尺寸為13 cm×13 cm，激光輻照時(shí)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(méi)有被熔穿。當(dāng)光斑擴(kuò)大到13 cm×13 cm時(shí)，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(huì)起降溫作用，如果僅考慮熱效應(yīng)，那么勢(shì)必得到一個(gè)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(shí)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(lái)源必然是切向氣流與激光共同作用于靶時(shí)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(guò)程中鋁合金靶的破裂過(guò)程(對(duì)應(yīng)于圖3(b)情形)。第1幀為激光輻照1.67 s時(shí)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(huì)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?cè)龃蟮揭欢ǔ潭群?，靶表面的凸起即?huì)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(méi)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(huì)繼續(xù)增大，在剪切力的作用下，靶表面形成了兩個(gè)較大的穿孔(第2幀及第3幀圖像)，最終合并為一個(gè)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(méi)有發(fā)生熔化現(xiàn)象。因此，當(dāng)鋁合金靶較薄時(shí)，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(duì)靶面處激光功率的要求。

圖4 鋁合金靶破裂過(guò)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(wèn)題

上節(jié)通過(guò)介紹最近幾年來(lái)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(shí)，建立相關(guān)的物理模型描述實(shí)驗(yàn)效應(yīng)，并能將理論模型應(yīng)用于預(yù)測(cè)實(shí)際工程問(wèn)題，也是至關(guān)重要的課題。目前，描述激光對(duì)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(lái)源于激光加工的實(shí)際需求［16～22］。當(dāng)靶表面存在切向氣流時(shí)，在物理模型中就需要考慮氣流效應(yīng)。在目標(biāo)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(jìn)氧化反應(yīng)，其中較為復(fù)雜的是如何考慮氧化反應(yīng)。對(duì)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(shí)，必須考慮氧化反應(yīng)產(chǎn)生的效應(yīng)。因此，首先需要針對(duì)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(qiáng)度與激光參數(shù)、氣流參數(shù)之間的關(guān)系。進(jìn)行這類(lèi)研究必須依靠精密的實(shí)驗(yàn)手段，而目前還未發(fā)現(xiàn)對(duì)此有系統(tǒng)的研究報(bào)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(méi)有揭示其物理實(shí)質(zhì)，因此有必要對(duì)此進(jìn)行細(xì)致的研究。

針對(duì)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(shí)驗(yàn)之前還未有相關(guān)研究報(bào)道，據(jù)此LLNL認(rèn)為這種效應(yīng)是一種新的破壞效應(yīng)［15］。但目前LLNL對(duì)其機(jī)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(bào)道僅僅描述了特定條件下靶的破壞過(guò)程，對(duì)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(shí)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如何并不清楚。要揭示其內(nèi)在規(guī)律，還須進(jìn)行系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)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(jìn)行更為一般的理論研究。進(jìn)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(biāo)、流場(chǎng)三者的相互關(guān)聯(lián)。由上文分析可知，流場(chǎng)在目標(biāo)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(duì)熱力效應(yīng)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的破壞進(jìn)行過(guò)大量研究，其物理本質(zhì)為求解熱彈塑性動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。而當(dāng)靶表面存在切向氣流時(shí)，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(duì)靶的作用也隨之改變。因此，在數(shù)值模擬中還須考慮流場(chǎng)與靶目標(biāo)的耦合。綜合而言，在理論模型中需要同時(shí)考慮熱彈塑性動(dòng)力學(xué)效應(yīng)及流固耦合效應(yīng)，如何將這兩個(gè)高度非線性的問(wèn)題進(jìn)行耦合求解，目前尚未發(fā)現(xiàn)研究報(bào)道，研究思路還不清晰。

4 結(jié)論

本文通過(guò)介紹最近幾年LLNL公開(kāi)發(fā)表的一些研究成果，重點(diǎn)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(wèn)題。文章指出在今后的研究過(guò)程中，還需要針對(duì)不同的氣流速度、不同類(lèi)型的金屬開(kāi)展激光輻照效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究，以便在足夠多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上形成更為清晰的規(guī)律性認(rèn)識(shí)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(cè)不同環(huán)境下各種目標(biāo)靶被破壞所需的激光閾值。

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