李娜，于遠(yuǎn)達(dá)，高勛，林景全

（長春理工大學(xué) 理學(xué)院，長春 130022）

納秒脈沖激光與物質(zhì)相互作用的過程中，當(dāng)激光功率密度大于108W/cm2時(shí)，就會誘導(dǎo)擊穿靶材從而產(chǎn)生等離子體，伴隨著激光等離子體的膨脹過程，就會產(chǎn)生等離子體沖擊波（shock wave）[1]。在等離子體沖擊波向前膨脹的過程中，壓縮沖擊波前位置的周圍環(huán)境空氣形成間斷層，從而改變環(huán)境空氣的物理特性[2]。目前激光等離子體沖擊波方面的研究逐漸成為激光等離子體領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，在激光推進(jìn)[3]、激光薄膜沉積[4]、激光沖擊波清洗（Laser Shockwave Cleaning）[5]、激光微結(jié)構(gòu)切割[6]、激光沖擊強(qiáng)化（Laser Shock Deposition）[7]等領(lǐng)域有著廣泛潛在應(yīng)用。

高功率密度的納秒脈沖激光聚焦輻照靶材表面，脈沖前沿激光燒蝕靶材，誘導(dǎo)產(chǎn)生激光等離子體，逆激光入射方向快速膨脹，誘導(dǎo)產(chǎn)生的激光等離子體會吸收脈沖后沿激光能量，從而使激光等離子體內(nèi)能增加，使得激光誘導(dǎo)等離子體沖擊波在逆激光入射方向的膨脹速度達(dá)到104m/s[8]。章玉珠等人[9]利用波長 1 064 nm 的Nd：YAG激光作用在鋁靶表面，得到了離焦量對沖擊波力學(xué)效應(yīng)的影響。張興衛(wèi)等人[10]利用陰影成像技術(shù)記錄了激光作用在鋁合金靶材上沖擊波傳播的時(shí)間演化物理過程。李超等人[11]對連續(xù)/脈沖復(fù)合激光光束輻照在鋁靶材的熱作用進(jìn)行了仿真計(jì)算，得到了時(shí)間延時(shí)對連續(xù)/脈沖復(fù)合激光作用靶材的溫度時(shí)間演化影響。劉天航等人[12]采用時(shí)間分辨陰影成像技術(shù)對空氣中355 nm的納秒激光作用在鋁靶產(chǎn)生的等離子體沖擊波進(jìn)行了研究，得到了焦點(diǎn)位置對空氣擊穿和在靶材上產(chǎn)生的等離子體膨脹都有重大影響。近年來國內(nèi)對沖擊波參數(shù)進(jìn)行了深入研究，取得了很多空氣沖擊波的傳播和衰減的研究成果，楊科之等人[13]對爆炸空氣沖擊波的傳播和衰減規(guī)律進(jìn)行了研究。卞保民等人[14]根據(jù)空氣中等離子體沖擊波傳播方程給出了沖擊波波陣面壓強(qiáng)、速度等重要參數(shù)，發(fā)現(xiàn)與光學(xué)干涉法的測量結(jié)果一致。綜上所述，目前國內(nèi)外對空氣等離子體沖擊波的研究主要集中在沿激光入射方向的膨脹過程和理論計(jì)算等方面，沒有關(guān)注空氣等離子體沖擊波逆向膨脹前沿傳播規(guī)律。由于激光誘導(dǎo)空氣沖擊波在入射激光方向無約束，因此存在逆激光方向和沿激光入射方向均有膨脹，因此，本文探討了逆向和順向的空氣等離子體沖擊波的膨脹過程，得到空氣等離子體沖擊波在順向和逆向方向上傳播規(guī)律的異同點(diǎn)。

本文利用光學(xué)陰影成像方法研究了納秒脈沖激光經(jīng)凸透鏡聚焦后誘導(dǎo)擊穿空氣，產(chǎn)生空氣沖擊波的時(shí)間演化過程，獲得空氣沖擊波膨脹速度和壓強(qiáng)隨激光參數(shù)的變化規(guī)律，探討空氣沖擊波的膨脹特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，逆激光入射方向的空氣沖擊波膨脹速度、膨脹壓強(qiáng)遠(yuǎn)大于順著激光方向的空氣沖擊波膨脹速度、膨脹壓強(qiáng)，并得到了空氣沖擊波膨脹前后的密度變化。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

納秒激光誘導(dǎo)空氣沖擊波的時(shí)間演化過程的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。第一束激光輸出波長為1 064 nm，頻率為10 Hz，脈沖寬度為10 ns，光束直徑為8 mm的調(diào)Q Nd：YAG激光器（Continuum Power 8000）發(fā)出的，最大輸出脈沖能量為1.1 J，激光光束經(jīng)能量衰減系統(tǒng)（由二分之一波片和格蘭棱鏡組成）后，由焦距為75 mm的熔石英透鏡聚焦擊穿空氣誘導(dǎo)產(chǎn)生空氣等離子體，伴隨空氣等離子體膨脹過程，在等離子體外沿產(chǎn)生等離子體沖擊波。第二束激光作為陰影成像光源，輸出波長為532 nm，頻率為10 Hz，脈沖寬度為8 ns，光束直徑為10 mm的調(diào)QNd：YAG激光器（Continuum，Surellite EX）發(fā)出的，經(jīng)能量衰減系統(tǒng)（由二分之一波片和格蘭棱鏡組成）后，激光光束通過10倍的擴(kuò)束系統(tǒng)傳輸經(jīng)過空氣等離子體，經(jīng)成像透鏡（f=75 mm）后，由科學(xué)CCD相機(jī)（Princeton Instruments，1 024 pixel×1 024 pixel）成像探測空氣等離子體沖擊波的膨脹時(shí)間演化過程。為了防止CCD探測器飽和，獲取較高質(zhì)量的光學(xué)陰影圖，在CCD相機(jī)和透鏡之間放置中性衰減片和532 nm干涉濾波片。通過兩臺數(shù)字脈沖延時(shí)觸發(fā)器DG645（Stanford Research）同步控制1 064 nm和532 nm激光器和CCD相機(jī)間的時(shí)間延時(shí)，從而獲得空氣等離子體沖擊波膨脹的時(shí)間演化過程。實(shí)驗(yàn)均在室內(nèi)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓、室溫24℃、相對濕度40%的條件下展開完成的。

圖1 空氣沖擊波演化過程實(shí)驗(yàn)裝置

2 結(jié)果與討論

圖2為納秒激光誘導(dǎo)空氣等離子體的空氣沖擊波在0～3 000 ns時(shí)間范圍內(nèi)的時(shí)間演化圖像，激光光束方向從右向左入射，激光脈沖能量分別采用 50 mJ（圖 2（a））和 100 mJ（圖 2（b））。為了能對小時(shí)間尺度內(nèi)的空氣等離子體沖擊波膨脹過程進(jìn)行觀測，在0～50 ns時(shí)間范圍內(nèi)的光學(xué)陰影成像放大倍率為1∶18.75；為了保證在3 000 ns時(shí)刻空氣等離子體沖擊波的光學(xué)陰影成像圖仍能停留在CCD相機(jī)的成像區(qū)域內(nèi)，在100～3 000 ns時(shí)間范圍內(nèi)的光學(xué)陰影成像放大倍率為1∶3.2。由圖2可知，激光誘導(dǎo)空氣等離子體沖擊波在逆激光入射方向（簡稱為逆向）和順激光入射方向（簡稱為順向）均向外膨脹，且逆激光入射方向的沖擊波膨脹大于順激光方向。在10～100 ns時(shí)間內(nèi)的空氣等離子體膨脹初期，空氣沖擊波總體呈現(xiàn)細(xì)長圓柱形膨脹，隨著時(shí)間增加，空氣沖擊波逐漸呈現(xiàn)橢球形膨脹。相比于50 mJ誘導(dǎo)的空氣沖擊波而言，脈沖能量為100 mJ誘導(dǎo)的空氣沖擊波的膨脹空間體積較大，且在大的時(shí)間尺度上空氣沖擊波的橢球形膨脹的橢圓度更大。誘導(dǎo)空氣等離子體的激光能量越大，空氣等離子體沖擊波的膨脹距離越大。

圖2 1 064 nm激光誘導(dǎo)空氣等離子體的空氣沖擊波膨脹時(shí)間分辨陰影圖

脈沖能量為100 mJ時(shí)，1 064 nm激光誘導(dǎo)的空氣沖擊波膨脹前沿距離的時(shí)間演化曲線如圖3所示。由圖3可知，逆向和順向激光入射方向的空氣等離子體沖擊波膨脹前沿距離均隨著時(shí)間的增加而增大變化，在等離子體膨脹初期200 ns時(shí)間內(nèi)，空氣等離子體沖擊波快速膨脹，大于500 ns后，空氣等離子體沖擊波膨脹變緩，并且存在空氣沖擊波的逆向膨脹前沿距離一直遠(yuǎn)大于順向膨脹距離。根據(jù)空氣沖擊波膨脹前沿距離可得到空氣沖擊波的膨脹速度時(shí)間演化曲線，如圖4所示，空氣沖擊波的順向和逆向最大膨脹速度分別為 0.55×104m/s和 1.1×104m/s，逆向等離子體沖擊波的最大膨脹速度為順向膨脹速度的2倍。在100 ns時(shí)間內(nèi)，空氣等離子體沖擊波的逆向和順向的膨脹速度均呈快速下降。這是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)中采用的為脈寬10 ns的脈沖激光器，激光脈沖前沿的光子空氣產(chǎn)生空氣等離子體，脈沖后沿的激光能量一部分穿透空氣等離子體，順向傳輸繼續(xù)擊穿空氣產(chǎn)生空氣等離子體向前膨脹，大部分過脈沖后沿的激光能量被脈沖前沿產(chǎn)生的等離子體所吸收，形成激光支持吸收波[15]，從而空氣等離子體在逆激光入射方向快速膨脹。因此，在空氣等離子體膨脹初期，在激光支持吸收波作用下，由于空氣等離子體在逆向和順向兩個(gè)方向的快速膨脹，空氣等離子體沖擊波呈現(xiàn)為細(xì)長圓柱形膨脹。當(dāng)激光脈沖結(jié)束后，隨著時(shí)間增加，空氣等離子體膨脹過程中無能量注入，并且空氣等離子體沖擊波壓縮周圍空氣，在周圍空氣的冷卻作用下，使等離子體內(nèi)能降低，造成空氣等離子體沖擊波的膨脹速度變緩，從而空氣沖擊波逐漸呈現(xiàn)橢球形膨脹。

圖3 空氣沖擊波膨脹距離的時(shí)間演化

圖4 空氣沖擊波膨脹速度的時(shí)間演化

激光誘導(dǎo)空氣沖擊波向外膨脹過程中，沖擊壓縮周圍空氣氣體，從而使沖擊波前沿位置處空氣氣體密度變大，因此空氣等離子體沖擊波前位置處空氣氣體密度與沖擊壓強(qiáng)由Sedov理論進(jìn)行計(jì)算[16]：

式中，γ為比熱比（空氣中γ=1.4）；c為聲速（333 m/s）；ρ0為未受擾動的空氣密度（1.29 kg/m3）；v為沖擊波波前的傳播速度。

根據(jù)圖4的空氣等離子體沖擊波膨脹速度的時(shí)間演化曲線，結(jié)合公式（1）和公式（2）推演出順向和逆向的空氣沖擊波膨脹前沿質(zhì)量密度和膨脹壓強(qiáng)的時(shí)間演化，分別如圖5和圖6所示。脈沖能量為100 mJ的激光誘導(dǎo)擊穿產(chǎn)生的空氣等離子體沖擊波前沿壓縮的周圍氣體密度最大為7.7 kg/m3，且在等離子體膨脹初期，沖擊波前位置處的氣體密度快速下降。隨著時(shí)間增加，500 ns后沖擊波前位置處的氣體密度變化緩慢，最終達(dá)到正?？諝鈿怏w密度。由于逆向空氣等離子體沖擊波的膨脹速度大于順向沖擊波膨脹速度，造成了逆向等離子體沖擊波前位置處的周圍空氣氣體密度需要較長時(shí)間變化到初始空氣狀態(tài)。由圖6可知，隨著時(shí)間的增加，空氣沖擊波的膨脹壓強(qiáng)呈指數(shù)下降趨勢。在等離子體膨脹初期，順向和逆向的最大膨脹壓強(qiáng)達(dá)到32.5 MPa和130 MPa，逆向膨脹壓強(qiáng)高于順向膨脹壓強(qiáng)。隨著時(shí)間增加，空氣等離子體膨脹速度趨于平緩，此時(shí)沖擊波前位置處的周圍空氣質(zhì)量密度隨之逐漸降低，空氣沖擊波壓強(qiáng)降低，最終與環(huán)境氣壓保持平衡。由于空氣在沖擊波內(nèi)部壓強(qiáng)的作用下逐漸恢復(fù)，沖擊波前沿空氣質(zhì)量密度逐漸下降，直至與環(huán)境密度平衡。

圖5 空氣沖擊波前沿空氣密度的時(shí)間演化

圖6 空氣沖擊波膨脹壓強(qiáng)的時(shí)間演化

3 結(jié)論

本文基于光學(xué)陰影成像法對納秒激光誘導(dǎo)空氣沖擊波的膨脹動力學(xué)進(jìn)行了研究。研究發(fā)現(xiàn)，激光誘導(dǎo)空氣等離子體沖擊波分別沿逆激光入射方向和順激光入射方向向外膨脹，在空氣等離子體膨脹初期，空氣沖擊波總體呈現(xiàn)細(xì)長圓柱形膨脹，隨著時(shí)間增加，空氣沖擊波逐漸呈現(xiàn)橢球形膨脹，且逆向膨脹距離一直大于順向膨脹距離。等離子體膨脹初期的空氣沖擊波逆向最大膨脹速度為1.1×104m/s，且逆向膨脹速度約為順向膨脹速度的2倍。隨著延時(shí)的增加，空氣沖擊波的膨脹壓強(qiáng)呈指數(shù)下降趨勢，在等離子體膨脹初期，順向和逆向的最大膨脹壓強(qiáng)達(dá)到32.5 MPa和130 MPa，逆向膨脹壓強(qiáng)高于順向膨脹壓強(qiáng)?？諝鉀_擊波前位置處周圍空氣氣體密度隨著時(shí)間增加逐漸減少，順向和逆向的空氣沖擊波前位置處最大周圍空氣氣體密度分別為7.7 kg/m3和7.6 kg/m3。由于納秒脈沖激光的后沿脈沖能量被脈沖前沿激光形成的等離子體所吸收，形成了激光支持吸收波，從而空氣等離子體在逆激光入射方向快速膨脹，從而使在逆激光入射方向上，空氣等離子體沖擊波的膨脹前沿距離、膨脹速度、膨脹壓強(qiáng)和前沿處周圍空氣氣體密度均大于順向空氣等離子體沖擊波情形。