利用质量连续性、动量守恒和能量守恒这三个基本方程,研究高能脉冲激光照射块状靶材产生等离子体的物理特性。采用差分法和Pichard迭代法,求解带特定边界条件的流体力学三方程,得出已喷射等离子体的温度、密度和速度的分布的迭代方程,并用计算机进行了数值模拟。

　第13卷　第3期

　2001年5月强激光与粒子束HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMS.13,No.3　VolMay,2001　文章编号:　1001—4322(2001)03—0317—04

脉冲高能准分子激光烧蚀块靶产生等离子体

的动力学过程的差分模拟①

钟志成,　李智华,　张端明,　关　丽

(华中科技大学物理系,湖北武汉430074)

　　摘　要:　利用质量连续性、动量守恒和能量守恒这三个基本方程,研究高能脉冲激光照射块状靶

材产生等离子体的物理特性。采用差分法和Pichard迭代法,求解带特定边界条件的流体力学三方程,

得出已喷射等离子体的温度、密度和速度的分布的迭代方程,并用计算机进行了数值模拟。

　　关键词:　块状靶材;　脉冲激光;　等离子体;　烧蚀面;　流体动力学

　　中图分类号:　O53　　　　文献标识码:　A

　　近年来,高能量脉冲激光已被广泛地应用到各个领域。脉冲激光烧蚀块状靶材,在实验上已经取得了一定的进展[1,2]。但对脉冲激光烧蚀靶材的机理研究,国内尚未见有这方面的文献,国外仅有K.Singh和DeGroot等篇文献而已[3～5],而且大部分都是研究平板靶材,对块状靶材烧蚀的整个模型的研究几乎还没有。深入研究脉冲激光与块状靶材相互作用产生等离子体的动力学过程,不仅有助于弄清楚脉冲激光的作用机理,扩大脉冲激光加工技术,使之在电子、脉冲激光制膜(PLD技术)及航空航天等领域得到广泛的应用,而且能开辟新的脉冲激光应用领域。

1　理论模型

　　高能脉冲激光照射块状靶材时,靶材吸收激光的

能量产生高温高压等离子体且靶材部分被融化,因此

高能脉冲激光与块状靶材相互作用后,可以粗略地将

对象分为三个区,如图1所示:(1)为脉冲激光照射靶

材,在靶材表面形成高温高密等离子体区;(2)为脉冲

激光融化靶材产生的液相区;(3)为没有被脉冲激光融

化但仍然吸收激光能量的固相区。另外,脉冲激光的加

热及融化效应,原本构成了一个三维热流问题,但在脉

冲激光作用的Σ时间内(ns),热宏观扩散距离很小,融

化温度与激光照射面积相比相当小,因此垂直于靶材

表面方向的温度梯度比平行于靶表面方向的温度梯度Fig.1　Schematicdiagramofthebulktargetaffectedbypulsedlaser图1　脉冲激光作用下块靶状态示意图大几个数量级,因此可以将该过程简化成一个一维热流问题。

　　高能脉冲激光(功率密度大于108W cm-2)照射靶材,在其表面产生显著的原子激发和离化,蒸气中除了包含大量的中性粒子外,还包括电子和多种离子[6],从而形成等离子体云。在脉冲激光作用初期,由实验可以观察到[7],等离子体的横向尺寸为mm数量级,而其纵向尺寸小于1Λm,因此等离子体的纵向压力梯度比其横向压力梯度大得多。而等离子体的膨胀速度是受压力梯度控制的,故等离子体膨胀的横向速度比纵向速度大得多。经过一段时间后,等离子体云在空间形成一拉长的等离子体羽辉。等离子体云根据其密度的大小可以分为两个区:电晕区A和导热区B[4]。无论是对于电晕区还是导热区,因等离子体可近似看作为理想气体,故单流体、理想流体的动力学方程可以被采用。

①收稿日期:2001203209;　　修订日期:2001204219基金项目:华中科技大学激光技术国家重点实验室资助课题(9731D);湖北省教育厅重大科研项目(2000B5002)作者简介:钟志成(19622),男,博士,副教授,长期从事激光制膜方面的研究;E2mail:zhangd@。