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。

多,计算量越大,计算越复杂。我们下面将计算F=N=15的情况,结果可以给出烧面处的密度、速度和温度随时间的演化,尤其是温度分布相当有用,为进一步研究脉冲激光烧蚀块状靶材的固液相部分提供了理论基础。另外,由于强逆韧致辐射吸收效应,使得激光能量的98%以上沉积在等离子体的电晕区[2],因此在研究近烧蚀面的性质时,可以忽略方程(6)中的源相。此外,由于所得的方程组的非线型性,普通的适用于计算线性方程组的Gauss迭代法不在适用,我们选用Pichard迭代法,只要适当选择零级迭代的初始值,我们就可以编程计算出烧蚀面处的温度、密度和速度的分布及随时间的演化。　　用计算机进行模拟计算,需要输入迭代次数,以及进行循环判断的精度。此外,根据计算的材料和脉冲激光能量的不同分别输入平均原子量、平均电荷等。输出的是等离子体的速度、密度和温度在不同格点不同时间时的值,下面将数值计算的结果与已有的实验和理论工作进行比较。

5　结果分析与讨论

　　文献[4,5]从理论计算和实验对平板靶材的激光烧蚀进行了研究,但并没有涉及到固相和液相的问题,在烧蚀面处作了绝热假设。文献[1]研究的对象虽然是块状靶材,但激光烧蚀的结果不产生等离子体,激光源直接作用在烧蚀面上。本文研究的对象为块状靶材,烧蚀面处温度保持在材料的汽化温度,且其温度与液相部分的温度分布是连续的。

　　为将本文的模拟计算得结果与已有理论结果进

行分析和比较,采用Lambda,EMG201MSC准分

子激光器,输出脉冲激光功率密度为109W cm-2,

脉冲宽度为15ns,利用实验已制备好的直径30mm、

厚度约为8mm的KTa0.65Nb0.35O3作为靶材料,所

用的网格为:F=N=15。图2给出了等离子体的速

度的分布,图3给出了烧蚀面附近x=1mm处等离

子体的密度和温度随时间的演化关系。

　　由图2可以看出,由脉冲激光作用产生的等离

子体的速度近似呈线性关系上升。这一数值模拟的

结果与文献[3]中预测的结果符合得较好,定量地验Fig.2　Theprofileofplasmavelocityas

afunctionofthedistancex证了文献[3]所作的定性预测。图3(a)显示烧蚀面

图2　等离子体速度随坐标x变化曲线附近x=1mm处等离子体密度随时间的演化过程。

可以看出在脉冲激光作用初期,等离子体的密度迅

速上升,然后是缓慢增加。这是因为从烧蚀面喷射出的等离子体沿垂直于烧蚀面的初始速度很小,故在烧蚀面附近形成高密高压等离子体,高的压力梯度使得等子体具有很大的加速度,随着时间的推进,等离子体的速度也迅速增加而沿垂直于靶材表面方向喷射出去。而且,从实验中我们确实已经观察到,从

烧蚀面喷射出的等离子体在烧蚀面附近形成了一拉长

Fig.3　Theprofileoftheplasmadensityandtemperatureneartheablationsurfaceasafunctionoftime

图3　近烧蚀面等离子体的密度和温度随时间的变化规律