毫秒脉冲激光辐照下金属靶材温度场的实测与模拟

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本文针对毫秒激光辐照金属靶材后的物理过程,分析了毫秒脉冲激光与金属靶材相互作用机理,对辐照过程中影响辐照效果的一些因素进行了总结,基于热传导基本方程,推导出几种无限大平面的热传导方程,并给出了相应边界条件。根据推导的热传导方程,利用有限元法结合实验用Me-lar-50激光器的参数对常见金属铜片、铝片进行了温度的数值模拟,对同脉宽不同能量下铝、铜表面温度径向变化;低电压下不同脉宽下铝、铜表面温度径向变化;同脉宽不同能量下铝、铜内部温度场轴向变化;低电压下不同脉宽下铝、铜内部轴向温度场变化进行了分析对比。当脉冲持续时间为1.5ms时,作用铝和铜的温度场变化差别极大,反映了吸收系数对靶材温升的影响,吸收系数高的温度升的更快。当能量在一定低值时候,通过提升脉宽时间可以有效提高靶材温升;当能量超过一定数值后,通过增加脉宽来提升靶材温升效果就不特别明显。利用KLEIBER KMGA740高速测温仪对Me-lar-50激光器辐照后的各种情况进行了实验测试,得到了铜片、铝片表面温度变化的实验数据,激光器在相同低电压下,虽然脉宽不同能量不同,但作用后的温升的初始变化趋势基本相同,初始阶段温升变化曲线是几乎重合的,这与理论模拟计算结果相一致。在激光器电压、光斑大小相同的情况下增加激光脉宽可以有效提升作用效果增加温升,小脉宽大能量对于提高辐照后瞬间最高温度相对更好些。
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