脉冲激光烧蚀材料等离子体反冲压力物理模型研究与应用∗

蔡颂 陈根余 周聪 周枫林 李光

1)(湖南工业大学机械工程学院,株洲 412007)

2)(湖南大学,汽车车身先进设计制造国家重点实验室,长沙 410082)

脉冲激光烧蚀材料等离子体反冲压力物理模型研究与应用∗

蔡颂1)2)陈根余2)周聪2)周枫林1)†李光1)‡

1)(湖南工业大学机械工程学院,株洲 412007)

2)(湖南大学,汽车车身先进设计制造国家重点实验室,长沙 410082)

(2017年1月24日收到;2017年5月3日收到修改稿)

分析了脉冲激光烧蚀材料等离子体等温膨胀阶段的物理特性,建立了脉冲激光烧蚀材料等离子体压力三维方程与动力学模型.应用所建模型,数值分析了单脉冲激光烧蚀青铜金刚石砂轮等离子体相关特性,得到等离子体的反冲压力最大值870 Pa出现在约25 ns后,距离砂轮表面距离约0.05 mm处.相关条件下开展脉冲激光烧蚀青铜金刚石砂轮试验,采用高速相机观测烧蚀砂轮过程中的飞溅现象;采用光栅光谱仪测量等离子体空间发射光谱,计算了等离子体电子温度、电子密度以及反冲压力.实验表明脉冲激光烧蚀青铜金刚石砂轮等离子体反冲压力可以不计,同时也验证了气体方程与动力学模型的正确性和可行性,对脉冲光纤激光烧蚀工艺优化具有启示意义.

激光烧蚀,等离子体,青铜金刚石砂轮,反冲压力

1 引 言

激光烧蚀材料(相对于纳秒水平)的整个过程涉及四相(气态、液态、固态以及等离子态)的相互转变[1,2].目前,国内外学者已对激光烧蚀材料等离子体数学模型进行了研究.其中,Chen等[3]提出了一……