第二節(jié)激光與等離子體相互作用

第二節(jié)激光與等離子體相互作用第一頁(yè)，共八十四頁(yè)，2022年，8月28日回憶等離子體及特性帶電粒子+中性粒子準(zhǔn)中性集體行為，最小尺度為德拜長(zhǎng)度等離子體振蕩：langmuir波Saha方程：熱平衡下，氣壓、溫度和電離勢(shì)的關(guān)系第二頁(yè)，共八十四頁(yè)，2022年，8月28日回憶激光等離子體的產(chǎn)生機(jī)理熱驅(qū)動(dòng)：高功率激光作用于金屬表面，產(chǎn)生蒸汽、蒸汽易電離、自由電子吸收激光、進(jìn)一步電離—高功率+金屬光電離：1個(gè)或者數(shù)個(gè)短波長(zhǎng)激光光子被環(huán)境氣體中的原子吸收，由于光子能量大于電離勢(shì)—單光子：紫外；多光子：波長(zhǎng)小于1m電子崩或級(jí)聯(lián)電離：環(huán)境氣體中的自由電子吸收激光能量，運(yùn)動(dòng)速度加快發(fā)生非彈性碰撞，產(chǎn)生電子崩，電子密度呈指數(shù)增長(zhǎng)---環(huán)境氣體+長(zhǎng)波激光。混合機(jī)制:競(jìng)爭(zhēng)及耦合第三頁(yè)，共八十四頁(yè)，2022年，8月28日等離子體點(diǎn)燃時(shí)間什么時(shí)候產(chǎn)生等離子體？1、袁鋼等人(1988)歸納了國(guó)外的大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，提出了激光等離子體點(diǎn)燃的經(jīng)驗(yàn)判據(jù)是：只與激光本身有關(guān)（光強(qiáng)、波長(zhǎng)、脈沖寬度）與靶表面特性無(wú)關(guān)？？第四頁(yè)，共八十四頁(yè)，2022年，8月28日等離子體點(diǎn)燃時(shí)間什么時(shí)候產(chǎn)生等離子體？2、假設(shè)激光氣化開始時(shí)間作為點(diǎn)燃時(shí)間?？梢姷入x子體點(diǎn)燃時(shí)間在ns量級(jí)第五頁(yè)，共八十四頁(yè)，2022年，8月28日等離子體點(diǎn)燃時(shí)間什么時(shí)候產(chǎn)生等離子體？3、從Saha方程出發(fā)，從電子密度變化來考慮，通常認(rèn)為達(dá)到下述條件就是等離子體點(diǎn)燃時(shí)間。視頻1精確地寫出等離子體點(diǎn)燃閾值的統(tǒng)一公式似乎是不可能視頻2第六頁(yè)，共八十四頁(yè)，2022年，8月28日高功率激光作用時(shí)熔深并不隨激光功率增加正比增加，功率增加到一定程度，熔深增加緩慢第七頁(yè)，共八十四頁(yè)，2022年，8月28日高功率激光作用時(shí)等離子體屏蔽激光輻照蒸汽吸收激光蒸汽電離等離子體等離子體膨脹等離子體吸收激光到達(dá)靶面能量減少傳播、吸收、散射、折射第八頁(yè)，共八十四頁(yè)，2022年，8月28日§4.2:激光與等離子體相互作用1、常鐵強(qiáng)等，激光等離子體相互作用與激光聚變，湖南科學(xué)出版社，19912、陸建等，激光與材料相互作用物理學(xué)，機(jī)械工業(yè)出版社，19963、左鐵釧，高強(qiáng)鋁合金的激光焊接，20024、ShalomEliezer，TheInteractionofHigh-PowerLaserswithPlasmas，InstituteofPhysicsPublishingBristolandPhiladelphia，2002第九頁(yè)，共八十四頁(yè)，2022年，8月28日激光與等離子體相互作用質(zhì)量如何，能量都用來干什么了----傳到哪兒去了？激光應(yīng)用有多少激光能量會(huì)被靶等離子體吸收－－靶吸收了多少激光能量？-----能不能傳，傳多少核聚變希望能量傳給熱電子而不是超熱電子核聚變和激發(fā)X射線希望能量被等離子體吸收；而激光焊接則不希望激光能量被等離子體吸收第十頁(yè)，共八十四頁(yè)，2022年，8月28日激光與等離子體相互作用也可以與等離子體的橫波（電磁波）和縱波（靜電和離子聲波）相互作用激光？？可以直接與等離子體的粒子相互作用第十一頁(yè)，共八十四頁(yè)，2022年，8月28日激光在等離子體中的傳播等離子體的頻率：激光是橫波（電磁波）當(dāng)：激光在等離子體中傳播其頻率和波數(shù)k必須滿足色散關(guān)系

(參考文獻(xiàn)1第一章第二節(jié)）：則：第十二頁(yè)，共八十四頁(yè)，2022年，8月28日激光在等離子體中的傳播臨界密度:等離子體頻率等于激光頻率時(shí)的等離子體密度則激光傳播因子：振幅隨空間很快衰減激光只能在密度低于臨界密度的等離子體中傳輸，否則會(huì)被全部反射。如果激光頻率低于等離子體頻率，激光將無(wú)法傳播。第十三頁(yè)，共八十四頁(yè)，2022年，8月28日激光在等離子體中的傳播：激光波長(zhǎng)m激光波長(zhǎng)越短，臨界密度越高激光CO2YAG二倍頻三倍頻飛秒10.6m1.06m532nm355nm880nm10191021第十四頁(yè)，共八十四頁(yè)，2022年，8月28日等離子體臨界密度/cm3焊接光致等離子體密度/cm3傳輸特性CO2激光10191015～1017可激光在等離子體中的傳播焊接時(shí)，CO2激光可在其誘導(dǎo)的等離子體中傳播第十五頁(yè)，共八十四頁(yè)，2022年，8月28日激光與等離子體相互作用示意圖等離子體中電子密度小于臨界密度的區(qū)域稱為暈區(qū)激光只能在暈區(qū)中傳播激光在等離子體中的傳播暈區(qū)大?。簩?duì)于s級(jí)的脈沖激光，暈區(qū)厚度在mm量級(jí)；第十六頁(yè)，共八十四頁(yè)，2022年，8月28日在密度不同的等離子體中傳播的激光，其波長(zhǎng)會(huì)隨著密度的變化而相應(yīng)變化，因?yàn)榧す忸l率在傳播過程中可以認(rèn)為是不變的激光在等離子體中的傳播在激光傳播的時(shí)間間隔內(nèi)，等離子體狀態(tài)可以近似認(rèn)為不變只有當(dāng)?shù)入x子體的狀態(tài)變化很劇烈，在其中傳播的激光頻率才會(huì)產(chǎn)生有意義的變化激光在等離子體中的傳播必須同時(shí)考慮吸收第十七頁(yè)，共八十四頁(yè)，2022年，8月28日激光在等離子體中的傳播正入射：激光傳播方向與等離子體電子密度梯度方向一致斜入射：激光傳播方向與等離子體電子密度梯度方向不一致極化方向：激光電場(chǎng)強(qiáng)度E的方向P極化：極化方向在激光傳播方向和等離子體電子密度梯度方向組成的平面內(nèi)S極化：極化方向垂直于激光傳播方向和等離子體電子密度梯度方向組成的平面激光產(chǎn)生的等離子體密度通常是不均勻的幾個(gè)概念第十八頁(yè)，共八十四頁(yè)，2022年，8月28日激光在等離子體中的傳播幾個(gè)概念群速度相速度則高等光學(xué)第十九頁(yè)，共八十四頁(yè)，2022年，8月28日激光在等離子體中的傳播正入射的激光可以到達(dá)臨界面斜入射的激光束不能達(dá)到臨界面，而將在某個(gè)低于臨界電子密度的地方轉(zhuǎn)向－－折返點(diǎn)，此處電子密度：激光只能在x<0的區(qū)域內(nèi)傳播第二十頁(yè)，共八十四頁(yè)，2022年，8月28日激光在等離子體中的傳播模型

1、假設(shè)為絕熱氣體膨脹：必須從能量觀點(diǎn)出發(fā)，運(yùn)用靶邊界條件去求解激光傳播方程1、蒸汽等離子體膨脹過程但對(duì)于調(diào)Q激光器，氣化厚度為1m的Al靶表面所需時(shí)間為ns量級(jí)，即氣化只會(huì)消耗激光脈沖的部分能量，而余下的激光脈沖能量還會(huì)對(duì)蒸汽繼續(xù)發(fā)揮作用，點(diǎn)燃等離子體，產(chǎn)生沖擊波……第二十一頁(yè)，共八十四頁(yè)，2022年，8月28日激光在等離子體中的傳播方程2、一維激光能量傳播模型[2]：蒸汽等離子體向真空膨脹視為一維膨脹；忽略散射和熱傳導(dǎo)，考慮靶表面蒸汽的熱輻射；考慮靶表面的反射效應(yīng)；認(rèn)為蒸汽等離子體處于局部熱力學(xué)平衡；第二十二頁(yè)，共八十四頁(yè)，2022年，8月28日激光在等離子體中的傳播方程2、一維激光能量傳播方程：忽略散射和熱傳導(dǎo)，一維傳播方程為：由基爾霍夫定律：第二十三頁(yè)，共八十四頁(yè)，2022年，8月28日激光在等離子體中的傳播方程2、一維激光能量傳播方程：將(2)代入(1)：若已知，則可以對(duì)(4)進(jìn)行積分，從而得到P(x)。定義蒸汽等離子體中x0和x之間的光學(xué)厚度為：研究高溫等離子體所產(chǎn)生的熱輻射過程則(4)可以改寫成：第二十四頁(yè)，共八十四頁(yè)，2022年，8月28日激光在等離子體中的傳播方程2、一維激光能量傳播方程：x0為蒸汽等離子體邊界：(6)為一個(gè)非齊次的線性方程，根據(jù)邊界條件，可求得的解析解為：第二十五頁(yè)，共八十四頁(yè)，2022年，8月28日激光在等離子體中的傳播方程2、一維激光能量傳播方程：對(duì)于蒸汽等離子體，B(T)與x無(wú)關(guān)，設(shè)為常數(shù)，x0=0，則(8)可以改寫成：假設(shè)靶表面沒有反射、等離子體溫度一樣第二十六頁(yè)，共八十四頁(yè)，2022年，8月28日激光在等離子體中的傳播方程多層蒸汽等離子體二維、三維考慮靶表面發(fā)射邊界條件考慮等離子體內(nèi)部溫度差異：多溫電子等離子體3、其它第二十七頁(yè)，共八十四頁(yè)，2022年，8月28日激光在等離子體中的傳播方程3、其它由波的傳播Maxwell方程+流體力學(xué)方程+邊界條件其中電流密度j，決定于等離子體的電子、離子的運(yùn)動(dòng)。用流體力學(xué)近似描述：第二十八頁(yè)，共八十四頁(yè)，2022年，8月28日激光在等離子體中的傳播方程密度和速度由流體力學(xué)方程給出：質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒+邊界條件3、其它第二十九頁(yè)，共八十四頁(yè)，2022年，8月28日激光在等離子體中的吸收機(jī)制：正常吸收+反常吸收等離子體通過多種機(jī)制吸收在其中傳播的激光能量，使自己的溫度升高，電離度增大。正常吸收：即逆韌致吸收，電子在激光電場(chǎng)作用下發(fā)生高頻振蕩，并且以一定概率與粒子（主要是離子）相碰撞，把能量交給比較重的粒子（離子和原子），從而使等離子體升溫的過程。第三十頁(yè)，共八十四頁(yè)，2022年，8月28日激光在等離子體中的吸收逆韌致吸收----等離子體吸收激光能量的重要機(jī)制逆韌致吸收：又分為線性吸收（電子速度為marxwell分布及非線性（電子速度分布與激光電場(chǎng)有關(guān)）。非線性逆韌致吸收發(fā)生在激光強(qiáng)度足夠高時(shí)。第三十一頁(yè)，共八十四頁(yè)，2022年，8月28日激光在等離子體中的吸收反常吸收非碰撞機(jī)制，使激光能量轉(zhuǎn)化為等離子體波能量的過程。這些波所攜帶的能量通過各種耗散機(jī)制轉(zhuǎn)化為等離子體熱能，也會(huì)使等離子體升溫。反常吸收分共振吸收和多種非線性參量不穩(wěn)定性產(chǎn)生的吸收兩類共振吸收：在臨界面附近將P極化激光束的能量轉(zhuǎn)化為電子Langmuir波能量參量不穩(wěn)定性：可視為激光能量衰變成其它波的過程，包括不同的于激光頻率的電磁波（散射）第三十二頁(yè)，共八十四頁(yè)，2022年，8月28日激光在等離子體中的吸收各種機(jī)制相互競(jìng)爭(zhēng)和耦合對(duì)于短波長(zhǎng)激光，碰撞吸收是主要的，它抑制了其它吸收過程第三十三頁(yè)，共八十四頁(yè)，2022年，8月28日經(jīng)典的兩體碰撞理論：受外場(chǎng)作用的自由電子將具有加速度并能發(fā)射和吸收電磁波。忽視離子的能量變化，由動(dòng)量守恒、能量守恒可得等效吸收系數(shù)：和激光頻率的平方成反比---波長(zhǎng)的平方成正比？？和等離子體溫度的3/2次方成反比激光吸收和等離子體密度的平方成正比激光在等離子體中的吸收線性逆韌致吸收[1]第三十四頁(yè)，共八十四頁(yè)，2022年，8月28日激光在等離子體中的吸收線性逆韌致吸收等效吸收系數(shù)為：將：代入：由于激光吸收系數(shù)近似和波長(zhǎng)平方成反比第三十五頁(yè)，共八十四頁(yè)，2022年，8月28日激光在等離子體中的吸收線性逆韌致吸收短波長(zhǎng)激光，臨界密度大，即激光可以傳播到更高等離子體密度的地方，導(dǎo)致更多吸收—距離遠(yuǎn)第三十六頁(yè)，共八十四頁(yè)，2022年，8月28日激光在等離子體中的吸收線性逆韌致吸收考慮量子效應(yīng)和多體碰撞，Dawson等計(jì)算得線性吸收系數(shù)為:與等離子體溫度有關(guān)第三十七頁(yè)，共八十四頁(yè)，2022年，8月28日激光在等離子體中的吸收線性逆韌致吸收逆韌致吸收和靶物質(zhì)及其電離度、激光波長(zhǎng)、等離子體的溫度有較敏感的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬表明Te隨激光強(qiáng)度而增加，隨波長(zhǎng)的減小而減小第三十八頁(yè)，共八十四頁(yè)，2022年，8月28日應(yīng)該考慮集體效應(yīng)韌致過程的量子統(tǒng)計(jì)研究韌致過程是在電子碰撞過程中產(chǎn)生的。在等離子體中每一個(gè)帶電粒子都會(huì)受到周圍其他帶電粒子的屏蔽，從而影響了這一過程。韌致過程中發(fā)射或吸收的電磁波還必須滿足等離子體中的橫波色散關(guān)系考慮了電子屏蔽問題常鐵強(qiáng)等考慮了離子屏蔽問題但是，忽略了動(dòng)量的二次項(xiàng)經(jīng)典近似，都存在庫(kù)侖長(zhǎng)程力引起的積分發(fā)散問題。處理辦法：取一個(gè)適當(dāng)?shù)淖钚∨鲎簿嚯x。高能電子，取電子的DeBroglie波長(zhǎng)hmev,低能電子則取電子動(dòng)能和其在庫(kù)侖場(chǎng)中勢(shì)能相等時(shí)相應(yīng)的碰撞距離還應(yīng)該考慮量子效應(yīng)第三十九頁(yè)，共八十四頁(yè)，2022年，8月28日韌致過程的量子統(tǒng)計(jì)研究常鐵強(qiáng)等從量子統(tǒng)計(jì)出發(fā)，采用Fermi－Dirac分布函數(shù)代替Maxwell分布，對(duì)等離子體的韌致輻射作了細(xì)致研究。包含了電子屏蔽、離子屏蔽，消除了積分的發(fā)散。參考文獻(xiàn)1對(duì)于高功率激光產(chǎn)生的等離子體，溫度高而密度低，電子的DeBroglie波長(zhǎng)比電子平均距離小很多，此時(shí)量子效應(yīng)不重要第四十頁(yè)，共八十四頁(yè)，2022年，8月28日考慮集體效應(yīng)的韌致過程f<1短波長(zhǎng)激光能夠大大提高激光逆韌致吸收效率，由于集體效應(yīng)的影響，即使波長(zhǎng)再短，吸收效率也不會(huì)達(dá)到1第四十一頁(yè)，共八十四頁(yè)，2022年，8月28日考慮集體效應(yīng)的韌致過程集體效應(yīng)總使電子和離子間庫(kù)侖力減小，從而減小了加速度等離子體溫度越高，集體效應(yīng)影響越大激光波長(zhǎng)越短，集體效應(yīng)影響越大屏蔽效應(yīng)的影響基本來自電子屏蔽第四十二頁(yè)，共八十四頁(yè)，2022年，8月28日非線性逆韌致吸收前面的討論一直假定電子的速度分布符合Maxwell分布，即由電子的溫度決定當(dāng)激光足夠強(qiáng)時(shí)，電子的振蕩速度會(huì)超過電子熱速度，此時(shí)電子速度分布就會(huì)和電場(chǎng)有關(guān)，變成非線性逆韌致吸收當(dāng)激光足夠強(qiáng)時(shí)，其電場(chǎng)可以和原子核產(chǎn)生的電場(chǎng)相比時(shí)，還會(huì)發(fā)生多光子過程非線性逆韌致吸收系數(shù)大大偏離線性吸收系數(shù)，但在激光核聚變的范圍內(nèi)，不會(huì)有重要偏離。非線性逆韌致吸收系數(shù)與5/E3有關(guān)第四十三頁(yè)，共八十四頁(yè)，2022年，8月28日激光的共振吸收斜入射的P極化激光束在臨界面附近可以發(fā)生共振吸收假定等離子體電子密度只是在x方向不均勻；當(dāng)激光束傳播到折返點(diǎn)時(shí)，激光電場(chǎng)方向正好就是電子密度梯度方向。折返點(diǎn)到臨界面激光電場(chǎng)逐漸減弱，但臨界面處電場(chǎng)并不為零。第四十四頁(yè)，共八十四頁(yè)，2022年，8月28日激光的共振吸收斜入射的P極化激光束在臨界面附近可以發(fā)生共振吸收沿著電子密度梯度方向的激光電場(chǎng)將導(dǎo)致等離子體電荷分離，引起等離子體振蕩臨界點(diǎn)處的等離子體頻率等于激光頻率，因而發(fā)生共振，使電場(chǎng)強(qiáng)度的振幅變得很大，導(dǎo)致激光共振吸收第四十五頁(yè)，共八十四頁(yè)，2022年，8月28日此靜電波沿電子密度梯度方向向低密的等離子體中傳播，群速度逐漸增加，電場(chǎng)強(qiáng)度的振幅逐漸減少激光的共振吸收某些電子在這個(gè)靜電波的電場(chǎng)中得到加速，達(dá)到很高的速度。這些很高速度的電子的加速導(dǎo)致“波破裂”，釋放超熱電子共振吸收是產(chǎn)生超熱電子的重要機(jī)制之一共振吸收是波的模式的一種轉(zhuǎn)換－－橫向的電磁波變成了縱向的靜電波第四十六頁(yè)，共八十四頁(yè)，2022年，8月28日反常吸收經(jīng)典的逆韌致吸收系數(shù)很小釹玻璃激光通常只考慮逆韌致吸收要考慮反常吸收第四十七頁(yè)，共八十四頁(yè)，2022年，8月28日反常吸收通過波－波相互作用和波－離子相互作用使電子獲得能量的過程稱作反常吸收通過靜電波（Langmuir）加速和加熱電子，通過Landau阻尼和波的破裂把波的能量交給電子發(fā)生在小于和等于臨界密度區(qū)－－暈區(qū)物理第四十八頁(yè)，共八十四頁(yè)，2022年，8月28日反常吸收種類參量衰變受激Raman散射受激Brillouin散射雙等離子體衰變自聚焦成絲第四十九頁(yè)，共八十四頁(yè)，2022年，8月28日CO2激光焊接的光致等離子體CO2激光焊接光致等離子體中通常只含有一價(jià)離子，即：根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的等離子體溫度和密度，計(jì)算得到：功率密度為P0的光束穿過長(zhǎng)度為x的等離子體后，功率密度將為：第五十頁(yè)，共八十四頁(yè)，2022年，8月28日CO2激光焊接的光致等離子體隨著等離子體尺度增加，激光功率密度大幅度下降計(jì)算結(jié)果第五十一頁(yè)，共八十四頁(yè)，2022年，8月28日CO2激光焊接的光致等離子體實(shí)際上，最多吸收50％原因如下：當(dāng)?shù)入x子體上升到一定高度后，等離子體將脫離試件，從而使等離子體長(zhǎng)度減小等離子體密度和溫度不均勻，后部密度小。溫度低，對(duì)激光的吸收小理論與實(shí)際存在很大差異第五十二頁(yè)，共八十四頁(yè)，2022年，8月28日激光焊接中的光致等離子體激光焊接金相照片（橫截面）又寬又淺，深寬比小又窄又深，深寬比大第五十三頁(yè)，共八十四頁(yè)，2022年，8月28日激光在等離子體中折射等離子體的折射率，可根據(jù)等離子體中的色散關(guān)系求得，如果忽略等離子體中帶電粒子的影響，則：CO2激光焊接時(shí)，光致等離子體的振蕩頻率小于激光束的圓頻率，因此折射率總是實(shí)數(shù)，且恒小于1參考文獻(xiàn)3第五十四頁(yè)，共八十四頁(yè)，2022年，8月28日CO2激光焊接中的光致等離子體折射光致等離子體不均勻，造成激光束傳輸方向的改變其偏轉(zhuǎn)角與等離子體的電子密度梯度和長(zhǎng)度有關(guān)幾千瓦至十幾千瓦CO2激光誘導(dǎo)的等離子體對(duì)激光束的偏轉(zhuǎn)角度約為10－2rad數(shù)量級(jí)第五十五頁(yè)，共八十四頁(yè)，2022年，8月28日CO2激光焊接光致等離子體折射效應(yīng)測(cè)量光致等離子體對(duì)激光束造成的偏轉(zhuǎn)激光束發(fā)生偏轉(zhuǎn)位置不同，發(fā)生偏轉(zhuǎn)的角度不同發(fā)生偏轉(zhuǎn)第五十六頁(yè)，共八十四頁(yè)，2022年，8月28日CO2激光焊接光致等離子體折射效應(yīng)第五十七頁(yè)，共八十四頁(yè)，2022年，8月28日CO2激光焊接光致等離子體折射效應(yīng)第五十八頁(yè)，共八十四頁(yè)，2022年，8月28日CO2激光焊接光致等離子體折射效應(yīng)Beck等人假設(shè)等離子體為橢球形、具有類高斯的溫度分布，結(jié)合Saha方程和激光束在等離子體中傳輸?shù)纳㈥P(guān)系，采用有限差分法直接求解波動(dòng)方程來計(jì)算激光束在等離子體中的傳輸。結(jié)論：等離子體可使激光束產(chǎn)生嚴(yán)重散焦一個(gè)高4mm的表面金屬蒸汽等離子體可使光束直徑擴(kuò)大2.5倍－－激光功率密度下降5倍多第五十九頁(yè)，共八十四頁(yè)，2022年，8月28日CO2激光焊接光致等離子體折射效應(yīng)左鐵釧等實(shí)驗(yàn)測(cè)量光致等離子體對(duì)激光聚焦形態(tài)的影響原理：高功率激光焊接時(shí)，激光移開后，等離子體仍然存在，采用紙記錄等離子體形態(tài)發(fā)現(xiàn)：光斑變大，焦點(diǎn)下移第六十頁(yè)，共八十四頁(yè)，2022年，8月28日等離子體對(duì)激光的散射Malsunnawa研究YAG激光輻照Ti靶形成的蒸汽羽光散射是由蒸發(fā)原子的重聚形成的超細(xì)微粒造成的超細(xì)微粒尺寸與氣壓有關(guān)，平均大小可達(dá)80nm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于入射光波長(zhǎng)低氣壓時(shí)，超細(xì)微粒較小，散射大大減弱金屬蒸汽對(duì)激光存在較強(qiáng)光散射發(fā)現(xiàn)：第六十一頁(yè)，共八十四頁(yè)，2022年，8月28日等離子體對(duì)激光的散射球形粒子引起的瑞利散射強(qiáng)度：第六十二頁(yè)，共八十四頁(yè)，2022年，8月28日空間隨機(jī)分布的多個(gè)粒子引起的瑞利散射的等效吸收系數(shù)為：散射損失反比于波長(zhǎng)的4次方波長(zhǎng)越短，散射越大對(duì)于YAG激光，雖然由于波長(zhǎng)短，不易形成等離子體，吸收小，但散射損耗大，仍然要控制等離子體等離子體對(duì)激光的散射第六十三頁(yè)，共八十四頁(yè)，2022年，8月28日等離子體對(duì)激光的散射CO2激光，未見散射報(bào)道波長(zhǎng)長(zhǎng)，散射小第六十四頁(yè)，共八十四頁(yè)，2022年，8月28日

激光深熔焊接過程中形成的光致等離子體對(duì)焊接質(zhì)量有很大影響。具有兩重性,這取決于等離子體的存在狀態(tài)。當(dāng)?shù)入x子體處于蒸發(fā)溝槽之內(nèi)或?yàn)楸砻姹訝顣r(shí),等離子體可以強(qiáng)化吸收；而當(dāng)?shù)入x子體變成云團(tuán)時(shí),將對(duì)激光散射和折射，阻礙激光與材料的耦合。激光焊接的等離子體行為第六十五頁(yè)，共八十四頁(yè)，2022年，8月28日激光焊接中的光致等離子體從溫度看，激光焊接光致等離子體屬低溫等離子體從空間位置和等離子體的強(qiáng)弱來看，在不同的激光功率密度條件下，可以將激光等離子體分為三類：等離子體呈周期性變化等離子體非常稀少并附在工件表面等離子體在工件上方形成穩(wěn)定的近似球形的云團(tuán)第六十六頁(yè)，共八十四頁(yè)，2022年，8月28日激光焊接的等離子體行為20kW射頻激勵(lì)快速軸流CO2激光器焊接鑄造鋁合金第六十七頁(yè)，共八十四頁(yè)，2022年，8月28日激光深熔焊接過程中產(chǎn)生的等離子體云團(tuán)對(duì)入射激光具有屏蔽作用，影響正常焊接過程。等離子體的吸收和散射作用影響了激光的傳輸效率，降低了到達(dá)工件上的激光能量；而等離子體的負(fù)透鏡效應(yīng)（折射）擴(kuò)大了激光能量在工件上的作用區(qū)，從而降低了焊接質(zhì)量。激光焊接中的光致等離子體等離子體對(duì)激光的折射行為是引起等離子體屏蔽的主要原因。在激光深熔焊接過程中，等離子體對(duì)激光的折射作用大大降低了耦合到工件表面的能量密度，并且導(dǎo)致激光實(shí)際聚焦位置比正常聚焦位置偏低。等離子體的吸收和散射作用影響了激光的傳輸效率，降低了到達(dá)工件上的激光能量；而等離子體的負(fù)透鏡效應(yīng)（折射）擴(kuò)大了激光能量在工件上的作用區(qū)，從而降低了焊接質(zhì)量。第六十八頁(yè)，共八十四頁(yè)，2022年，8月28日影響等離子體的因素激光焊接中的光致等離子體工藝參數(shù)：焊接速度、聚焦光斑大小等材料性質(zhì)：熱導(dǎo)率、電離能、汽化熱等第六十九頁(yè)，共八十四頁(yè)，2022年，8月28日影響等離子體的因素激光焊接中的光致等離子體激光參數(shù)：激光功率密度、波長(zhǎng)、光斑大小都對(duì)等離子體有影響。功率密度越大，等離子體的溫度越高，但功率密度過大會(huì)導(dǎo)致等離子體不穩(wěn)定；激光波長(zhǎng)越長(zhǎng)，等離子體的臨界密度越??；激光光斑直徑越小，等離子體就越難以形成。焊接環(huán)境：環(huán)境壓力、環(huán)境氣體及氣體流量都會(huì)對(duì)等離子體產(chǎn)生影響。環(huán)境壓力越低，蒸氣密度及電子密度就會(huì)越低，從而等離子體越不易產(chǎn)生；環(huán)境氣體電離能越低、導(dǎo)熱性越差越容易形成等離子體；環(huán)境氣體流量越大，等離子體體積就越小，但是其流量過大會(huì)使匙孔擴(kuò)大、熔化金屬飛濺。第七十頁(yè)，共八十四頁(yè)，2022年，8月28日激光焊接中的光致等離子體

光致等離子體的控制方法：以期達(dá)到減小或消除它對(duì)激光干擾的目的。激光擺動(dòng)法。在焊接過程中，激光束沿焊接方向來回?cái)[動(dòng)，在匙孔出現(xiàn)后而等離子體形成以前，將光斑瞬時(shí)移至熔池的后緣，等離子體來不及擴(kuò)展，光束又向前移動(dòng)形成新的小孔，如此周而復(fù)始。這種方法能獲得比脈沖激光焊接更深和更大深寬比的焊縫，但是這種方法在實(shí)際操作中不易控制。脈沖激光焊接法通過調(diào)整激光的脈沖頻率，使激光的輻照時(shí)間小于等離子體的形成時(shí)間，從而抑制等離子體的產(chǎn)生。但這種方法容易引起焊縫的波動(dòng)。第七十一頁(yè)，共八十四頁(yè)，2022年，8月28日激光焊接中的光致等離子體光致等離子體的控制方法：外加電磁場(chǎng)控制法。由于等離子體是被電離的氣體。在外加電磁場(chǎng)的作用下，等離子體中的帶電粒子會(huì)受到電磁力作用，控制電場(chǎng)和磁場(chǎng)的方向和大小，可以改變等離子體中的帶電粒子的分布和運(yùn)動(dòng)，達(dá)到控制等離子體的目的。利用外加電磁場(chǎng)控制等離子體，方法簡(jiǎn)單，成本較低，但在實(shí)際中難以操作。Tse等人研究發(fā)現(xiàn)，用氬氣作保護(hù)氣體時(shí)，磁場(chǎng)抑制等離子體的效果比用氦氣作保護(hù)氣體時(shí)的明顯，且熔深有顯著增加。包剛等人觀察出，其他條件不變時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度越大，焊縫熔深越大；并且在其他條件一定時(shí)，存在最佳電壓值，能獲得最大熔深。第七十二頁(yè)，共八十四頁(yè)，2022年，8月28日激光焊接中的光致等離子體光致等離子體的控制方法：吹輔助氣體法。在激光焊接過程中，吹保護(hù)氣體是利用保護(hù)氣體流動(dòng)的能量將金屬蒸汽和等離子體從激光光路吹除，或通過增加電子、離子和中性原子三體碰撞來增加電子的復(fù)合速度，以降低等離子體的電子密度。導(dǎo)熱性好、電離能高的輔助氣體能更有效的控制等離子體。通常使用的輔助氣體中氦氣控制等離子體的效果最好。吹輔助氣體控制等離子體的方法相對(duì)靈活且簡(jiǎn)單，可以同時(shí)起到控制等離子體和保護(hù)熔池的雙重作用。因此在實(shí)際中得到廣泛應(yīng)用，但該方法對(duì)側(cè)吹氣體的位置、角度、壓力都有嚴(yán)格的要求，而且還可能惡化焊縫成形。第七十三頁(yè)，共八十四頁(yè)，2022年，8月28日激光焊接中的光致等離子體光致等離子體的控制方法：Beck等人發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Ar:He=1:3混合時(shí)抑制等離子體的效果最好。張林杰等人分析指出對(duì)流冷卻作用是側(cè)吹氣體能夠抑制等離子體的重要原因，優(yōu)化的側(cè)吹噴嘴高度和側(cè)吹流速可以有效地抑制光致等離子體。唐霞輝等人利用同軸雙層噴嘴輔助氣體對(duì)等離子體進(jìn)行控制，發(fā)現(xiàn)用He+15%Ar混合氣體作保護(hù)氣體能顯著改善熔深，并且隨著外層噴嘴環(huán)形氣體壓力的增大可以很好地控制等離子體。李國(guó)華等人研究了大功率CO2激光焊在不同側(cè)吹氣體流量下，側(cè)吹氣流方向不同對(duì)其焊接過程穩(wěn)定性和焊縫成形的影響。結(jié)果表明，氣流方向與焊接方向相反時(shí)，可獲得更穩(wěn)定的焊接過程和更大的熔深。第七十四頁(yè)，共八十四頁(yè)，2022年，8月28日低氣壓或真空焊接