纳秒激光诱导空气冲击波的演化过程研究

李娜，于远达，高勋，林景全

（长春理工大学 理学院，长春 130022）

纳秒脉冲激光与物质相互作用的过程中，当激光功率密度大于108W/cm2时，就会诱导击穿靶材从而产生等离子体，伴随着激光等离子体的膨胀过程，就会产生等离子体冲击波（shock wave）[1]。在等离子体冲击波向前膨胀的过程中，压缩冲击波前位置的周围环境空气形成间断层，从而改变环境空气的物理特性[2]。目前激光等离子体冲击波方面的研究逐渐成为激光等离子体领域的研究热点，在激光推进[3]、激光薄膜沉积[4]、激光冲击波清洗（Laser Shockwave Cleaning）[5]、激光微结构切割[6]、激光冲击强化（Laser Shock Deposition）[7]等领域有着广泛潜在应用。

高功率密度的纳秒脉冲激光聚焦辐照靶材表面，脉冲前沿激光烧蚀靶材，诱导产生激光等离子体，逆激光入射方向快速膨胀，诱导产生的激光等离子体会吸收脉冲后沿激光能量，从而使激光等离子体内能增加，使得激光诱导等离子体冲击波在逆激光入射方向的膨胀速度达到104m/s[8]。章玉珠等人[9]利用波长 1 064 nm 的Nd：YAG激光作用在铝靶表面，得到了离焦量对冲击波力学效应的影响。张兴卫等人[10]利用阴影成像技术记录了激光作用在铝合金靶材上冲击波传播的时间演化物理过程。李超等人[11]对连续/脉冲复合激光光束辐照在铝靶材的热作用进行了仿真计算，得到了时间延时对连续/脉冲复合激光作用靶材的温度时间演化影响。刘天航等人[12]采用时间分辨阴影成像技术对空气中355 nm的纳秒激光作用在铝靶产生的等离子体冲击波进行了研究，得到了焦点位置对空气击穿和在靶材上产生的等离子体膨胀都有重大影响。近年来国内对冲击波参数进行了深入研究，取得了很多空气冲击波的传播和衰减的研究成果，杨科之等人[13]对爆炸空气冲击波的传播和衰减规律进行了研究。卞保民等人[14]根据空气中等离子体冲击波传播方程给出了冲击波波阵面压强、速度等重要参数，发现与光学干涉法的测量结果一致。综上所述，目前国内外对空气等离子体冲击波的研究主要集中在沿激光入射方向的膨胀过程和理论计算等方面，没有关注空气等离子体冲击波逆向膨胀前沿传播规律。由于激光诱导空气冲击波在入射激光方向无约束，因此存在逆激光方向和沿激光入射方向均有膨胀，因此，本文探讨了逆向和顺向的空气等离子体冲击波的膨胀过程，得到空气等离子体冲击波在顺向和逆向方向上传播规律的异同点。

本文利用光学阴影成像方法研究了纳秒脉冲激光经凸透镜聚焦后诱导击穿空气，产生空气冲击波的时间演化过程，获得空气冲击波膨胀速度和压强随激光参数的变化规律，探讨空气冲击波的膨胀特性。实验结果表明，逆激光入射方向的空气冲击波膨胀速度、膨胀压强远大于顺着激光方向的空气冲击波膨胀速度、膨胀压强，并得到了空气冲击波膨胀前后的密度变化。

1 实验装置

纳秒激光诱导空气冲击波的时间演化过程的实验装置如图1所示。第一束激光输出波长为1 064 nm，频率为10 Hz，脉冲宽度为10 ns，光束直径为8 mm的调Q Nd：YAG激光器（Continuum Power 8000）发出的，最大输出脉冲能量为1.1 J，激光光束经能量衰减系统（由二分之一波片和格兰棱镜组成）后，由焦距为75 mm的熔石英透镜聚焦击穿空气诱导产生空气等离子体，伴随空气等离子体膨胀过程，在等离子体外沿产生等离子体冲击波。第二束激光作为阴影成像光源，输出波长为532 nm，频率为10 Hz，脉冲宽度为8 ns，光束直径为10 mm的调QNd：YAG激光器（Continuum，Surellite EX）发出的，经能量衰减系统（由二分之一波片和格兰棱镜组成）后，激光光束通过10倍的扩束系统传输经过空气等离子体，经成像透镜（f=75 mm）后，由科学CCD相机（Princeton Instruments，1 024 pixel×1 024 pixel）成像探测空气等离子体冲击波的膨胀时间演化过程。为了防止CCD探测器饱和，获取较高质量的光学阴影图，在CCD相机和透镜之间放置中性衰减片和532 nm干涉滤波片。通过两台数字脉冲延时触发器DG645（Stanford Research）同步控制1 064 nm和532 nm激光器和CCD相机间的时间延时，从而获得空气等离子体冲击波膨胀的时间演化过程。实验均在室内一个标准大气压、室温24℃、相对湿度40%的条件下展开完成的。

图1 空气冲击波演化过程实验装置

2 结果与讨论

图2为纳秒激光诱导空气等离子体的空气冲击波在0～3 000 ns时间范围内的时间演化图像，激光光束方向从右向左入射，激光脉冲能量分别采用 50 mJ（图 2（a））和 100 mJ（图 2（b））。为了能对小时间尺度内的空气等离子体冲击波膨胀过程进行观测，在0～50 ns时间范围内的光学阴影成像放大倍率为1∶18.75；为了保证在3 000 ns时刻空气等离子体冲击波的光学阴影成像图仍能停留在CCD相机的成像区域内，在100～3 000 ns时间范围内的光学阴影成像放大倍率为1∶3.2。由图2可知，激光诱导空气等离子体冲击波在逆激光入射方向（简称为逆向）和顺激光入射方向（简称为顺向）均向外膨胀，且逆激光入射方向的冲击波膨胀大于顺激光方向。在10～100 ns时间内的空气等离子体膨胀初期，空气冲击波总体呈现细长圆柱形膨胀，随着时间增加，空气冲击波逐渐呈现椭球形膨胀。相比于50 mJ诱导的空气冲击波而言，脉冲能量为100 mJ诱导的空气冲击波的膨胀空间体积较大，且在大的时间尺度上空气冲击波的椭球形膨胀的椭圆度更大。诱导空气等离子体的激光能量越大，空气等离子体冲击波的膨胀距离越大。

图2 1 064 nm激光诱导空气等离子体的空气冲击波膨胀时间分辨阴影图

脉冲能量为100 mJ时，1 064 nm激光诱导的空气冲击波膨胀前沿距离的时间演化曲线如图3所示。由图3可知，逆向和顺向激光入射方向的空气等离子体冲击波膨胀前沿距离均随着时间的增加而增大变化，在等离子体膨胀初期200 ns时间内，空气等离子体冲击波快速膨胀，大于500 ns后，空气等离子体冲击波膨胀变缓，并且存在空气冲击波的逆向膨胀前沿距离一直远大于顺向膨胀距离。根据空气冲击波膨胀前沿距离可得到空气冲击波的膨胀速度时间演化曲线，如图4所示，空气冲击波的顺向和逆向最大膨胀速度分别为 0.55×104m/s和 1.1×104m/s，逆向等离子体冲击波的最大膨胀速度为顺向膨胀速度的2倍。在100 ns时间内，空气等离子体冲击波的逆向和顺向的膨胀速度均呈快速下降。这是因为实验中采用的为脉宽10 ns的脉冲激光器，激光脉冲前沿的光子空气产生空气等离子体，脉冲后沿的激光能量一部分穿透空气等离子体，顺向传输继续击穿空气产生空气等离子体向前膨胀，大部分过脉冲后沿的激光能量被脉冲前沿产生的等离子体所吸收，形成激光支持吸收波[15]，从而空气等离子体在逆激光入射方向快速膨胀。因此，在空气等离子体膨胀初期，在激光支持吸收波作用下，由于空气等离子体在逆向和顺向两个方向的快速膨胀，空气等离子体冲击波呈现为细长圆柱形膨胀。当激光脉冲结束后，随着时间增加，空气等离子体膨胀过程中无能量注入，并且空气等离子体冲击波压缩周围空气，在周围空气的冷却作用下，使等离子体内能降低，造成空气等离子体冲击波的膨胀速度变缓，从而空气冲击波逐渐呈现椭球形膨胀。

图3 空气冲击波膨胀距离的时间演化

图4 空气冲击波膨胀速度的时间演化

激光诱导空气冲击波向外膨胀过程中，冲击压缩周围空气气体，从而使冲击波前沿位置处空气气体密度变大，因此空气等离子体冲击波前位置处空气气体密度与冲击压强由Sedov理论进行计算[16]：

式中，γ为比热比（空气中γ=1.4）；c为声速（333 m/s）；ρ0为未受扰动的空气密度（1.29 kg/m3）；v为冲击波波前的传播速度。

根据图4的空气等离子体冲击波膨胀速度的时间演化曲线，结合公式（1）和公式（2）推演出顺向和逆向的空气冲击波膨胀前沿质量密度和膨胀压强的时间演化，分别如图5和图6所示。脉冲能量为100 mJ的激光诱导击穿产生的空气等离子体冲击波前沿压缩的周围气体密度最大为7.7 kg/m3，且在等离子体膨胀初期，冲击波前位置处的气体密度快速下降。随着时间增加，500 ns后冲击波前位置处的气体密度变化缓慢，最终达到正常空气气体密度。由于逆向空气等离子体冲击波的膨胀速度大于顺向冲击波膨胀速度，造成了逆向等离子体冲击波前位置处的周围空气气体密度需要较长时间变化到初始空气状态。由图6可知，随着时间的增加，空气冲击波的膨胀压强呈指数下降趋势。在等离子体膨胀初期，顺向和逆向的最大膨胀压强达到32.5 MPa和130 MPa，逆向膨胀压强高于顺向膨胀压强。随着时间增加，空气等离子体膨胀速度趋于平缓，此时冲击波前位置处的周围空气质量密度随之逐渐降低，空气冲击波压强降低，最终与环境气压保持平衡。由于空气在冲击波内部压强的作用下逐渐恢复，冲击波前沿空气质量密度逐渐下降，直至与环境密度平衡。

图5 空气冲击波前沿空气密度的时间演化

图6 空气冲击波膨胀压强的时间演化

3 结论

本文基于光学阴影成像法对纳秒激光诱导空气冲击波的膨胀动力学进行了研究。研究发现，激光诱导空气等离子体冲击波分别沿逆激光入射方向和顺激光入射方向向外膨胀，在空气等离子体膨胀初期，空气冲击波总体呈现细长圆柱形膨胀，随着时间增加，空气冲击波逐渐呈现椭球形膨胀，且逆向膨胀距离一直大于顺向膨胀距离。等离子体膨胀初期的空气冲击波逆向最大膨胀速度为1.1×104m/s，且逆向膨胀速度约为顺向膨胀速度的2倍。随着延时的增加，空气冲击波的膨胀压强呈指数下降趋势，在等离子体膨胀初期，顺向和逆向的最大膨胀压强达到32.5 MPa和130 MPa，逆向膨胀压强高于顺向膨胀压强。空气冲击波前位置处周围空气气体密度随着时间增加逐渐减少，顺向和逆向的空气冲击波前位置处最大周围空气气体密度分别为7.7 kg/m3和7.6 kg/m3。由于纳秒脉冲激光的后沿脉冲能量被脉冲前沿激光形成的等离子体所吸收，形成了激光支持吸收波，从而空气等离子体在逆激光入射方向快速膨胀，从而使在逆激光入射方向上，空气等离子体冲击波的膨胀前沿距离、膨胀速度、膨胀压强和前沿处周围空气气体密度均大于顺向空气等离子体冲击波情形。