粒径对激光驱动颗粒溅射动力学特征的影响
作者:周毛吉; 李亚举; 钱东斌; 叶晓燕; 林平; 马新文
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激光脉冲辐照材料靶表面产生的等离子体的演化过程会对靶表面施加脉冲冲击压力。当被辐照的目标是一个离散的粒子沉积时,目标表面上的激光冲击压力可以驱动粒子溅射。本文采用中值直径分别为84、109、184和234米的干燥石英砂和狭窄的粒径分布形成离散颗粒靶,石英颗粒被nm的NdYAG纳秒激光脉冲(波长1064)相互作用产生的冲击压力溅射。同时,通过高速摄像机记录了溅射过程,研究了颗粒尺寸对激光驱动颗粒溅射动力学特性的影响。通过对高速图像的分析,发现激光驱动的粒子溅射可分为两个在时间尺度上具有明显特征的过程,即垂直于靶面100微秒的快速早期溅射过程和数十毫秒的扇形粒子幕结构的缓慢晚期溅射过程。前者对应的颗粒动能随颗粒尺寸的增大呈增大趋势,而后者对应的幕底直径d沿径向膨胀随时间t的演化规律遵循点源模型的描述:d(t)=t,系数的拟合值随颗粒尺寸的增大而减小,但幂指数的拟合值随粒径的增大而增大。通过仔细考虑气流中粒径相关粒子的脉冲耦合效率,以及粒径相关激光与粒子靶相互作用产生的等离子体特性,可以合理地解释上述实验观察结果。这项研究加深了人们对激光驱动粒子溅射机理的理解。