毫秒激光致铝靶热应力损伤的数值研究
冯洲指导老师：潘云香
摘要：激光辐照金属材料可产生加热、熔融、汽化等热效应以及热应力、应力波、烧蚀和冲击波等力学效应。本文研究了激光与物质的相互作用，并以铝材料为例对其进行了数值模拟。
关键词：毫秒激光热应力铝材料数值模拟
激光是20世纪人类最重要的科技发明之一[1]，它是由受激辐射产生的一种高能量电磁波，波长覆盖X射线到远红外波段范围，并能实现连续调谐，脉宽最短可以达到阿秒量级（10-18s）[2-4]。目前激光器广泛应用于信息获取和传播、医疗诊断和治疗、工业和军事技术等多个领域，激光技术早已与科技进步和经济的发展息息相关。激光与材料的相互作用是激光应用的一个重要基础，它投射到物体上时，会使物体表面的温度升高，甚至发生熔融和气化现象，正式这些物理现象和激光自身的特点使得激光可以应用于医疗、军事和工业加工等方面。
在军事方面，由于激光武器反应迅速，不受电磁干扰和火力转移快的特点备受各国关注，因此关于激光对材料的损伤机理的研究非常火热。其中毫秒量级脉冲激光在空气中传播效率高、与材料相互作用过程中能量耦合效率高、单脉冲能量大等特点，相比短脉冲[5-6]激光，毫秒激光脉冲可以对材料造成更大程度的损伤，所以近年来国内外对激光武器的研究主要集中于毫秒级脉冲强激光的研究。
而铝在航空航天行业以及军事方面的应用非常广泛，铝合金被用作结构材料，如蒙皮、框架、螺旋桨、油箱、壁板等等。同时毫秒级脉冲激光与铝的相互作用的研究是毫秒脉冲激光对铝材料进行加工的理论基础，因此研究毫秒量级激光脉冲辐照铝靶的热应力损伤具有十分重要的价值[7-8]。
当激光辐照材料时,靶材吸收激光能量而导致一个在靶材内分布不均匀的温度场,由于材料是连续分布的介质,各部分不能自由膨胀,相互制约,从而产生热应力。激光辐照材料引起的温升效应在很多领域都有重要应用，因此得到了国内外许多学者的广泛研究[9-14]。在强激光参数测量领域，由于入射激光能量较高，能量转化为热量在测量装置的激光接收表面沉积，进而引起测量装置的损伤，因此，在实际应用中如何对测量装置进行有效的防护、确保测量设备自身的安全和稳定工作已经成为一项非常关键的技术难题。而铝合金是阵列探测器光斑参数测量系统[15]中最为常见的强激光防护材料，因此对于铝靶热应力损伤的数值研究具有十分重大的意义。
到目前为止，国内对于激光与材料的相互作用的实验研究已有很多，并取得一定的成果。例如张梁等人采用阴影法进行了毫秒激光致固体靶材熔融喷溅的比较实验研究[16]，根据两种靶材融熔喷溅机理不同，解释了两种靶材融熔喷溅物的形貌、喷溅角度、喷溅物分布和喷溅物亮度不同的原因。朱林中在高温合金毫秒激光打孔实验与数值模拟研究[17]中以GH4169为对象，使用单因素法分别研究激光脉冲能量、频率、脉宽、离焦量、扩束比、脉冲个数等参数归纳出GH4169高温合金毫秒激光冲击打孔最优化加工参数。赵洋也进行了对毫秒脉冲激光致CCD探测器损伤的热力学研究[18],并得出毫秒脉冲激光对行间转移型彩色面阵CCD 探测器的破坏主要是由热力损伤造成的结论。李柏华通过实验和建模探究1064nm毫秒激光损伤砷化镓材料的机理，得出材料受激光福照后产生裂纹是由于神化嫁晶体内滑移系分切应力超过临界分切应力而导致的滑移产生，为毫秒激光作用物质机理的进一步的研究提供参考[19]。国际上对这方面的研究也有很多，例如Sining Pan的毫秒级脉冲激光在热疲劳性能评估中的应用，提出了一种基于毫秒级脉冲激光器的热疲劳性能评估方法，并证实了应用的可能性[20]。S. Marim- uthu着重分析了基于控制激光钻孔样品的重铸层，氧化层，孔表面特性和疲劳性能,并指出准连续光纤激光器的高平均功率可以有效地用于提高钻孔速度，而不会影响钻孔质量，而自由空间Nd：YAG激光器是不可行的[21]。亓东锋等人[22]首次采用时间分辨图像技术记录下了银薄膜表面形貌特征的演化趋势及形貌特征的细节变化，并系统的揭示了圆形高斯激光与传统金属薄膜(Ag、Cu)材料相互作用过程中引起材料表面形貌特征的变化机理。Yanbei Chen提出了金属塑料渗透的概念，并探讨了这一概念的应用范围[23]。
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