基于电动势效应的激光烧蚀等离子体诊断

论文摘要

初生和扩散时段的激光烧蚀等离子体,特性差异很大。初生时段是指激光持续期及之后的极短时间(数十纳秒)。在这个时段内,等离子体刚刚形成,还未来得及扩散,无论其气压还是密度都很高,因而是高密度热等离子体。等离子体的体积很小,而且演化很快,时空分布极不均匀。而扩散形成的羽流等离子体,则是低气压非平衡低温等离子体。本文针对激光烧蚀初生期的特点,提出了一种基于电动势效应的激光烧蚀等离子体诊断方法,设计了两种不同的测量电路,即短路电流和开路电压测量电路,用于测量初生时段内烧蚀区的电子发射量。利用该方法分析研究了电子发射量与烧蚀工艺参数的关系,验证了方法的可行性,为激光烧蚀等离子体诊断提供了一种新途径。在激光开始辐照后,辐照区温度随之升高,表面首先发生电子发射过程,发射的电子在烧蚀表面与外围导体表面之间便会产生脉冲电动势。随后,辐照区发生融化和电离,形成高气压高温高密度的烧蚀等离子体。由于初生期的烧蚀等离子体空间分布极不均匀,密度梯度非常大,使得初生期等离子体扩散可能属于非双极扩散。非双极扩散同样在烧蚀表面与外围导体表面之间诱导形成电动势。测量上述烧蚀诱导电动势的幅值和演化,可估算初生期烧蚀区的电子发射量。为表征烧蚀电动势,设计了一种有利于收集烧蚀区发射电子的电极位型,构成电池结构。并针对该电池电动势,设计了短路测量和开路测量电路。基于短路电流,提出了估算激光烧蚀初生期的电子发射量的方法。研究了电子发射量与材料种类、激光能量、气压等烧蚀工艺参数的关系,阐述了方法的合理性。为了对比表征烧蚀电动势,开展了电动势开路电压的研究。首先进行了电路优化,讨论了开路电压信号与电动势的关系,进而分析了开路电压信号与电子产生过程的关系,提出了另一种独立于短路电流方法的电子发射量估算方法。随后通过分析激光能量、气压、极板间距等参数对开路电压测量值的影响,得到了利用开路电压进行电子发射量估算方法的适用条件。将多个烧蚀条件下的两种方法的结果进行对比,表明:开路电压测量方法得到的结果与短路电流测量方法所得结果一致。因此,测量烧蚀诱导电动势可以成为诊断烧蚀过程的可靠方法。文中为了更清晰地阐述烧蚀过程诱导电动势的机理,设计了多种对烧蚀过程的发光形态进行高速记录的方案,经对比,最终利用彩色摄像机记录了激光烧蚀过程的发光形貌,分析表明:发光形貌的演变特点与电动势信号的波形变化特点一致。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
•   1.1 脉冲激光烧蚀的研究现状
•   1.2 激光烧蚀等离子体的诊断技术
•     1.2.1 等离子体的基本诊断方法
•     1.2.2 激光烧蚀等离子体光谱测量
•   1.3 本文研究目的
•   1.4 本文研究的主要内容及文章安排
• 2 实验装置及技术原理
•   2.1 激光烧蚀的机制
•   2.2 激光烧蚀实验装置
•   2.3 激光烧蚀过程的电动势效应
•   2.4 激光烧蚀电动势的短路测量方法
•     2.4.1 短路电流测量原理及计算
•     2.4.2 导线长度对电压的影响
•     2.4.3 测量电路
•     2.4.4 烧蚀材料的选择
•     2.4.5 激光入射角度对峰值电压的影响
•     2.4.6 材料烧蚀位置对峰值电压的影响
•     2.4.7 激光能量稳定性对峰值电压的影响
•   2.5 激光烧蚀电动势的开路测量方法
•     2.5.1 开路电压测量原理
•     2.5.2 测量回路的设计与优化
•   2.6 激光烧蚀发光形貌采集
•     2.6.1 工业相机采集方法
•     2.6.2 小孔成像采集方法
•     2.6.3 彩色摄像机采集方法
• 3 结果分析与讨论
•   3.1 激光烧蚀电动势的短路电流分析
•     3.1.1 短路电流信号的特点与分析
•     3.1.2 烧蚀材料种类对短路信号的影响
•     3.1.3 激光能量对电子发射量的影响
•     3.1.4 气压对电子发射量的影响
•     3.1.5 短路电流分析小结
•   3.2 激光烧蚀电动势的开路电压分析
•     3.2.1 开路电压信号的特点与分析
•     3.2.2 气压对开路电压信号的影响
•     3.2.3 极板间距对开路电压峰值的影响
•     3.2.4 激光能量对开路电压峰值的影响
•     3.2.5 烧蚀石墨的开路电压信号
•     3.2.6 开路电压分析小结
•   3.3 两种测量方法对比
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 李婷

导师: 张家良

关键词: 激光烧蚀等离子体,电动势效应,短路电流,开路电压,电子发射量

来源: 大连理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 大连理工大学

分类号: O536

DOI: 10.26991/d.cnki.gdllu.2019.001302

总页数: 61

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