激光空化微納制造機(jī)理的數(shù)值及實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、激光誘導(dǎo)空化是激光在液體中發(fā)生光學(xué)擊穿時(shí)產(chǎn)生的一種空化現(xiàn)象。當(dāng)高功率激光作用在液體或材料表面時(shí)，在激光能量密度大于被作用材料的擊穿閾值的條件下，會(huì)在激光作用區(qū)域發(fā)生光學(xué)擊穿同時(shí)形成高溫等離子體。隨著吸收激光能量的等離子體膨脹及沖擊波輻射，激光誘導(dǎo)的空化泡也開始形成?？张菪纬珊?，會(huì)在泡內(nèi)外壓力梯度的作用下膨脹、收縮并伴隨著沖擊波輻射和微射流，在數(shù)次的脈動(dòng)后空泡最終會(huì)因能量全部耗散而消失。本文就是利用空化過程時(shí)產(chǎn)生的等離子體及沖擊波和微射流

2、可以實(shí)現(xiàn)微納制造。本文對(duì)激光誘導(dǎo)空化微納制造機(jī)理進(jìn)行了數(shù)值和實(shí)驗(yàn)研究，具體研究?jī)?nèi)容包括如下如下幾個(gè)方面:
　　建立了激光空化微納制造的簡(jiǎn)化模型，用以分析實(shí)驗(yàn)中不能觀察的現(xiàn)象。其數(shù)學(xué)模型是基于勢(shì)流理論?？紤]到流體可壓縮性的影響，基于匹配漸近展開法提出了近似微擾動(dòng)法。得出的結(jié)論是空泡表面速度勢(shì)滿足Laplace方程。利用圓柱極坐標(biāo)使得初始的3維勢(shì)問題轉(zhuǎn)化為1維問題解決。準(zhǔn)確簡(jiǎn)化激光空化微納制造模型和處理環(huán)形空泡是必要的。基于混合歐拉拉

3、格朗日(MEL)法和空泡在弱可壓縮流體的快速多極子邊界元法(FMBEM)，建立了激光空化微納制造的數(shù)值模型。
　　實(shí)驗(yàn)研究幾種材料（鏡面鋁、硅膠）激光誘導(dǎo)空化微納制造機(jī)理。使用單脈沖Nd∶YAG激光器產(chǎn)生單個(gè)的空化泡。通過瞬間單脈沖激光能量來(lái)控制空化泡的體積。空化泡的初始位置對(duì)微納制造有著重要的影響，可以用微移動(dòng)平臺(tái)對(duì)其進(jìn)行較為精密的控制。使用高速攝影儀對(duì)空化時(shí)序進(jìn)行實(shí)時(shí)拍攝，觀察在微納制造過程中的初始膨脹階段球形空泡和在接近材料

4、非球形空化泡產(chǎn)生的變形。由于流場(chǎng)的非對(duì)稱性使得空泡在潰滅時(shí)產(chǎn)生高速的微射流從而對(duì)材料進(jìn)行微納制造，同時(shí)利用噴嘴實(shí)現(xiàn)微納制造的控形。通過水聽計(jì)對(duì)振蕩空泡和制造過程產(chǎn)生的聲波進(jìn)行測(cè)量，能更為準(zhǔn)確的評(píng)估空化泡的振蕩周期對(duì)微納制造的影響。在最大空泡半徑已知情況下，使用無(wú)因次空化泡振蕩周期的統(tǒng)計(jì)分析可以粗略預(yù)測(cè)空化泡初始位置，有利于微納制造精密控制。用CAD分析空泡大小時(shí)序圖。通過射流沖擊后最大膨脹體積來(lái)估算空化泡的能量。
　　用可靠的分析