【摘 要】
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一束中低功率(I≤5.0×10~8 W/cm~2的纳秒脉冲激光与物质相互作用涉及靶材的相变、激光能量在靶材内部的沉积、克努森层的产生、等离子体屏蔽以及等离子体的辐射和动力学演化等复杂的物理过程。对这些过程进行深入细致的理解并从理论上重构出纳秒脉冲激光与物质相互作用的全过程,不仅可以分析靶材和等离子体的动力学演化特性,而且能够为激光诱导击穿光谱技术和脉冲激光沉积技术等重要应用领域的进一步发展提供重要
【基金项目】
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国家重点研发计划（批准号:2017YFA0402300）； 国家自然科学基金项目（批准号:11274254,U1332206,11364037,11064012,11564037）； 西北师范大学青年教师科研能力提升计划（NWNU-LKQN-15-3）；
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一束中低功率(I≤5.0×10~8 W/cm~2的纳秒脉冲激光与物质相互作用涉及靶材的相变、激光能量在靶材内部的沉积、克努森层的产生、等离子体屏蔽以及等离子体的辐射和动力学演化等复杂的物理过程。对这些过程进行深入细致的理解并从理论上重构出纳秒脉冲激光与物质相互作用的全过程,不仅可以分析靶材和等离子体的动力学演化特性,而且能够为激光诱导击穿光谱技术和脉冲激光沉积技术等重要应用领域的进一步发展提供重要的指导和支撑。本论文基于热传导方程、流体力学方程组和辐射输运方程,建立了研究中低功率纳秒脉冲激光与物质相互作用过程的二维轴对称辐射流体动力学模型。该模型充分考虑了激光、靶材和等离子体三者间的相互作用,在等离子体的动力学演化过程中包括了各种微观原子过程的贡献,对等离子体内能的描述采用了更为精确的真实气体近似（即等离子体内能包括电子/原子/离子的热能、原子/离子的电离能以及原子/离子的激发能）。该模型能够较为全面的描绘出纳秒脉冲激光与物质相互作用的全过程,有助于深入理解靶材的动力学演化以及激光等离子体的辐射和动力学演化特性。本论文对建立的二维轴对称辐射流体动力学模型进行了多方面的数值计算验证,并针对功率密度为5.0×10~8 W/cm~2,波长为1064 nm的纳秒脉冲激光作用于放置在真空环境的固体硅靶,开展了以下工作:（1）模拟了脉冲激光作用期间靶材内部的温度分布,分析了温度分布的成因;（2）给出了脉冲激光作用期间靶面温度、靠近靶面处的等离子体马赫数和激光透射率的时间演化轮廓。探讨了等离子体屏蔽效应对靶材表面温度分布的影响,细致讨论了靶材表面的蒸发/冷凝问题,给出了靶面温度和等离子体马赫数以及激光透射率间的耦合关系。确定了纳秒脉冲激光作用期间靶材表面的动力学演化过程按时间可分为声速蒸发、亚声速蒸发和亚声速冷凝三个过程;（3）获得了脉冲激光作用期间等离子体的温度、轴向的粒子数密度和膨胀速度的分布。分析了激光等离子体在真空中膨胀演化的特征,探讨了靶材的动力学演化和等离子体的动力学演化之间的耦合效应,证实了逆韧致辐射等激光等离子体吸收机制对等离子体动力学演化有重要影响;（4）给出了激光等离子体的内能以及内能中的热能、电离能和激发能的时空分布,获得了在纳秒脉冲激光作用期间等离子体内能中激发能的贡献不可忽略的重要结论。
其他文献
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本文运用Leray-Schauder不动点定理、单调迭代技巧、上下解方法、锥上的不动点指数理论,讨论完全高阶常微分方程边值问题解的存在性、唯一性及正解的存在性,其中f:[0,1]×Rn→R连续.本文主要工作如下:1.在非线性项.f一次增长的情形下,运用全连续算子的Leray-Schauder不动点定理,获得了完全高阶常微分方程边值问题解的存在性与唯一性.2.通过建立相应高阶线性边值问题的极大值原理