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在这第二部分 我们将首先深入了解等离子体本身发生了什么

然后我们看一下是什么决定了能量吸收

吸收机制是如何工作的 这对激光材料的加工有什么影响

如果我们仔细观察等离子体中发生了什么

这在很大程度上取决于下一个电荷到测试电荷的距离

当我们把测试电荷放在空间的某个地方时 在这里 大家可以看到它

现在这个电荷有一定的势 在下面画出来

这是一个超越电势依赖的典型示例

如果我们现在添加更多的电荷 看看电荷发生了什么

测试电荷本身就会有一种势的变化

因为在这种情况下 正电荷会吸引电子 而且排斥离子

由于周围电荷的存在

在该示例中 成本变化的可能性不大

大家看 蓝色的线非常接近红色的线 但这取决于不同的条件

在左边 大家可以看到势能方程

就是电荷距离的指数依赖关系

正如我们所了解的 我们可以从中推导并计算出所谓的德拜长度

这是区分两种状态的特征值

正如大家在右边看到的 电荷距离是在正常距上画出来的

用德拜长度D表示

D以下的距离 会受到电荷的单独影响

D以上的距离 实际上 不会受周围电荷的影响

在这节等离子体课上 我想对等离子体的定义作一下简单介绍

因为带电粒子并不是等离子体

这是一个屏蔽问题 有一个屏蔽半径 叫做德拜半径

这个德拜长度在左下角的图中画出来了

大家可以看到 德拜屏蔽长度就是载流子密度的函数

可以看出 密度越大 德拜长度就越小

因为 如果超出德拜长度 等离子体看起来是均匀的

如果是在另一个区域 等离子体看起来像单个电荷

我们必须考虑单个电荷的贡献

这就是德拜长度的含义 它是分开定义的

也就是说 如果是一个测试粒子和一个测试电荷

就会得到一个均匀的 带零电荷的等离子体

或者如果它在等离子体中 刻度是这样的

那么就会看到单个电荷

稍等一下 马上就能看到更多细节

举个非常简单的例子

正常情况下 如何大家是在常温下吸入空气 它们是带电荷的

这是由于背景辐射 普遍的背景辐射

我们有永久电离空气的伽马射线

每立方厘米的电子数在100到1000之间

并不是很多

但这是在正常大气中 空气中的平衡电荷数

所以 如果我们取这些值 大家会看到宇宙射线的电离

在室温下 电子密度大约是1000 cm3

德拜长度可以计算出38公里

换句话说 它不是等离子体 不是均匀分布的电荷

电荷之间离得非常近 我们可以确定每个电荷的贡献

为了解释吸收 我想给大家看两张关于逆轫致辐射的幻灯片

这是等离子体在吸收过程中的技术终点

如果你再想象一下电子在电场中上下跳动

正如上面的曲线所示 大家要理解并记住

它不能在平均时间值内获得任何能量

然而 它只是积累能量和损失能量 如下图所示

但是 如果我们允许碰撞

在理想情况下 也就是电子恰好以最大速度

它会与离子或原子发生180度弹性碰撞

在这种情况下 电场方向会改变

它与磁场的变化方向相对应

现在 电子还没有停止 而是进一步加速了

因为现在 它和场同相

半个周期后 想象一下 同样的事情会再次发生

还会有再一次碰撞 电子的能量也会增加 等等

当然 这是一张理想图像 但在现实中 我们通过这个模型进行理解

由于碰撞 相位改变了电子的方向

所以 它们可以在等离子体中积累能量

这就是我们利用这个新C碰撞频率描绘出的现象

因此 材料加工后 激光可以被等离子体吸收

或者说 它能否被等离子体吸收取决于电子的数量 即等离子体中的电子密度

从下面这张图开始这一过程

大家会看到 在钻头开始的表面有一个等离子体

从一张图片到另一张图片 如果大家仔细看 会发现 在这里 钻井深度一直在增加

从一张照片到下一张照片的时间大概是50纳秒

所以 这是一组高速分辨率的照片 在处理过程中 存在等离子体

等离子体确实吸收一定的激光能量

但是 它是以一种能量传递到均匀表面的方式进行的

在上图的上方 大家可以看到在更高强度下的另一种情况

如果你使用二氧化碳辐射 并将强度增加到10 7

2X2X10 7W

等离子体会吸收能量 这最终导致等离子体脱离表面

它只是离开了表面 实际上 它吸收了等离子体中的所有能量

实际上 没有能量会到达表面

当然 这是我们在材料加工中不希望忽略的一种模式

所以 对于焊接和切割应用 我们保持在临界值以下

即2X10 7W/cm2

为了证明这一点 看一下这个视频

在这里 大家可以看到表面上的等离子体已经是可见的

现在的强度是在临界值处选择的

所以 大家看到的是 有时等离子体停留在表面

但有时 它会从表面向激光方向移动

现在视频播放开始 大家可以看到 最后的等离子体有时会分离

然后它向激光移动 接着减弱 然后这个过程又重新开始

因此 从物理学的角度 我们区分了

表面等离子体和分离等离子体作为支撑激光燃烧的两种情况

如果你燃烧某样东西 才会产生燃烧现象

它只会在表面燃烧 然后支撑激光爆轰

爆炸是因为这种波以超音波的速度离开表面

至少与周围的大气相比是这样

更详细一点 请看一下左边的图片

激光支持燃烧

为了简单说明 采用的是一维情形

大家可以看到 随着工件中材料的汽化

在这些图片中 有向下增加的趋势

有蒸汽形成 并且蒸汽移向激光

它对前面的空气进行了压缩 形成了一个小的冲击波

但这是一个非常弱的冲击波 对激光来说几乎可以忽略

这个过程就这样一直持续下去

可能在等离子体中有一些能量吸收

但基本上 它会传递能量 或者把等离子体中的能量转换成工件

在LSD的情况下和在爆炸的情况下 是不同的

有蒸汽形成 这种蒸汽喷射是高度电离的

电子密度如此之高 以至于材料的吸收长度是如此之小

产生了一个很薄的吸收层 这是一种从表面脱离的吸收态

当然 这个被等离子体加热的激光向激光和工件两个方向膨胀

然而 它并不是由处于波浪背面的更多能量供应的

所以说 它只从正面进料

这就是为什么它向着激光的方向 向激光入射的方向移动

在这里 大家可以看到一幅很有语义的画

在工件和等离子体形成过程中 产生了固体密度

密度有所下降 大量能量处于几微米中 密度梯度变化极大

但这足以通过逆轫致辐射吸收等离子体中的激光辐射

实际上 这是我们在激光焊接 甚至激光切割中努力得到的状态

在右边 大家又可以看到三种状态

所以 我们得到了高于汽化临界值的正态

但是 是在爆轰临界值的I.D.以下

所以 形成了燃烧波

如果是在击穿强度下 就会产生汽化

如果在强度上 超过了爆轰极限

支撑激光的爆轰波就会形成

举一个例子 我想给大家看一个在蒸汽毛细管中 能量吸收的案例

大家还记得看过的那个视频吧 那是一个焊接的过程

如果强度适当 我们可能得到一个吸收能量的等离子体

也许辐射是被锁孔中的多次反射吸收了

但无论如何 等离子体不会脱离

因为这会导致压力 会使熔池熔化

这不是我们想要的结果

在这里 我们在LSC环境或以下环境中操作

所以 我们学到了 三件事

第一 从电荷的角度来看 等离子体和金属非常非常相似

第二 它们有极限数量 也就是等离子体频率

它决定了光是被反射 还是被传输 还是被吸收

第三 举个例子 焊接

然后大家马上就会看到电子密度正确调整后的结果

这是决定等离子体频率的唯一变量

以平衡伴有蒸发材料的入射光

在平衡条件下 电子密度刚好能吸收一点激光能量

不太多 也不太少 刚刚好