激光作用固液界面物质的微尺度热力效应研究

当脉冲激光作用于溶液中物质时，在固液界面的局部微区形成一个快速升降温的极端非平衡的多相流系统，展现复杂的热力学过程。项目以研究脉冲激光与溶液中物质相互作用的动力学特性为目的，对脉冲激光作用溶液环境下物质产生的热、力效应进行研究。本项目通过对均匀流体介质中激光、溶液和靶材相互作用时等离子体和蒸汽泡的动力过程建模，着重研究不同能量范围脉冲激光加热溶液中物质产生的爆发沸腾复杂现象，提出激光加热溶液中物质的温度场求解方法；同时对均匀流体介质建立描述激光等离子体冲击波传播全过程的物理模型，研究不同能量范围脉冲激光作用溶液中物质产生力效应的不同机制，提出力效应求解理论模型。在理论、仿真和实验研究的基础上，揭示液体环境中激光与材料相互作用的机理。本项目的研究成果可丰富和发展激光与物质相互作用的理论，推动溶液中激光微加工等MEMS工艺的发展。

项目以研究脉冲激光与溶液中物质相互作用的动力学特性为目的，对脉冲激光作用溶液环境下物质产生的热、力效应进行了研究。.首先，通过对高、低能量密度激光溶液环境下加工的工艺过程中, 溶液与靶材相互作用时等离子体的动力过程和气泡动力学进行了建模，深入研究了高能量密度激光加热溶液中物质产生的爆发沸腾复杂现象，并研究了这个超高过热的瞬态传热过程，探寻了不同能量密度脉冲激光加热溶液中物质时爆发沸腾所致的温度场时空分布规律。.在溶液环境下激光微加工中，激光光斑控制在微米量级，激光等离子体诱导的冲击波已不再满足一维平面波模型。本项目考虑了微尺度效应，对高能量密度脉冲激光加热溶液中物质时产生的固液界面附近的压力时空分布进行了研究。同时，考虑到气泡、靶材和液态介质的同时存在，应用多相流理论对激光作用溶液中物质的冲击力、射流力和声发射脉冲等力学效应进行了研究。.在高能量密度短脉冲激光作用电化学溶液及水溶液中的作用机理进行了较深入的研究，并深入分析了激光与溶液中脆性材料的相互作用机理。.针对溶液中激光微加工等工艺机理的探索，提出了利用水力学和多相流理论对激光作用固液界面的过程进行建模，利用多功能分子动力学软件Materials Explorer，采用分子动力学方法对高能量密度短脉冲激光加载下的超临界水分子进行了热力学分析及结构研究，进而探索了溶液中激光与物质相互作用的微区热力学和动力学问题。.以高能量密度激光电化学加工和水溶液下激光加工工艺为例，对高、低能量密度脉冲激光作用溶液中物质进行了较为深入的实验和理论研究，并运用理论研究结果对工艺实验现象进行了分析，从机理上理解溶液中激光与物质相互作用的工艺机理，从而实现提高工艺的可控性目的。.项目在理论、仿真和实验研究的基础上，揭示了液体环境中激光与材料相互作用的机理。本项目的研究不仅以应用基础研究为目标，而且能推动溶液环境下激光与物质相互作用的机理研究的发展，并为新兴领域溶液环境中高能量短脉冲激光微加工工艺提供一定的理论指导。