激光致可控环形空泡的产生机理及动力学特性研究

In this project, mechanism and dynamics of controllable toroidal bubble induced by laser are studied numerically and experimentally, with the aim of providing fundamental basis and experimental references for application of laser-induced toroidal bubbles. A simple and controllable method is proposed to generate toroidal bubbles, which is induced by focusing high intensity laser pulse into cavity target. We develop a simulation mode based on finite volume method and volume of fluid method to study the generation and movement of toroidal bubble, obtaining the change of pressure field from shockwave and the change of velocity field from the toroidal bubble. After that, the simulation results are verified by experiments based on photography and double beam deflection method, and then the mechanism of toroidal bubble induced by laser is discussed deeply. Moreover, we will investigate the influences of liquid parameters, including liquid density, viscosity, surface tension and temperature, and laser parameters, including intensity, wavelength and pulse width, on the dynamic behavior of toroidal bubble, such as oscillations, velocity and life time. The outcome of this project will be helpful to generate controllable toroidal bubble by adjusting laser parameters for relative applications, such as micro particle handing and underwater laser propulsion.

本项目针对激光致可控环形空泡的产生机理及其动力学特性展开数值仿真和实验研究，旨在为环形空泡的应用提供理论基础和实验参考。采用一种简单易控的新方法产生环形空泡，该方法主要利用高能脉冲激光聚焦到凹洞型靶材内部产生环形空泡。建立基于有限体积法和运动界面追踪算法的数值计算模型，模拟激光致环形空泡的产生与运动过程，得到冲击波引起的压力场变化、环形空泡脉动过程及其引起的流场变化。然后利用图像获取和双光束偏转实验系统对数值模拟结果进行验证，进一步分析环形空泡的产生机理。此外，研究不同的液体参量和激光参数条件下环形空泡的动力学行为，获得环形空泡脉动过程、运动速度和生命周期等与液体密度、粘性、表面张力、温度，以及激光能量、波长、脉冲宽度等的依赖关系。希望通过本项目的研究，实现利用激光参数调控产生具有特定性质的环形空泡，以便应用于微粒子操控、水下激光推进等领域。

空泡是水动力学中一种常见的现象，在很多领域存在有利的应用，包括表面清洗、微型推进、药物传输、医疗手术、材料制备等。本项目针对激光致空泡的产生机理及其动力学特性展开了理论计算、数值模拟和实验研究，并挖掘了激光致空泡动力学在液相激光烧蚀法制备纳米材料过程中的作用。理论计算基于改进的 Rayleigh-Plesset方程模型，得出了可直接计算气泡内部压强温度的公式，分析了气泡内部热力学环境的演变过程；数值模拟基于有限体积法，得到了空泡在固壁面附近的脉动过程及周围环境参数的变化；实验测试基于时间分辨阴影照相系统、光偏转探测系统和高速摄像系统，实现了激光致空泡的原位、定量观测。利用以上方法，我们进一步研究了不同激光参数和不同溶液中空泡的脉动过程。通过一系列的分析与讨论，总结了液相激光烧蚀产生空泡的具体过程，发现：1）激光不仅烧蚀靶材产生空泡，还会和溶液中产生的纳米颗粒相互作用产生微空泡；2）空泡为纳米颗粒合成提供了理想条件；3）通过对激光参数和溶液参数的调控可以改变空泡运动状态，同时调控合成的纳米材料。此外，我们还研究了双空泡合并的过程，发现在双空泡融合之后，产生的不同纳米颗粒会约束在同一个气泡内，随着气泡的膨胀与溃灭，在快速变化的热力学环境下不同种纳米颗粒快速碰撞结合在一起。本项目通过对激光致空泡动力学的基础研究，发现其在液相激光烧蚀制备纳米颗粒中的重要作用，推动了空泡动力学的发展，为液相激光烧蚀制备高性能纳米材料提供了可行方案。