铜膜中激光诱导超声波传播特性的理论和实验研究

摘要

飞秒激光与物质相互作用的机理性的研究对认识物质各项弹性参数对激发出的超声波的影响有着非常重要的意义。人们还可以根据对超声表面波的检测表征材料表面的缺陷。在许多理论机制的研究中，学者们首先考虑激光使得材料表面具有一定的温度场，然后温度场产生热应力，最后热应力又引起形变。在温度场模型的选择上许多学者还是倾向于抛物线型的热传导方程，但是对于超短脉冲激光，双温模型才能比较好的描述温度场。
　　针对超短脉冲激光与金属膜相互作用时间短的特点，基于电子及晶格的双温模型，构建了激光加热金属膜的热沉积模型，并给出了热场的时间演化数值解，得到了电子和晶格热平衡的时间。
　　基于热弹效应，构建了应力场的时空演化方程，并给出了应力场的时空演化数值解，得到了激光驱动应力波在金属铜膜中的传播速度。
　　基于应力与形变的转换关系，数值模拟了飞秒激光作用下铜膜中位移场的分布情况，分析了超声纵波在铜膜中的产生和传播情况。
　　在实验部分本文设计并且搭建了泵浦探测超快摄影平台，利用应力波在材料中传播时会产生双折射效应，在铜膜样品前后加了一组消光的偏振片作为超快快门，以图像的形式研究了飞秒激光在铜膜表层激发出的超声波的传播过程，给出超声波在铜膜表层中传播的速度。

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第1章 绪 论

1.1课题背景及研究的目的和意义

1.2超快摄影技术进展

1.3激光超声的应用

1.4激光超声理论发展进程

1.5本文的主要研究内容

第2章 飞秒激光辐照下铜膜中温度场分布的数值模拟

2.1引言

2.2铜薄膜的三维双温模型

2.3金属铜膜双温模型的数值计算结果

2.4本章小结

第3章 飞秒激光辐照下铜膜中位移场分布的数值模拟

3.1引言

3.2金属铜膜的三维热弹控制方程

3.3飞秒激光作用在金属铜膜上的三维位移场的数值模拟结果

3.4本章小结

第4章 飞秒激光辐照下铜膜中应力场分布的数值模拟

4.1引言

4.2金属铜膜的三维应力场方程

4.3金属铜膜的三维应力场数值计算结果

4.4本章小结

第5章 基于超快摄影技术的铜膜中超声波速度的测量

5.1引言

5.2超快摄影光路的设计与搭建

5.3超快摄影的实验结果

5.4本章小结

结论

参考文献

声明

致谢