如何产生蒸发压力的机制及其相关参数研究

图9.5 快速蒸发机理示意图

在辐射表面能产生高压脉冲的又一种机制是蒸发压力。Aden等^[34]和Knight^[35]讨论了由于蒸气从紧挨周围气体的金属表面膨胀，激光引起激波产生（见图9.5）。通常的观点认为在膨胀的金属蒸气和周围（未压缩）空气之间存在一个压缩区，激波随后在压缩空气与周围空气的界面上产生。这种机制在等离子体中并不需要吸收激光能量，仅凭蒸发材料的高动量就会产生。高压在这种机制的模式中可以预测。Chan和Mazum-der^[36]说明对于短而强的激光脉冲，冲击波可以通过材料迅速蒸发的反冲力或激光与等离子体的相互作用产生，很明显它们是两个不同的过程。Ready^[25]用不同机制去区分蒸发产生的反冲压力脉冲和瞬时热效应。

Phipps等人^[37]详述了在真空条件下排除周围气体渗入（因此引入等离子体屏蔽效应）的对金属和非金属物体上产生压力的实验工作。该工作在某种程度上代表了等离子体屏蔽效应不存在区域激光清洁的实际情况。机制耦合系数C_m被定义为：

C_m=P_a/I=M/W_L

这里P_a——剥离压强；

W_L——激光能量；

I——入射激光强度；

M——施加给靶材的动量。

由经验决定的C_m、激光强度I、激光波长λ和激光脉冲宽度τ之间的关系如下式所示（它与实验值是吻合的）：(www.xing528.com)

C_m=b[Iλ（τ）^0.5]ⁿb为常数，它由材料类型决定，对铝合金b为5.6，对基于C-H键结合的高分子材料b为6.5。n为经验常数等于-0.3。

对于（C-H键结合）有机物层，利用这个等式，并用它在给定波长（1.06μm）和脉冲宽度（10ns）下的激光强度时，预测反冲压力，得到图9.6所示结果。很明显这种机制结果产生很大的反冲压力。例如在功率密度为1×10⁸W/cm²下将产生1×10⁸Pa的反冲压力；在功率密度为1×10⁷W/cm²下，测到大约2×10⁷Pa的反冲压力。如果在低功率密度下保持线性关系，利用这种机理作为清洁方法，那么在1×10⁵W/cm²激光功率密度下将产生1×10⁶Pa的反冲压力，该压力仍能有效地从石像或金属上清除表层的有机沉积物。

当给定激光功率密度（1×10⁹W/cm²）和波长（1.06μm），很明显压力随着脉冲密度的减少而增加（见图9.7）。类似的情况，在同样强度下，对给定的脉冲宽度（10ns），发现压力随着激光波长的减小而增加（见图9.8）。

图9.6 计算得到的蒸发压力与激光功率密度（波长1.06μm，脉冲宽度10ns）的变化值

在意大利佛罗伦萨CNR的研究工作，已开发出专用的自由运行类型的Nd-YAG激光器，此类激光器能改变脉冲长度。已经发现对一种蒸发压力机制的选择存在最佳的脉冲长度范围（在大约20μs短的自由运行模式下），蒸发压力机制特别有利于石像和金属工艺品的保存。在许多情况下，由Q开关的短脉冲引起的机械效应可能导致机械损伤，特别是在易碎物品中是这样，因此选择中间范围的脉冲长度区间以便在保持清洁效果的前提下将机械和热效应减到最小^[38，39]。

图9.7 计算得到的蒸发压力与脉冲宽度（波长1.06μm，激光功率密度1GW/cm²）的变化值