一种多物理场耦合的等离子体反冲压强预测方法与流程

本发明涉及激光微纳制造，特别涉及一种多物理场耦合的等离子体反冲压强预测方法。

背景技术：

1、随着超快激光技术的飞速发展，超短脉冲激光（如飞秒激光）与物质相互作用诱导产生极端高温、高压状态，在材料加工、高能物理及惯性约束聚变等前沿领域具有重大的应用价值。近年来，利用表面附着有金属纳米颗粒的固体靶材，通过激发局域表面等离激元共振效应，能够突破常规的光学衍射极限，在纳米尺度内实现对激光能量的极高倍率放大与高效吸收，进而产生超高强度的动态压强与激波。

2、然而，超短脉冲激光诱导金属纳米表面结构产生动态压强的过程，不仅涉及跨尺度的空间演化，更包含了极其复杂的多物理场动态耦合机制。该物理过程在时间演化上依次经历：电磁波能量的局域沉积与放大、电子与晶格的非平衡传热诱导材料瞬间气化、强激光场作用下的复合电离进而生成高温等离子体、以及等离子体向真空高速膨胀进而通过反冲作用在靶材基体内部激发纵向压缩应力波。

3、目前现有的理论模型和仿真技术往往局限于单一或局部的物理场计算。例如，部分现有技术仅能侧重于通过电磁场模型计算纳米结构附近的光场增强分布，或者仅能基于传统热力学模型模拟材料的温升与相变过程。这些割裂的仿真方法无法将“光-热-流-固”多重物理机理进行全链条的无缝对接与耦合。由于缺乏从初始光场演化到最终力学压强的完整跨尺度多物理场耦合预测模型，本领域技术人员难以准确计算等离子体的演化与喷射特性，更无法精确预测出基体内部所形成的动态压强的峰值大小及空间分布情况。这种理论模型与仿真工具的断层，严重制约了等离激元增强型强激光驱动高压技术的机理揭示与工程化应用设计。

技术实现思路

1、本发明提供了一种多物理场耦合的等离子体反冲压强预测方法，通过飞秒激光辐照金纳米颗粒，激发局域表面等离激元共振（lspr），在纳米颗粒尖端及间隙处形成局域光场“热点”，实现入射光强10-1000倍的显著增强；增强后的光场被金纳米颗粒高效吸收，能量在飞秒尺度内快速沉积，使金纳米颗粒温度急剧升高并瞬间气化；气化后的金原子进一步发生强场电离，形成高温高密度等离子体；等离子体向真空方向超声速膨胀，根据动量守恒原理，产生强烈的反冲作用力，进而在内部激发应力波并形成gpa量级的巨大动态压强，克服飞秒激光直接辐照金属靶材时能量反射、透射损耗大、能量转化效率低的缺陷，同时避免单纯提高激光功率密度引入的超热电子、x射线预热靶材等副作用，实现在同等激光输入功率下实现反冲压力数量级的提升。

2、本发明提供了一种多物理场耦合的等离子体反冲压强预测方法，包括：

3、s1、建立包括基体以及位于所述基体表面的目标几何结构的三维有限元计算域模型；

4、s2、获取脉冲激光的初始电磁波参数，基于所述初始电磁波参数对所述三维有限元计算域模型进行电磁波时域求解，以提取所述目标几何结构表面的局域光场能量密度分布数据；

5、s3、将所述局域光场能量密度分布数据作为体热源项，基于双温模型进行求解，输出所述目标几何结构的空间温度分布数据和原子蒸气参数；

6、s4、将所述空间温度分布数据和所述原子蒸气参数输入预设的电离速率方程进行求解，得到等离子体数密度分布数据；

7、s5、将所述等离子体数密度分布数据输入预设的流体控制方程中进行求解，得到等离子体膨胀速度与质量喷射率，并根据动量守恒原理将所述等离子体膨胀速度与所述质量喷射率转化为面载荷数据；

8、s6、将所述面载荷数据施加至所述三维有限元计算域模型中的所述基体表面，基于固体力学方程进行瞬态求解，得到所述基体中的动态压强预测值。

9、进一步地，所述s1具体包括：

10、s101、建立长方体实体域作为所述基体，并在所述基体的表面基于周期性边界条件构建包括球形实体的单胞模型作为所述目标几何结构，在所述单胞模型内设置至少两个所述球形实体，以在相邻的所述球形实体之间形成间隙空间；在所述目标几何结构的上方建立流体膨胀域，并在所述基体、所述目标几何结构以及所述流体膨胀域的外围包覆电磁波吸收层，以重构多层几何计算域；

11、s102、对所述多层几何计算域进行空间离散化，采用不同尺寸的网格分别对所述目标几何结构与所述间隙空间、所述基体与所述流体膨胀域、以及所述电磁波吸收层执行分区网格划分，并在划分完成后执行网格畸变率校验以优化畸变网格单元，完成所述三维有限元计算域模型的建立。

12、进一步地，所述s2具体包括：

13、s201、对所述三维有限元计算域模型进行材料属性与电磁属性赋值，并在电磁波时域求解架构中设置脉冲激光光源及边界条件；

14、s202、设置时域求解器参数运行求解，并在求解完成后从所述目标几何结构的尖端及间隙空间处提取局域电场强度，计算得到局域电场增强因子，并输出所述局域光场能量密度分布数据。

15、进一步地，所述s202中，所述局域电场增强因子的计算公式为：

16、

17、其中，f为局域电场增强因子，其取值范围为10至1000，为局域电场强度，为输入的入射激光电场强度。

18、进一步地，所述s3具体包括：

19、s301、定义电子温度与晶格温度作为求解变量，设置所述双温模型的参数，并将所述局域光场能量密度分布数据作为所述体热源项加载至所述目标几何结构所在区域；其中，所述双温模型的参数包括电子-声子耦合系数、电子热容以及晶格热容；

20、s302、设置分段式时间步长，基于所述双温模型对所述电子温度与所述晶格温度的演化过程进行瞬态求解；

21、s303、提取所述目标几何结构的晶格温度演化曲线，并在判定所述晶格温度升高至沸点以上时，提取并输出气化区域的温度空间分布结果与总质量参数，将所述温度空间分布结果与所述总质量参数分别作为所述空间温度分布数据和所述原子蒸气参数。

22、进一步地，所述s302中，所述双温模型在求解过程中满足以下方程：

23、

24、

25、其中，为所述电子热容，为所述晶格热容，为所述电子温度，为所述晶格温度，g为所述电子-声子耦合系数，s(t)为所述体热源项，t为时间。

26、进一步地，所述s4具体包括：

27、s401、在偏微分方程接口中自定义预设的电离速率方程，并设置所述电离速率方程的复合模型参数；其中，所述电离速率方程采用多光子电离联合隧道电离的复合模型，所述复合模型参数包括多光子电离阶数与隧道电离场强阈值；

28、s402、将所述空间温度分布数据和所述原子蒸气参数作为初始条件输入预设的电离速率方程中，对强场电离过程进行瞬态求解；

29、s403、提取求解得到的电子数密度与离子数密度并执行有效性验证，在验证通过后，将包含所述电子数密度与所述离子数密度的结果作为所述等离子体数密度分布数据进行输出。

30、进一步地，所述s5具体包括：

31、s501、在预设的流体控制方程中设置模拟等离子体超声速膨胀的初始条件与边界条件；其中，预设的流体控制方程采用可压缩流体流动的欧拉方程，所述初始条件包括等离子体初始温度、等离子体初始压力；

32、s502、设置时域求解参数进行瞬态求解，提取等离子体的速度场与质量通量分布，并对所述基体表面执行面积分操作，以提取所述等离子体膨胀速度与所述质量喷射率；

33、s503、根据动量守恒公式计算作用在所述基体表面的总反冲作用力，并将所述总反冲作用力转化为所述面载荷数据输出。

34、进一步地，所述s6具体包括：

35、s601、在与所述基体对应的固体力学接口中输入所述基体的基础力学参数，将所述面载荷数据以面载荷的形式施加在所述基体表面，并设置载荷时程与求解边界条件；

36、s602、设置时域求解器参数，基于所述固体力学方程对所述基体内部纵向压缩应力波的传播与叠加过程进行瞬态求解；

37、s603、提取所述基体内部的压应力分布，结合激光辐照有效作用面积计算动态压强峰值，并将包含所述动态压强峰值及其叠加分布结果的数据作为所述基体中的动态压强预测值输出。

38、进一步地，所述s603中，所述动态压强峰值的计算公式为：

39、

40、其中，p为所述动态压强峰值，f为对应的总反冲作用力，a为所述激光辐照有效作用面积，v为等离子体膨胀速度，为质量喷射率。

41、本发明的有益效果为：

42、1、光场增强与能量转化效率实现跨越式提升。传统飞秒激光直接辐照靶材时，金属表面对800nm波长激光的反射率高达70%-90%，同时存在5%-15%的透射损耗，实际沉积到靶材表面并用于等离子体产生的有效能量不足15%。本发明通过调控飞秒激光光子能量与金纳米颗粒lspr峰精准匹配，在金纳米颗粒尖端和颗粒间间隙（间距≤10nm）处形成局域光场“热点”，局域电场增强因子可达10-1000倍；金纳米颗粒对入射激光的吸收效率提升至85%以上，且能量在30-100fs的飞秒尺度内完成沉积，无明显热扩散损失，整体激光能量利用率较传统飞秒激光直接加载技术得到较高提升。

43、2、等离子体反冲压力实现数量级跃升，突破gpa级极端高压阈值。现有纳秒激光直接辐照纯固体靶材时，等离子体反冲压力仅为千帕至兆帕量级（如现有技术中纳秒激光烧蚀青铜金刚石砂轮测得反冲压力最大值约1203pa）；传统飞秒激光直接加载的反冲压力最高仅为0.1-1gpa，无法满足极端高压研究需求。本发明在相同激光输入功率下，增强后的局域光场可激发产生电子温度104-106k、离子数密度1020-1022cm-3的高温高密度等离子体，等离子体向真空喷射速度提升至106-107m/s。根据动量守恒原理计算，靶材表面反冲压力大于1gpa；较传统飞秒激光直接加载技术得到数量级提升。

44、3、有效规避高功率激光有害副作用，高压加载准确性与重复性显著提升。传统技术为提升反冲压力，需将激光功率密度提高至1014w/cm2以上，此时会产生大量能量的超热电子和硬x射线，导致靶材提前预热，应力波波形严重畸变，压强测量误差超过30%，实验重复性差。本发明在激光功率密度仅为1011-1013w/cm²的条件下即可实现gpa级高压加载，靶材预热效应可忽略不计；加载产生的应力波波形保真度≥95%，大幅提高极端高压实验数据的可靠性。