从光学击穿到气泡启动：基于纳秒激光诱导气泡的耦合等离子体-热力学框架

纳秒激光诱导的气泡形成是激光驱动的材料输运过程中的关键环节，包括激光向前转移、微外科手术和微流体驱动等应用，但气泡最初形成的物理起源以及其与后续气泡生长之间的联系仍未得到充分理解。现有模型通常将气泡形成描述为要么由等离子体驱动的机械响应，要么由热力学驱动的核萌发过程，却未解决这些机制在启动过程中如何相互作用。本文开发了一种耦合等离子体-热力学框架，将自由电子动力学、等离子体吸收、热弹性声学响应、残余热能储存以及启动后的气泡演化全部纳入单一描述。模型表明，气泡启动主要由等离子体诱导的热弹性声学松弛决定，该过程在纳秒尺度上产生足以引发气泡的瞬态拉伸稀疏压力；而残余热能则维持后续气泡的生长。由于能量沉积在移动的击穿条件下呈现各向异性，初始气泡会继承等离子体的形态特征，而非形成球形核。与时序实验的对比表明，耦合框架比仅基于等离子体或仅基于热力学的模型更准确地捕捉了早期气泡形成和长期气泡扩张。这些结果建立了击穿尺度能量沉积与连续气泡动力学之间的预测性联系，为多尺度建模和改进激光驱动材料输运过程的控制提供了物理上基于实质的初始条件。