惯性约束对激光诱导气泡生成及冲击波排放的影响

激光诱导的破坏现象以超短激光脉冲为特征，具有等容性且惯性受限。其特征为一系列非线性能量沉积和水动力学事件，如冲击波排放和气泡形成。对于纳秒脉冲而言，尤其在微气泡和纳米气泡生成及能量沉积过程中，惯性约束会逐渐丧失。激光脉冲期间气泡膨胀的起始会降低峰值压力、气泡壁速度、机械能转化效率，并阻止冲击波的形成。本文扩展了可压缩液体中气泡动力学的吉尔默模型(Gilmore model)，以描述粒子速度在声学瞬态排放期间与惯性流体中气泡壁加速度在任意约束程度下的相互作用。能量沉积于有限激光脉冲持续时间内，可通过气泡平衡半径的时间演化来编码，而无需显式描述相变过程。该模型用于模拟气泡生成、声学瞬态排放及能量分区，作为激光脉冲持续时间和气泡尺寸之函数（在固定等离子体能量密度和环境压力下）。结果表明， femtosecond激光脉冲导致的气泡形成比纳秒脉冲更具破坏性。这主要体现在微气泡和纳米气泡上，也在毫米尺寸气泡上有较小程度的影响。我们讨论了针对自由聚焦激光脉冲及通过纳米颗粒介导能量沉积在微外科手术和微流体操作中的过程控制的意义。