I在特定波长的激光激发下,金纳米颗粒具有奇特的物理和化学性质,特别是金纳米颗粒的光收集和光放大能力,被广泛应用于生物医学领域的细胞治疗和生物影像增强,工程领域的太阳能收集和微纳加工上。激光与金纳米颗粒相互作用机理复杂,目前的研究多集中在等离子共振效应及光热传递效应,以及低能量激光激发的热致蒸发诱导空泡的形成机理和现象等方面,对于高能量激光激发的光致击穿诱导空泡现象的研究较少。对金纳米颗粒溶液中光致击穿空化机理及影响的研究,一方面能够完善激光与金纳米颗粒相互作用机理,另一方面光致击穿诱导空化过程伴随的物质重组,空泡脉动和溃灭伴生的声辐射,可以拓宽其在水处理、光声转化和表面改性等领域的应用范围。此外,金纳米颗粒光击穿诱导的空泡还具有击穿阈值低、诱导位置精确等优势。本文采用波长为532nm的纳秒脉冲激光器,结合仿真和实验的方法研究金纳米颗粒对激光空化特性的影响,发现与颗粒特性相关的光场增强和空化强度增大现象。采用FDTD仿真分析金纳米颗粒粒径和分布对入射激光光场的调制,通过高速相机直观拍摄金纳米颗粒溶液中激光诱导空泡的动态序列图,测量亚甲基蓝溶液内自由基含量变化和空化引起的声压信号变化,定量判断金纳米颗粒对激光空化强度的影响。根据壁面形貌和成分的对比分析,探索金纳米颗粒溶液中光致击穿空化应用于材料表面改性的可能。研究内容如下:(1)从局域表面等离子体共振效应和米氏理论出发,根据纳米颗粒的光热传递方程和液体爆炸理论,推导出光致击穿诱导空泡的脉动方程、冲击波传输方程和颗粒运动方程,得出金纳米颗粒显著降低液体中激光击穿阈值的结论。(2)仿真分析金纳米颗粒周围的光场分布特性,计算在不同颗粒粒径和颗粒浓度等情况下金纳米颗光吸收和光放大的能力,获得金纳米颗粒特性对光致击穿诱导空泡的初生、脉动和溃灭的影响规律。(3)实验研究在532nm光源作用下金纳米颗粒溶液中光致击穿诱导空泡特性,利用高速相机捕获溶液液面和内部光致击穿诱导空泡的动态序列图,对比蒸馏水和不同金纳米颗粒浓度溶液内空泡的数目和尺寸,获得激光击穿效果受金纳米颗粒粒径和浓度影响的规律,发现空泡尺寸与焦点位置的关系;利用亚甲基蓝浓度变化表征激光空化生成的自由基含量,发现金纳米颗粒溶液中光致击穿诱导空化生成自由基浓度显著高于蒸馏水,且增加幅度与激光能量和作用次数相关;采用水听器测量的声压信号表征激光空化的冲击波幅度,与蒸馏水相比金纳米颗粒溶液中激光空化诱导冲击波的数量多且幅度均匀,但持续时间短、强度小。(4)实验研究金纳米颗粒溶液中壁面对光致击穿空泡特性的影响,对比蒸馏水中壁面的表面形貌和成分分析,发现金颗粒的强吸收作用导致壁面作用区域减小,呈涟漪状,且有大量微纳米级尺度的孔洞分布,金元素存在于激光作用区域中心和边缘,但分布不均,与金纳米颗粒浓度、激光能量相关。金纳米颗粒溶液中空化作用后的材料电阻在外部532nm激光照射下会变小,变化幅度与激光扫描频率、金纳米颗粒浓度、单脉冲激光能量有关;蒸馏水中空化作用后材料表面的电阻在外部532nm激光照射下则不会发生变化。