超短脈沖激光照射下銅納米薄膜固-液相變數(shù)值模擬研究.pdf

1、對超短脈沖激光與金屬相互作用過程進行數(shù)值模擬使用的模型主要有:拋物線型雙溫模型(PTTM)及其改進模型、雙曲線型雙溫模型(HTTM)及其改進模型等。由于超短脈沖激光與銅納米薄膜相互作用是一個高度非線性的過程，對這些模型進行求解常用的方法主要分為兩大類:第一類，在連續(xù)介質(zhì)的層面直接求解雙溫模型，如:有限差分法、有限單元法以及物質(zhì)點法等;第二類，使用雙溫模型與分子動力學相結(jié)合的方法（TTM-MD），在連續(xù)介質(zhì)層面求解電子溫度，通過原子模擬求

2、解晶格溫度，進而對薄膜的固-液相交進行數(shù)值計算。進行數(shù)值計算時，模型中的熱物理參數(shù)直接影響到金屬薄膜的熱傳導(dǎo)和溫度分布;光學參數(shù)（反射率和吸收系數(shù)）直接影響到金屬薄膜的對激光能量的吸收，從而改變金屬薄膜的熱響應(yīng)。
　　本文首先考慮動態(tài)光學性質(zhì)的情況，在連續(xù)介質(zhì)層面采用隱式差分法求解PTTM;在原子模擬層面使用顯式差分法求解PTTM-MD的電子溫度方程、使用速度Verlet算法求解PTTM-MD的晶格溫度控制方程。分別使用以上兩種計

3、算方法對超短脈沖激光與銅納米薄膜相互作用進行數(shù)值計算。通過計算不同類型激光（tp=200fs，1ps，5ps，10ps，J0=3000J/m2，5500J/m2）與厚度為200nm的銅納米薄膜的相互作用，并對兩種數(shù)值方法計算結(jié)果的區(qū)別進行研究。然后，使用PTTM-MD分別對常數(shù)和動態(tài)光學表面性質(zhì)兩種情況下，不同類型激光照射銅納米薄膜過程進行數(shù)值計算。分析薄膜表面光學性質(zhì)的兩種不同的處理方式的計算結(jié)果的區(qū)別，探討使用常數(shù)薄膜表面光學性質(zhì)的

4、可行性。
　　研究結(jié)果表明，PTTM-MD計算出來的薄膜表面電子溫度略高于PTTM的計算結(jié)果。由于對晶格熱容參數(shù)的計算方法不相同，高能量密度時，PTTM-MD對薄膜表面晶格溫度的計算結(jié)果明顯高于PTTM的計算結(jié)果，但是低能量密度時，兩者相差不大。注入的激光能量的細微差別和熱力耦合并不是PTTM-MD計算出來的熔化深度明顯大于PTTM數(shù)值方法計算出來的熔化深度的主要因素，主要因素可能是兩種計算方法對晶格熱熔的計算方法不同，或者是PT