短脈沖激光輻照金屬激發(fā)溫度場和超聲波的數(shù)值研究.pdf

1、本文采用有限元方法建立了短脈沖激光與金屬相互作用時在金屬中產(chǎn)生的電子與晶格的溫度場以及基于熱彈激發(fā)超聲的數(shù)值模型,研究了短脈沖激光輻照下金屬中電子與晶格的溫度場隨激光脈沖寬度的變化情況及皮秒激光產(chǎn)生的超聲波,對其特征做了理論分析。
　　 在考慮了飛秒脈沖激光的時間分布和空間分布的情況下,分別對低脈沖能量和高脈沖能量輻照金屬時激光與電子及金屬內(nèi)電子與晶格間的能量傳播過程進行了數(shù)值模擬。結果表明:飛秒激光輻照金屬時,金屬內(nèi)的電子與晶

2、格之間存在非熱平衡狀態(tài);輻照區(qū)域附近會產(chǎn)生一個很小的溫升區(qū)域,其軸向的溫度梯度遠大于徑向溫度梯度；在脈沖能量相同的情況下,飛秒量級激光的脈沖寬度越小,輻照中心點的電子和晶格溫度的最大值越高；脈沖寬度遠小于皮秒量級時,電子和晶格的溫度達到平衡的時間主要取決于電子與晶格的耦合作用,而當脈沖寬度接近皮秒量級時,該平衡時間主要取決于激光對金屬的加熱時間。
　　 針對飛秒激光與金屬相互作用時金屬內(nèi)電子出現(xiàn)的過冷卻現(xiàn)象(金屬內(nèi)的電子與晶格溫

3、度達到平衡點后電子的溫度小于晶格溫度的現(xiàn)象)進行了數(shù)值實驗。數(shù)值實驗結果顯示:電子出現(xiàn)過冷卻現(xiàn)象是由于金屬內(nèi)電子的熱導系數(shù)與其熱容的比值大于晶格的熱導系數(shù)與熱容的比值。
　　 在上述溫度場的基礎上本文先用有限元數(shù)值方法模擬了納秒激光在金屬中產(chǎn)生的激光超聲,并與利用積分變換法求解熱彈方程的解析解進行了比較,兩者符合較好。然后研究了皮秒激光產(chǎn)生的超聲波,對波形特征做出理論分析。數(shù)值計算結果顯示:皮秒激光產(chǎn)生的超聲波頻率遠大于納秒激光