飛秒激光燒蝕金屬與合金的機(jī)理及數(shù)值模擬.pdf

1、飛秒激光與材料相互作用的物理機(jī)制是飛秒激光微納加工的基礎(chǔ)。深入分析并理解飛秒激光燒蝕金屬與合金材料，對(duì)提高加工效率與加工質(zhì)量，全面優(yōu)化加工工藝有很好的指導(dǎo)作用。
　　本文采用結(jié)合雙溫模型與分子動(dòng)力學(xué)模擬的方法研究飛秒激光與金屬及合金材料相互作用所涉及的溫度場(chǎng)演化，內(nèi)部應(yīng)力分布和原子位型變化等瞬態(tài)物理過(guò)程。論文的主要內(nèi)容總結(jié)如下：
　?。?）分析總結(jié)了飛秒激光與金屬材料相互作用的一般物理過(guò)程。在超快時(shí)間領(lǐng)域內(nèi)激光能量的沉積過(guò)程

2、，材料對(duì)能量的吸收以及轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化等過(guò)程。描述材料在不同的特征時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的特定物理現(xiàn)象。具體闡述了結(jié)合雙溫模型的分子動(dòng)力學(xué)模擬方法的執(zhí)行步驟。
　　（2）從一維雙溫模型出發(fā)，分析了材料熱物理參量，包括電子熱容，電子熱傳導(dǎo)率模型和電子聲子耦合因子等對(duì)飛秒激光燒蝕金屬材料溫度場(chǎng)演化的影響。研究發(fā)現(xiàn)電子熱容較大的金屬需要較高的能量才能發(fā)生燒蝕行為，而不同的電子熱傳導(dǎo)率模型對(duì)飛秒激光作用下材料的熱影響區(qū)域深度至關(guān)重要。電子聲子耦合因子則對(duì)材料

3、內(nèi)部電子晶格間能量非平衡性持續(xù)時(shí)間起決定作用。還探討了不同激光參量對(duì)溫度場(chǎng)演化的影響，發(fā)現(xiàn)激光能量越高，則溫度越高，溫度梯度越明顯，電子聲子耦合時(shí)間變長(zhǎng)。而脈寬越短，作用過(guò)程越激烈，激發(fā)的電子溫度越高。
　?。?）采用結(jié)合雙溫模型的分子動(dòng)力學(xué)方法，開(kāi)展了飛秒激光與過(guò)渡金屬鎳，輕質(zhì)金屬鋁和貴金屬銀等典型金屬作用的研究。過(guò)渡金屬鎳有較大的電子熱容和較小的電子熱傳導(dǎo)率，因此熱影響區(qū)域深度較小，且發(fā)生燒蝕行為所需的激光能量較高。飛秒激光與

4、金屬材料作用機(jī)理可描述為當(dāng)能量足夠大時(shí)，材料形成均勻的熔化固液界面向材料內(nèi)部推進(jìn)，當(dāng)繼續(xù)增加能量密度，可能誘發(fā)氣相形核甚至達(dá)到材料的臨界點(diǎn)溫度，從而可能發(fā)生相爆炸現(xiàn)象。若繼續(xù)增加能量密度，則可直接導(dǎo)致材料表面稠密等離子的形成。
　?。?）首次初步建立了飛秒激光與B2結(jié)構(gòu)鎳鈦合金相互作用的結(jié)合雙溫模型的分子動(dòng)力學(xué)模型。分析不同能量密度和脈沖寬度的激光對(duì)燒蝕結(jié)果的影響。測(cè)得了材料在吸收能量密度為29.3mJ/cm2下發(fā)生燒蝕行為。燒蝕