切向气流下激光对旋转靶热烧蚀的数值模拟

针对连续激光辐照表面存在切向气流的旋转靶目标,数值求解温度场分布以及热烧蚀效应。首先,综合切向气流、固液相变和目标旋转的影响,给出柱坐标下三维瞬态热传导方程,建立激光对旋转靶目标的热烧蚀模型。其次,分析热烧蚀过程中,物质在固态、固液态和液态之间的转化关系,提出一种改进的“单元生死法”处理旋转烧蚀过程中的边界移动问题,并采用有限容积法数值求解热烧蚀模型。最后,数值模拟温度场分布和热烧蚀效应,分析靶目标旋转速率对温度场分布和热烧蚀效应的影响。分析结果表明:靶目标的旋转,导致最大烧蚀深度不断减小,圆柱面的烧蚀区域逐渐增加,并对温度场分布产生一定影响。     

激光功率密度对Ge烧蚀蒸气动力学特性的影响

建立了一维半导体Ge激光烧蚀模型,对不同功率密度的紫外激光烧蚀半导体Ge的过程进行了模拟,并对计算结果进行了分析,得到激光功率密度对烧蚀过程以及蒸气膨胀动力学特性的影响。结果表明,激光功率密度的变化对烧蚀过程影响非常大。照射的激光功率密度越大,靶的表面温度越高,蒸发深度、烧蚀蒸气温度和膨胀的速度、相应蒸气膨胀的空间尺度也越大,且等离子体屏蔽现象出现得越早。在给定的烧蚀条件下,等离子体屏蔽的阈值在1×108~1.5×108W/cm2之间。     

靶面激光光斑尺寸原位测量的研究

提供了一种简便易行的靶面激光光斑尺寸原位测量的方法。从高斯光束的横向光强分布特性出发,建立了激光烧蚀斑半径与辐照激光能量、光斑尺寸、烧蚀阈值间的关系式,模拟分析发现辐照激光光斑尺寸对烧蚀斑半径随辐照能量变化曲线有较大影响。对于脉宽为2 ms,波长为1064 nm的激光,实验测量了不同能量激光辐照下相纸烧蚀斑半径,并用推导出的关系式拟合测量数据,获得了靶面处光斑尺寸和样品烧蚀阈值。同时,也测量了不同位置处的光斑尺寸和样品烧蚀阈值,对高斯光束束腰位置和样品烧蚀阈值的光斑尺寸效应进行了验证。研究结果表明该技术结果可靠,简单高效。该技术可以为高能激光与固体物质相互作用的基础研究和激光加工等应用领域中实现简单方便地测量靶面光斑尺寸提供帮助。     

碟片式激光烧蚀微推力器靶盘利用率优化

碟片式激光烧蚀推力器的总冲与靶盘上烧蚀点数量线性相关,提高靶盘利用率有利于在有限的靶面上得到更多的烧蚀点。为了优化靶盘利用率,文中首先对激光烧蚀微推力器进行了结构设计和分析,对靶盘上的烧蚀点分布问题进行了理论建模,提出了串珠法和套圈法两种分析方法,分别设计了圆圈路径、螺旋路径和六角密排三种实际烧蚀点分布方式。通过计算,分析比较了三种分布方式下,靶盘尺寸和烧蚀点尺寸对靶盘利用率的影响规律。结果表明,六角密排的靶盘利用率理论最高可达90.64%,圆圈路径和螺旋路径的靶盘利用率理论最高可达78.54%;靶盘利用率受到靶盘尺寸和烧蚀点尺寸的影响,靶盘尺寸较小时,圆圈路径的靶盘利用率相对较大,靶盘尺寸较大时,六角密排的靶盘利用率较大;三种分布方式各有特点,在应用上各有侧重。该研究为充分利用碟片式激光烧蚀推力器的靶盘提供了理论指导和设计参考,对推力器的工程化设计有一定借鉴意义。     

激光烧蚀过程中冲量耦合系数的研究

首先分析了激光烧蚀过程中,对冲量耦合系数大小有影响的因素,然后利用简化的物理模型,对激光聚焦后直接烧蚀固体靶的情况进行了理论分析,并应用数值计算重点讨论了激光能量在靶物质中的不同分布对冲量耦合系数的影响。结果说明:能量的分布不是影响冲量耦合系数的主要方面,而靶物质材料和靶结构对冲量耦合系数会有较大影响。     

脉冲激光烧蚀金属Cu产生电子和离子发射研究

通过对脉冲Ｎｄ：ＹＡＧ激光烧蚀金属Ｃｕ过程中的烧蚀靶和收集板上电压信号的时间分辨测量,研究了激光烧蚀金属Ｃｕ产生电子和离子发射过程及其受缓冲气压的影响。实验结果表明：在激光烧蚀过程中,烧蚀靶上产生离子和高能电子,高能电子较离子率先从靶面出射;随着烧蚀环境气压的升高,烧蚀靶与收集板上的电荷量迅速减少。     

强激光辐照铝靶温度分布数值模拟及实验研究

采用喷砂、磨砂、镀金表面处理工艺得到了铝靶的激光能量耦合系数。从经典傅里叶热传导方程出发,建立了强激光辐照铝靶下铝靶温度场分布数值模拟理论模型。利用有限元软件,模拟计算了连续激光辐照下铝靶的温度场分布,给出了连续均匀光斑和高斯光斑辐照下,不同表面处理工艺的铝靶所对应的最大温升。开展了铝靶强激光辐照验证实验,利用热电偶实际测量得到了辐照激光光斑中心对应的铝靶背表面最大温升,该实验结果与计算结果吻合较好。对铝靶前表面的烧蚀形貌进行了分析,与理论计算的温度场分布情况相符合,验证了数值模拟的有效性。     

飞秒脉冲激光烧蚀金属的机理分析

为了深入理解超短脉冲激光烧蚀金属的机理,特别是烧蚀过程中靶面电子发射带来的影响,本文分析了飞秒脉冲激光烧蚀金属的机理,并在此基础上建立了一维热传导双温模型,模型考虑了电子热导率、热容、电子-晶格耦合系数等参数随温度的变化,以及表面热电子发射和多光子电离导致靶面的能量损失。选择波长为 800 nm,FWHM为100 fs,峰值功率密度为1.2×1017 W/m2 的高斯型单脉冲激光辐照铜靶进行数值模拟。并对计算数据进行分析,结果表明:多光子电离所导致的电子发射比热电子发射要强,但是热电子发射持续的时间长;多光子电离导致的电子发射带走的靶面能量比较大,在分析飞秒烧蚀过程中不可忽略。     

紫外激光烧蚀金属Al靶诱导等离子体的发射光谱研究

通过测定紫外激光烧蚀Ａｌ靶诱导等离子体的发射光谱，研究了激光烧蚀Ａｌ靶的溅射过程和烧蚀环境气体对发射光谱强度的影响，提出电子碰撞激发模型，定性解释了烧蚀环境气体对等离子体发射光谱的增强效应。     

脉冲激光烧蚀铝合金靶的实验研究与数值模拟

通过实验测量与数值模拟的紧密结合,研究了毫秒级脉冲激光对铝合金板的烧蚀效应。实验研究方面,测量了1053 nm固体脉冲激光辐照下,铝合金单板的烧蚀过程及温升规律。数值模拟方面,采用完全喷射烧蚀模型,建立了金属靶温度变化及烧蚀的数值模型。数值模拟结果与实验结果相符较好,表明所建立的二维轴对称烧蚀模型可以近似描述实验中的烧蚀效应。本文建立的数值模型亦可推广至三维情形。     

飞秒激光烧蚀镍的数值模拟

为了研究金属镍的飞秒脉冲激光烧蚀特性,利用三维双温模型和采用有限差分法,对飞秒激光烧蚀镍的三维温度场进行数值模拟,计算得到了单脉冲烧蚀阈值、单脉冲烧蚀半径及烧蚀深度等。通过改变激光能量,研究了电子品格耦合时间随脉冲能量变化的规律以及脉冲能量对烧蚀半径、烧蚀深度、烧蚀速率的影响。模拟结果表明,随着飞秒脉冲激光能量的增加,材料烧蚀引起的喷射出现的越早,完成烧蚀所用时间越长,烧蚀速率越大,同时材料烧蚀孔半径、深度增加,最终趋于饱和。     

双温方程用于飞秒激光烧蚀金属的模拟分析

讨论了双温模型在不同近似下的电子热传导率对于模拟飞秒激光烧蚀金属过程中靶材的电子温度和晶格温度分布的影响,用有限差分法对飞秒激光脉冲烧蚀金属靶的过程的温度场进行了一维数值计算,以铜靶为例给出了靶材电子与晶格温度分布随时间和深度的演化规律并进行了分析,结果表明不同近似下电子热传导率对于模拟温度分布计算结果有着重要的影响。     

强脉冲激光金属表面烧蚀热场的数值仿真

用有限差分法对强脉冲激光难熔金属表面烧蚀过程的温度场进行了三维数值仿真计算。计算模型在能量平衡方程的基础上,将入射的脉冲激光在时间与空间上的分布以Ｇａｕｓｓ分布考虑,同时考虑工件尺寸、工件材料热物理性质及对流辐射造成的表面热损失等对温度场的影响。文章应用交替方向隐式方法建立差分方程,对该数学模型进行计算,数值模拟了难熔金属钛、钼在强脉冲激光烧蚀下的温度场变化,并将数值解与热导方程的解析解进行了分析     

脉冲激光制备ZnO薄膜烧蚀过程中的温度演化

为了研究脉冲激光烧蚀氧化锌靶材的整个过程,给出脉冲激光作用块状靶材的烧蚀模型.从包含热源项的导热方程出发,利用适当的动态边界条件,详细研究了靶材在熔融前的温度分布规律.结果表明,靶材熔融前,在固定位置,温度随时间推移而升高,且距离靶面越近,变化率越大.在同一时刻不同位置,温度随着热扩散距离增加而下降;并采用精确解与积分近似法相结合的方案,给出熔融后固液两相的温度分布与时间和位置的变化关系.液相的温度梯度随扩散距离增加而下降,在距烧蚀面0.5μm之内,温度梯度很大;在0.5μm后面的部分,温度变化就很缓慢;固相的温度变化较为复杂.     

尺寸效应下超快激光加热硅薄膜二维传热研究

超快激光技术目前较为广泛地应用于微纳米结构的加工,极小的尺寸产生了不同于宏观条件的传热特性,也逐渐成为人们研究的热点。文章采用改进双相滞导热(dual-phase-lagging,DPL) 模型对超快激光照射纳米硅薄膜的二维传热过程展开了理论研究。通过应用积分变化法求解了反映尺寸效应的改进DPL方程,分析了薄膜内部温度沿薄膜厚度方向和径向的变化规律。结果显示薄膜加热区域的温度迅速升高,随后能量会以波的形式逐渐向薄膜内部传递。在采用改进DPL模型得到的结果中热量的波状传递现象与DPL模型的结果相比更为平缓,将二维改进模型的结果同一维结果进行对比,发现在相同克努森数下,二维模型得到的温度要高于一维模型;且两者的差距会随着时间的推移愈发明显,表明二维传热过程中热量的径向传递对薄膜内部的温度分布具有重要影响。     

激光微造型中烧蚀热场及弹坑的数值模拟

在摩擦副表面激光微细加工技术中,为了确定其表面形貌,采用有限差分法对激光微造型中的烧蚀温度场和烧蚀产生的弹坑进行了数值模拟,计算模型在能量平衡方程的基础上,将入射脉冲激光在空间以高斯分布考虑,模拟出了激光微造型中靶材的温度场分布和变化规律,以及弹坑的深度和直径,进行了理论分析和实验验证,将此模拟结果(弹坑直径和深度)和现有文献中的实验进行比较,得到了良好的一致性.这对于激光微造型技术的理论研究是有帮助的.     

高频飞秒激光对铜片烧蚀过程热弛豫现象研究

研究了铜片在不同能量密度的单脉冲飞秒激光下烧蚀的结果。 将飞秒激光烧蚀实验的结果结合双温模型在有限差分法下模拟出的数据图,从而研究不同激光能量密度与烧蚀间的联系。飞秒激光的烧蚀过程属于非平衡烧蚀,按照模拟出的数据,对铜片烧蚀过程中表面电子温度及晶格温度有了直观的认识,进而进行研究,得出整个激光烧蚀中热弛豫规律。 在不同能量密度的飞秒激光烧蚀下对电声相互作用的研究,其模拟结果有利于找出能量密度与飞秒激光烧蚀的关联,而实验图进一步表明了提升飞秒激光能量密度与加工铜材料的加工效率以及加工质量之间的意义。综合以上分析,能够得出随着飞秒激光能量密度的增加,飞秒激光烧蚀期间材料的热弛豫过程加长,烧蚀强度有所增加,材料加工后得出形貌质量提高,其对于飞秒激光烧蚀材料的研究具有很大意义。