纳秒脉冲激光沉积薄膜过程中的烧蚀特性研究

研究了高能短脉冲激光薄膜制备的整个烧蚀过程.首先建立了基于超热理论的烧蚀模型，然 后利用较为符合实际的高斯分布表示脉冲激光输入能量密度，给出了考虑蒸发效应不同阶段 的烧蚀状态方程.结合适当的边界条件，以Si靶材为例，利用有限差分法得到了靶材在各个 阶段温度随时间和烧蚀深度的演化分布规律及表面蒸发速度与烧蚀深度在不同激光辐照强度 下随时间的演化规律.结果表明，在脉冲激光辐照阶段，靶材表面的蒸发效应使得靶材表面 温度上升显著放缓；在激光辐照强度接近相爆炸能量阈值时，蒸发速度与蒸发厚度的变化由 于逆流现象将显著放缓.还得到了考虑了熔融弛豫时间及蒸发效应的固-液界面随时间的演化 方程，这一结论较先前工作更具有普适性. 关键词： 脉冲激光烧蚀 热流方程 温度演化 有限差分法     

靶材吸收率变化与烧蚀过程熔融前靶材温度分布

讨论了脉冲激光沉积法中烧蚀阶段熔融前靶材吸收率的变化对于其温度分布的影响. 给出了靶材吸收率随时间的变化规律，并在此基础上，利用较为符合实际的高斯分布表示脉冲激光输入能量密度，建立了相应的热传导方程. 结合适当的边界条件，利用有限差分法，以硅靶材和钨靶材为例，给出了靶材熔融前温度分布随时间和深度变化的演化分布规律，同时对相关过程的物理图像进行详细的讨论.对于吸收率的变化与脉冲激光能量密度的分布对于相应过程的影响，进行了分析讨论. 结果表明，在脉冲激光中间的持续过程中，忽略靶材吸收率的变化对于最终的模拟结果有重要影响，从而导致理论结果与实验数据有较大差异. 关键词： 脉冲激光沉积 吸收率 有限差分 温度演化     

脉冲激光烧蚀块状靶材的双动态界面研究

给出脉冲激光作用块状靶材的烧蚀模型.根据能量平衡原理,导出烧蚀面的位置随时间的变化关系.利用绝热近似、温度连续性条件和能量平衡原理来获得烧蚀面与固液相界面边界条件.结合热传导方程,利用精确解与积分近似法相结合的方案,给出固液两相的温度分布与时间和位置的变化关系,以及固液相界面的位置随时间的变化规律,并与已有的理论和实验结果进行比较.最后以铝靶为例计算模拟了激光烧蚀的全过程计算. 关键词： 脉冲激光 等离子体 固液相界面 烧蚀面     

飞秒多脉冲激光烧蚀金属过程中的能量剩余现象

提出了描述整个飞秒多脉冲激光烧蚀过程的物理模型,模型考虑了多脉冲烧蚀的新的特点,考虑靶材吸收率随温度的变化和蒸发效应,建立了激光烧蚀不同阶段的热传导方程,给出了相应的定解条件。以金靶材为例,利用有限差分法,求解了热传导动力学方程,分别给出单脉冲和多脉冲作用下相应的靶材电子和离子亚系统的温度演化图像,及多脉冲激光作用下能量剩余系数和脉冲个数的变化规律,发现理论曲线与相应的实验数据吻合较好。研究结果充分证明多脉冲激光烧蚀过程中剩余能量的存在。     

超短脉冲激光烧蚀金属靶热分布的数值解与解析解

研究了超短脉冲激光烧蚀靶材的整个过程,对描述超短脉烧蚀过程热行为的双温度方程进行了分析简化,得出了超快激光烧蚀金属材料的解析解. 以铜靶材为例,对双温度模型的数值解与解析解做了对比分析,得到了靶材温度随时间和深度的变化规律,结果显示解析解的计算结果比较好的符合了数值解的计算结果.     

脉冲激光烧蚀过程中靶材表面熔融前温度分布与激光功率密度分布的研究

用较为符合实际的高斯分布表示了脉冲激光输出功率密度分布，讨论了脉冲激光功率密度分布函数形状变化对烧蚀过程中靶材表面熔融前温度分布的影响。建立了考虑热源项的热传导方程，并给出了相应的边界条件。以Si为例，用有限差分方法模拟了温度随时间、位置的变化规律，模拟过程中强调了对边界条件的处理，使整体截断误差保持最小。通过改变脉冲激光功率密度分布函数的形状，分析了温度分布的变化。结果表明，相比恒定脉冲功率密度输出，功率密度高斯分布的激光束与靶材作用时高温阶段的温度变化率变大，靶材表面熔融时刻热扩散距离增加；当激光器上升沿变陡时，在有效作用时间内温度上升得更快，对加工区域周围热效应的影响明显减弱，而热扩散距离变小。     

高斯与平顶光束纳秒脉冲激光物质蒸发烧蚀动力学仿真研究

基于建立的纳秒脉冲激光与金属铝相互作用的二维轴对称模型,仿真研究了光束整形对纳秒脉冲激光烧蚀金属铝过程中蒸发烧蚀动力学的影响.结果表明:等离子体屏蔽对靶材的烧蚀特性具有显著影响,屏蔽效应主要体现在脉冲的中后期.对于3种激光轮廓,高斯光束的屏蔽效果最强,随着整形后的平顶光束直径的增大,屏蔽效果逐渐减弱.平顶光束与高斯光束作用下,靶材温度的二维空间分布较为不同.高斯光束作用时,靶材中心最先升温,随后温度沿径向和轴向扩散.由于平顶光束的能量分布更加均匀,因此一定径向范围内的靶材同时升温.光束整形对靶材的蒸发烧蚀动力学影响较大.对于高斯光束,靶材中心先烧蚀,随后产生径向烧蚀.由于整形后平顶光束的能量密度降低,因此靶面蒸发时间较高斯光束延后,并且一定径向范围内的靶材同时发生蒸发烧蚀.3种激光轮廓下,靶材的蒸发烧蚀形貌与光束的强度分布类似,其中高斯光束的烧蚀坑呈中间深两边浅的特点,平顶光束的烧蚀坑较为平坦.     

脉冲激光烧蚀中电声弛豫时间的确定

为了提高脉冲激光制备薄膜的质量,准确掌握电声弛豫时间是关键,它对脉冲激光脉宽和能量密度的选取起着决定性的作用. 文中以铝靶材为例,利用经典的双温方程通过时域有限差分法(FDTD)得到电子、离子亚系统的温度随时间和位置演化的图像,进而得到电声弛豫时间的准确值. 这样便能准确划分热烧蚀和非平衡烧蚀,从而更好地控制激光的烧蚀过程. 同时找出了电声弛豫时间随激光脉宽以及能量密度变化的规律. 关键词： 飞秒激光 电声弛豫时间 双温方程 激光能量密度     

飞秒双脉冲激光照射金属薄膜的热行为

通过双温方程对飞秒单脉冲与双脉冲照射金薄膜进行了计算模拟分析,得到了金靶的电子温度和晶格温度随着时间空间的变化。在同样激光能量密度下,单脉冲与双脉冲使得金膜温度的变化表明双脉冲使得更多的激光能量渗透到靶材内部,这些能量可以使得烧蚀深度更深,有利于提高激光烧蚀靶材的效率。计算结果显示随着激光能量密度的增加熔化面深度逐渐增加,单脉冲与双脉冲熔化面深度的变化明显不同。在激光能量密度高于损伤阈值附近,单脉冲的烧蚀深度大于双脉冲的烧蚀深度,随着激光能量密度增加,双脉冲的烧蚀深度将大于单脉冲的烧蚀深度。     

飞秒双脉冲激光照射金属薄膜的热行为

通过双温方程对飞秒单脉冲与双脉冲照射金薄膜进行了计算模拟分析,得到了金靶的电子温度和晶格温度随着时间空间的变化。在同样激光能量密度下,单脉冲与双脉冲使得金膜温度的变化表明双脉冲使得更多的激光能量渗透到靶材内部,这些能量可以使得烧蚀深度更深,有利于提高激光烧蚀靶材的效率。计算结果显示随着激光能量密度的增加熔化面深度逐渐增加,单脉冲与双脉冲熔化面深度的变化明显不同。在激光能量密度高于损伤阈值附近,单脉冲的烧蚀深度大于双脉冲的烧蚀深度,随着激光能量密度增加,双脉冲的烧蚀深度将大于单脉冲的烧蚀深度。     

超短激光蚀除金属机制的分子动力学研究

采用耦合电子热传导方程的分子动力学方法,研究了飞秒激光辐照下金属Ni的熔化及蚀除动力学。分析了靶材内部温度分布特征及蚀除产物的构成,主要包含单个原子及大团簇。确定了断裂位置和蚀除开始的标志,即该处温度分布出现小的峰值,且粒子数密度急剧下降。模拟结果表明：强烈的蒸发及靶材内部所产生的拉应力分别是单个原子及大团簇喷射的机制。同时,深入探讨了激光诱导压力波的传播规律,预测了压力波的波速,约为4.97 km/s。将不同脉冲能量密度下的蚀除速率同实验数据加以对比,结果相差16%~20%。预测了熔深随时间的变化规律,基本随时间的延续而呈上升的趋势。发现过热现象的存在。     

Compton散射下的强激光等离子体冲击波对固体的热烧蚀效应

应用多光子非线性Compton散射理论,研究了Compton散射下的强激光等离子体冲击波对固体的热烧蚀效应,给出了冲击波功率密度与靶材熔化温度及沸腾温度与加热时间的表达式,得到了冲击波照射靶材烧蚀孔的最佳实验条件。结果表明：固体的生热率提高,温度分布发生变化,作用点达到熔化和沸腾温度所需时间和功率比无散射时小。当冲击波能量为250J,到靶面的距离为70~80mm时,对靶材烧蚀孔的效果较好。当时间为1.2~3.6ms,到靶面的距离为28~80mm时,烧蚀效果较好;当能量密度为400~2800J•cm-2时,烧蚀深度成较差的线性增加,功率密度与烧蚀斑尺寸近乎成反比。     

超短激光蚀除金属机制的分子动力学研究

 采用耦合电子热传导方程的分子动力学方法,研究了飞秒激光辐照下金属Ni的熔化及蚀除动力学。分析了靶材内部温度分布特征及蚀除产物的构成,主要包含单个原子及大团簇。确定了断裂位置和蚀除开始的标志,即该处温度分布出现小的峰值,且粒子数密度急剧下降。模拟结果表明：强烈的蒸发及靶材内部所产生的拉应力分别是单个原子及大团簇喷射的机制。同时,深入探讨了激光诱导压力波的传播规律,预测了压力波的波速,约为4.97 km/s。将不同脉冲能量密度下的蚀除速率同实验数据加以对比,结果相差16%~20%。预测了熔深随时间的变化规律,基本随时间的延续而呈上升的趋势。发现过热现象的存在。     

Improved thermal model and its application in UV high-power pulsed laser ablation of metal target

An improved thermal model describing UV high-power nanosecond laser ablation of metal target is presented. The vaporization effect, the plasma shielding effect, as well as the absorption coefficient and absorptivity dependence of temperature are considered in this model. Take iron target as an example, the numerical solutions are obtained from the heat flow equations (before and after melting) using a finite difference method. The space and time dependence of temperature of the target, the time dependence of temperature at two different positions for a certain laser fluence, and the ablation rate as a function of laser fluence are also presented. The numerical results that agreed well with the experimental data are much better than the one without, which indicates that the above two effects and the temperature dependence of absorption coefficient and absorptivity in UV high-power laser ablation of metal target should not be neglected. We hope the present model will be useful for further experimental investigation of metal thin films prepared by pulsed laser deposition.     

围绕变壁温水平圆柱热源接触熔化的理论分析

研究围绕变壁温热源的接触熔化,建立表面温度随角度变化的水平圆柱热源接触熔化模型.对紧密接触熔化区的液体传热与运动状态进行分析,运用Nusselt液膜理论建立熔化控制方程,并采用理论求解,得到稳定熔化时的熔化速度解析解,所得结果包含了文献关于定壁温热源熔化的分析结果.通过分析不同温度分布下发生接触熔化的熔化速度、液膜厚度和压力分布情况,得到温度分布对熔化影响的规律.     

Thermal characteristics of double-layer thin film target ablated by femtosecond laser pulses

Thermal characteristics of tightly-contacted copper--gold double-layer thin film target under ablation of femtosecond laser pulses are investigated by using a two-temperature theoretical model. Numerical simulation shows that electron heat flux varies significantly on the boundary of copper--gold film with different maximal electron temperature of 1.15×10³ K at 5 ps after ablating laser pulse in gold and copper films, which can reach a balance around 12.6 ps and 8.2 ps for a single and double pulse ablation, respectively, and in the meantime, the lattice temperature difference crossing the gold--copper interface is only about 0.04×10³ K at the same time scale. It is also found that electron--lattice heat relaxation time increases linearly with laser fluence in both single and double pulse ablation, and a sudden change of the relaxation time appears after the laser energy density exceeds the ablation threshold.     

激光辐照下卫星筒体部分多物理建模及毁伤效应分析

激光反卫星武器是干扰、破坏星载光电仪器设备或摧毁卫星平台的重要手段.基于Fourier的非稳态导热方程,结合靶材内部的实际结构和金属材料的高温特性,通过建模与数值仿真,实现了卫星筒体在激光辐照下毁伤的仿真过程,获得了典型工况下靶材的温度、熔化深度和内部应力分布等多物理变化规律.分析了不同功率密度的激光对靶材温度场和熔化...