飞秒激光加工过程数值模拟
激光制造中光束熔化过程的数值模拟
激光制造中光束熔化过程的数值模拟激光制造中的光束熔化过程是现代制造业中一项重要的技术，它能够将高密度的能量精确定向到材料表面，使其在瞬间熔化并凝固成为所需要的形态。
在激光制造工艺中，光束熔化过程的数值模拟是至关重要的，它可以对加工过程中的温度、速度、形态等参数进行预测和分析，从而帮助制造工程师优化加工参数，提高制造效率和品质。
一、激光制造中的光束熔化过程激光制造是一种高精度、高效率的制造技术，它使用激光束将能量定向到材料表面，使其熔化或蒸发，并以特定的形态凝固成为所需的工件。
光束熔化是激光制造中最常用的加工方法之一，它通过光束对工件表面进行扫描，使材料表面经过高密度的能量瞬间熔化，形成液态态的金属或塑料，随后再利用冷却过程使其凝固形成所需要的形态。
二、光束熔化过程的数值模拟光束熔化过程的数值模拟是激光制造过程中的重要环节，它可以对加工过程中的温度、速度、形态等参数进行预测和分析，从而帮助制造工程师优化加工参数，提高制造效率和品质。
数值模拟方法可以基于几种光束熔化的物理过程，如热输运、相变、流体力学等，使用数学模型对加工过程进行建模和仿真。
通常，数值模拟方法可以在计算机上执行，可将实验成本降至最低，同时大大减少加工发生错误的风险。
在模拟过程中，工程师通常使用有限元或有限体积法对材料、能量传输、相变、流体力学等问题进行建模和求解。
这种方法是编程复杂，需要相应的数学和物理知识。
三、数值模拟在激光制造中的应用实例数值模拟的应用使工程师能够更快地理解激光制造的物理特性，并使他们能够针对特定应用场合制定最佳加工方案。
以下是数值模拟在激光制造中的一些典型应用场景：1.优化激光加工参数数值模拟可以为激光加工过程提供深入的了解，从而发现材料的变化、熔池的形成和热应力等问题。
这些都有助于工程师进行参数优化，以实现更高的精度、更高的效率和更高的质量。
2.预测材料变化和形变数值模拟也可以帮助工程师预测熔化和固化过程中材料变形和形状变化。
不同频率飞秒激光脉冲序列加工炸药过程安全性的数值计算
不同频率飞秒激光脉冲序列加工炸药过程安全性的数值计算伍俊英，刘嘉锡，杨利军，李姚江，吴姣姣，陈朗（北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室，北京100081）摘要：为了研究飞秒激光加工炸药技术的安全性，建立了飞秒激光脉冲序列加工炸药的计算模型，考虑了炸药在受热条件下的自热反应。
采用数值计算的方法对飞秒激光脉冲序列烧蚀炸药（TNT ，TATB 和HMX ）的过程进行了计算，分析了飞秒激光脉冲序列加工炸药过程的安全性。
计算结果表明，飞秒激光脉冲序列频率、炸药自热反应放热量和热扩散系数会显著影响加工过程的安全性。
在这三种炸药中，HMX 自热反应的放热量最大，热扩散系数最小，因此热累积效应最明显，在三种不同频率（1×103Hz ，1×105Hz 和2×105Hz ）的飞秒激光脉冲序列作用下均发生了点火；相反，TATB 的热累积效应最弱，在三种不同频率的飞秒激光脉冲序列作用下均未发生点火；TNT 的热累积效应介于HMX 和TATB 之间，因此只在频率较高的飞秒激光脉冲序列作用下才发生点火。
在实际加工过程中，特别是对自热反应放热量较大和热扩散系数较小的炸药，为保证加工过程的安全性，应尽量选用频率较低的飞秒激光脉冲序列对其进行加工。
关键词：飞秒激光；脉冲序列；激光加工；炸药；数值计算中图分类号：TJ55文献标志码：ADOI ：10.11943/CJEM20201831引言具有高精度结构的炸药部件对提升武器的毁伤性能十分重要。
由于炸药自身具有一定的危险性，所以对炸药进行高安全、高精度的切削加工一直是一个技术难题。
飞秒激光加工炸药技术是利用高功率的飞秒激光，把其聚焦区内的炸药瞬间变成高温高压等离子体来实现对炸药的烧蚀去除。
在飞秒激光加工物质的过程中，加工物质形成等离子体的时间尺度远小于飞秒激光能量传递到被加工区域周围的时间尺度，因此被加工区域周围的物质不易受到热传导的作用，这使得飞秒激光与物质作用的过程不同于长脉冲激光（皮秒、纳秒和毫秒激光），从而从根本上消除了长脉冲激光加工过程中存在的热影响和热损伤现象，实现了对材料的“冷加工”［1-3］。
飞秒激光脉冲倍频特性的数值模拟
飞秒激光脉冲倍频特性的数值模拟
姜宝华;黄章超;吕福云
【期刊名称】《量子电子学报》
【年(卷),期】2013(30)4
【摘要】模拟了随着传播长度的增加,基频和倍频激光脉冲的时域波形和光谱特性的演变过程。
通过引入走离长度和非线性长度,给出了走离效应、群速度色散和三阶非线性效应对飞秒脉冲倍频的影响。
研究了飞秒脉冲倍频的波长调谐特性,发现40 ps基频脉冲波长调谐带宽仅有2.8 nm,而40 fs基频脉冲的倍频波长调谐带宽高达42 nm。
这在周期极化倍频晶体工艺中有重要应用价值。
【总页数】7页(P466-472)
【关键词】非线性光学;飞秒脉冲;波长调谐;波形和光谱演变
【作者】姜宝华;黄章超;吕福云
【作者单位】青岛黄海学院电子与信息工程学院;南开大学物理科学学院
【正文语种】中文
【中图分类】O437
【相关文献】
1.飞秒激光脉冲测量原理与数值模拟分析方法 [J], 胡毅;张智诠
2.飞秒超短脉冲激光的三倍频 [J], 徐永生
3.飞秒脉冲激光的倍频实验研究 [J], 张树葵;文国庆;周丕璋;王清月;彭翰生
4.飞秒激光脉冲倍频的实验研究 [J], 林晓宣;陈黎明;李玉同;徐妙华;远晓辉;刘峰;张
翼;李汉明;王兆华;刘峰1;魏志义;赵卫;张杰
5.飞秒激光多脉冲烧蚀镍钛合金的数值模拟 [J], 张彦斐;王雷雷;宫金良
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激光成形过程中的数值模拟与实验研究
激光成形过程中的数值模拟与实验研究
激光成形是一种基于激光熔化和凝固制造工艺的新型加工方法。
它是一种以激
光加工为基础，利用数值模拟技术和实验手段研究工艺参数对材料成形过程的影响，以实现快速制造产品的成型技术。
在工业制造、航空航天、海洋开发等领域得到了广泛应用。
数值模拟是研究激光成形过程中工艺参数与成形质量关系的一种重要手段。
在
数值模拟中，建立准确的模型和模拟算法是关键。
目前，常用的数值模拟方法主要包括有限元方法、有限差分方法、流体力学方法等。
这些方法可以用于预测材料的熔化、凝固、塑性变形和残余应力等关键过程，有效地指导激光成形实验。
但是，数值模拟中的材料模型和各种物理参数的选取和精确度对模拟结果影响
很大。
因此，相对于数值模拟，实验验证更加直观有效。
实验是验证数值模拟结果正确性的一种直接手段。
实验可以直接测量各种工艺
参数和成形效果，同时也可以获取现有模型等数据用于模拟。
通过实验验证，可以改进数值模拟结果，提高成形预测的准确性。
同时，不同的工艺参数对激光成形效果的影响也需要进行深入研究。
例如，对
于激光成形过程中的熔化速度、成形速度、等离子体扰动和熔池温度等参数的研究，可以优化成形效果，提高成形质量和效率。
目前，激光成形技术的发展还需要更加深入的研究和实验验证。
更高效、更精
确的数值模拟方法和实验手段将极大的推动激光成形技术的发展。
未来的工业制造和航空航天等领域，激光成形技术将起到更加重要的作用。
飞秒激光成丝的matlab
飞秒激光成丝的matlab【最新版】目录1.飞秒激光成丝原理2.MATLAB 在飞秒激光成丝中的应用3.飞秒激光成丝的 MATLAB 模拟过程4.飞秒激光成丝技术的发展前景正文飞秒激光成丝是一种利用飞秒激光束对物质进行高精度切割的技术。
飞秒激光的脉冲宽度极短，仅为 10^-15 秒，能够在物质表面产生极高的能量密度，使物质迅速气化或熔化。
在飞秒激光成丝过程中，激光束通过特定的光学系统聚焦，形成一个高强度的光斑，光斑在物质表面扫描，将物质切割成细丝状。
MATLAB 是一种广泛应用于科学计算和工程设计的软件，能够进行数据分析、可视化、算法开发等多种任务。
在飞秒激光成丝技术中，MATLAB 同样发挥着重要作用。
首先，利用 MATLAB 可以对飞秒激光成丝的原理进行仿真模拟，研究不同参数对成丝过程的影响，从而优化成丝效果。
其次，MATLAB 可以对飞秒激光成丝过程中的光斑形状、大小、扫描速度等参数进行精确控制，保证成丝质量。
此外，MATLAB 还可以对飞秒激光成丝的实验数据进行处理和分析，为技术研发和工程应用提供有力支持。
飞秒激光成丝技术在近年来得到了迅速发展，广泛应用于微电子、光电子、生物医学等领域。
随着飞秒激光技术和 MATLAB 软件的不断更新和完善，飞秒激光成丝技术将会在更多领域发挥更大的作用。
例如，在微电子制造领域，飞秒激光成丝技术可以实现微米甚至纳米级别的精细切割，为芯片制造提供新途径；在生物医学领域，飞秒激光成丝技术可以用于制备生物组织切片，为疾病诊断和治疗提供更为精确的依据。
总之，飞秒激光成丝技术在各领域的广泛应用以及 MATLAB 软件对其的强大支持，使得飞秒激光成丝技术在未来发展前景广阔。
飞秒激光加工(毕业论文)
ISHANDONG ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ ＯＦ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ毕业设计说明书飞秒激光深孔加工理论与系统设计学院：机械工程学院专业：机械设计制造及其自动化学生姓名：王继刚学号： 1111011178指导教师：张彦斐2015年 6 月摘要飞秒激光加工以其独特的加工优势越来越受到人们的注意，近年来飞秒激光加工技术迅猛发展。
本设计对飞秒激光深孔加工的理论和飞秒激光深孔加工系统进行了研究，主要研究内容如下：一、从飞秒激光加工原理角度出发，研究了飞秒激光加工的一般原理及其加工的优点。
首先，对飞秒激光加工的理论基础和理论模型进行了研究，理论模型采用双温方程，对其进行了研究；其次，重点研究了飞秒激光加工的一般原理；最后，总结出了飞秒激光加工深孔的优势。
二、采用有限元法对一维双温方程进行合理约化。
现行比较盛行的对双温方程的简化几乎都是采用有限差分法，其理论基本已经相当成熟，考虑到现代计算机技术的飞速发展，本论文提出采用有限元法对双温方程进行合理约化，并采用matlab进行数值模拟。
三、本设计在认真研究飞秒激光深孔加工理论的基础上，设计出了一种应用于飞秒激光深孔加工的加工平台。
该平台与现行的加工平台有所不同，可以实现X、Y、Z三个方向的大行程移动和X、Y方向的微小移动，并将二自由度微定位平台应用于其中。
关键词：飞秒激光，深孔加工，加工平台，系统设计IIAbstractFemtosecond laser machining is becoming very popular because of its unique advantages in recent years，femtosecond laser processing technology developed rapidly.This design has studiedfemtosecond laser deep hole machining theory and femtosecond laser deep hole processing system ,The main contention this dissertation are classified as follows.1. From the Angle of the femtosecond laser machining principle, the general principles of femtosecond laser machining and its processing advantages is studied.Firstly,On the basic theory of femtosecond laser machining and theoretical models are studied,the theoretical model is the double -temperature equation.Secondly,the general principles of femtosecond laser machining is mainly stly,summarized the advantage of femtosecond laser deep-hole processing.2. Using finite element methodtosimplify the one-dimensional double-temperature equation in a reasonable manner.The current relatively popular simplifying double-temperatureequation are almost using the finite difference method,and its basic theory has been quite mature.Considering the rapid development of modern computer technology,this paper presents the finite element method about the double- temperature equation in a reasonable mannerand numerical simulation with matlab.3.This design in earnest study of femtosecond laser theory on the basis of the deep hole processing, devised a application form of a second laser deep-hole processing platform. The platform are different from the existing processing platform, it can realize the X, Y, Z three directions of big trip and X, Y direction of the tiny movement, and it is applied to two degree of freedom micropositioning platform.Key words: Femtosecond laser; Thedeep-hole processing ; Processing platform; System designIII目录摘要 (I)ABSTRACT................................................................................................................ I II 目录 . (IV)第一章绪论 .............................................................................................................. - 1 -1.1课题的研究背景及其目的意义 (1)1.2现代深孔加工的方法 (2)1.2.1 现代深孔钻削技术................................................................................ - 2 -1.2.2 深孔的特种加工技术............................................................................ - 3 -1.2.3 SIED技术............................................................................................... - 4 -1.3飞秒激光打孔的优点 (5)1.4飞秒激光打孔技术在国内外的研究现状 (5)1.4.1 飞秒激光加工技术的发展.................................................................... - 5 -1.4.2 飞秒激光孔加工技术的研究现状........................................................ - 7 -1.5飞秒激光加工系统概况 (8)1.6本课题的研究内容 (10)第二章飞秒激光加工的理论基础与理论模型 .................................................... - 11 -2.1飞秒激光加工的理论基础 (11)2.1.1 飞秒激光加工金属的一般机理.......................................................... - 11 -2.1.2 飞秒激光加工的主要理论.................................................................. - 12 -2.2飞秒激光加工的理论模型 (13)2.3本章小结 (14)第三章飞秒激光与金属材料相互作用时有限元数值模拟 ................................ - 15 -3.1模型的建立 (15)3.11适用于飞秒激光的双温方程 (15)3.1.2模拟参数 (15)IV3.1.3有限元法计算 (15)3.1.4计算结果与分析 (21)3.2本章小结 (23)第四章飞秒激光深孔加工研究 ............................................................................ - 24 -4.1飞秒激光深孔零件加工工艺特点及基准选择 (24)4.1.1 飞秒激光深孔零件的加工工艺特点.................................................. - 24 -4.1.1 飞秒激光深孔零件加工的基准选择.................................................. - 24 -4.2影响深孔圆度的参数 (24)4.3影响深孔深度的参数 (26)4.4本章小结 (26)第五章飞秒激光深孔加工系统设计 .................................................................... - 28 -5.1飞秒激光器 (28)5.2飞秒激光深孔加工系统的主要组成 (30)5.2.1 偏振片.................................................................................................. - 30 -5.2.2 波片...................................................................................................... - 31 -5.2.3 衰减片.................................................................................................. - 32 -5.2.4 物镜...................................................................................................... - 33 -5.2.5 CCD图像传感器 ................................................................................. - 33 -5.3飞秒激光深孔加工平台总体设计与工作原理 (34)5.3.1 飞秒激光深孔加工平台的总体设计.................................................. - 34 -5.3.2 飞秒激光深孔加工平台的工作原理.................................................. - 36 -5.4 DELTA机构设计 (36)5.4.1 动平台的结构设计.............................................................................. - 36 -5.4.2 上、下连杆的结构设计...................................................................... - 37 -5.4.2 带轮座的结构设计.............................................................................. - 39 -5.5二自由度微定位平台设计 (40)5.6本章小结 (42)第六章结论 ............................................................................................................ - 43 -V参考文献 ................................................................................................................ - 44 -致谢 ........................................................................................................................ - 46 -VI- 1 -第一章绪论1.1课题的研究背景及其目的意义深孔加工，特别是微小深孔的加工是现代机械加工领域研究的重要内容，不论从机械装备品的发展还是从深孔加工技术的现有水平来看，深孔加工技术都还处于新兴发展阶段。
飞秒激光冲击AZ31B镁合金过程的数值模拟
飞秒激光冲击AZ31B镁合金过程的数值模拟姚红兵;于文龙;杨昭;李强;高原;李亚茹;倪文强【期刊名称】《光子学报》【年(卷),期】2015(0)4【摘要】采用有限元分析法对飞秒激光冲击AZ31B镁合金进行数值模拟,研究了激光冲击处理对镁合金变形过程的影响,分析了单脉冲激光冲击下材料内部的位移、动能、应力和应变的分布情况,得到了材料的瞬态速度和应变率变化过程.仿真结果表明,单脉冲飞秒激光冲击镁合金产生的塑性变形,可在材料表面形成微米级凹坑,中心点处最大位移为34μm,最大变形速度390m/s;在冲击初期,材料表面的应力和应变主要分布在冲击区域中心节点和边缘附近,并且得到镁合金的最大应力和最大应变率分别为955 MPa和1.8×106 s-1.研究结果能够为深入分析飞秒激光与镁合金作用时材料变形参量的变化规律提供数值理论依据.【总页数】6页(P35-40)【关键词】激光技术;飞秒激光;有限元分析;镁合金;特征量;板材成形【作者】姚红兵;于文龙;杨昭;李强;高原;李亚茹;倪文强【作者单位】江苏大学机械工程学院;连云港师范高等专科学校物理电子系【正文语种】中文【中图分类】TN24【相关文献】1.AZ31B镁合金激光喷丸强化后疲劳裂纹扩展的数值模拟研究 [J], 赵建飞;周建忠;黄舒;蒋素琴;樊玉杰2.摘要建立了激光打孔过程的固／液／气三相三维数值计算模型，采用水平集（1evel[．set）方法处理能量输入边界并追踪气液（L／V）界面发展，从而对激光打孔过程中的孔壁变化进行描述．模型综合考虑了材料气化、熔融液体溅射两种效应，涉及熔化潜热、气化潜热吸收及辐射散热损失等因素．基于有限体积法，编制计算程序，对激光打孔过程中的温度场、孔型演化过程进行了数值模拟，探讨了不同激光参数对打孔过程的影响．该模型对认识和研究激光打孔行为具有参考价值，也可以扩展至其他高能束流在材料表面的打孔描述． [J], 葛志福;虞钢;何秀丽;卢国权;李少霞3.飞秒激光作用下硅载流子浓度的超快变化过程数值模拟 [J], 江继军;罗福;刘文兵;陈建国4.飞秒激光作用镍钛合金数值模拟 [J], 刘泽林; 孙会来5.飞秒激光烧蚀炸药的冲击压力数值模拟 [J], 伍俊英;张晓舟;刘嘉锡;杨利军;李姚江;陈朗因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
飞秒激光加工的实验与仿真研究
飞秒激光加工的实验与仿真研究近年来，飞秒激光技术在材料加工领域得到了广泛的应用，成为了高精度、高效率的加工方法。
本文就飞秒激光加工的实验与仿真研究进行了探讨。
一、飞秒激光加工实验飞秒激光加工是一种利用超短激光来进行材料加工的方法。
其特点是能量密度高、功率大、作用时间极短。
这些特性使得飞秒激光加工可以在不影响材料性质的前提下，实现高精度和高效率的加工。
下面我们就来具体介绍一下这种加工方法的实验过程。
首先，我们需要准备一台飞秒激光加工设备。
一般来说，这种设备由激光发生器、透镜、光学扫描系统、控制系统等部分组成。
其中，激光发生器产生的激光具有超短的脉冲时间，一般在几飞秒到几百飞秒之间。
透镜的作用是使激光能够单点聚焦在材料的表面上。
光学扫描系统则用于控制激光刻画出的图形。
接下来，我们需要准备样品进行实验。
选择不同的材料样品，测试其在不同条件下所能承受的激光功率，以及加工后的表面形貌等参数。
这需要通过一系列实验来进行评估。
在实验中，我们需要进行一些重要的参数测试，例如激光能量、扫描速度、扫描线密度等。
这些参数对于最终的加工效果有着重要的影响。
同时，在实验过程中，我们还需要关注激光加工对样品的热效应，避免过高的激光功率造成样品烧损或其它不良影响。
二、飞秒激光加工仿真研究除了实验研究之外，仿真研究也是飞秒激光加工技术发展中至关重要的一部分。
仿真研究可以帮助我们更好地理解飞秒激光加工的物理过程，有利于我们设计出更加高效的加工方案。
在仿真研究中，我们运用有限元分析方法进行研究。
通过建立各种材料的数学模型，研究激光加工时的温度场、应力场及材料物理特性等参数，以及这些参数与激光加工的关系。
通过仿真研究，我们可以更加细致地了解激光在材料表面产生的过程，比如激光的穿透深度、蒸发速率等参数变化。
这些参数对于飞秒激光加工的效果有着至关重要的影响。
同时，在仿真研究中，我们还可以预测加工效果，并在实验中进行验证。
最后的总结总之，飞秒激光加工作为一种新兴的材料加工方法，具有独特的优势。
飞秒激光成丝的matlab
飞秒激光成丝的matlab摘要：一、飞秒激光成丝简介二、Matlab在飞秒激光成丝中的应用1.数值模拟2.实验数据处理与分析三、飞秒激光成丝Matlab编程实践1.代码框架搭建2.参数设置与优化3.结果展示与分析四、案例分享与讨论五、总结与展望正文：一、飞秒激光成丝简介飞秒激光成丝是一种先进的激光加工技术，通过高能量、短脉冲的飞秒激光在材料表面形成连续的丝状结构。
这种技术在材料加工、生物医学、光学领域具有广泛的应用前景。
二、Matlab在飞秒激光成丝中的应用1.数值模拟Matlab具有良好的数值计算和模拟功能，可以用于飞秒激光成丝过程中的数值模拟。
例如，通过Matlab编写程序，可以模拟激光与材料相互作用的过程，预测激光成丝的形态和尺寸。
此外，还可以模拟不同参数下激光成丝的效果，为实验提供理论指导。
2.实验数据处理与分析飞秒激光成丝实验中，需要对大量实验数据进行处理和分析。
利用Matlab的强大数据处理能力，可以方便地对实验数据进行统计分析、曲线拟合等操作，从而得到飞秒激光成丝的规律。
三、飞秒激光成丝Matlab编程实践1.代码框架搭建在进行飞秒激光成丝的Matlab编程时，首先需要搭建代码框架。
主要包括以下几个部分：（1）导入所需库：如数学、图像处理、优化等库。
（2）参数设置：设置激光功率、脉冲宽度、扫描速度等实验参数。
（3）模型建立：根据飞秒激光成丝的物理原理，建立相应的数学模型。
（4）数值计算与模拟：利用Matlab进行数值计算和模拟，得到激光成丝的形态和尺寸。
2.参数设置与优化在飞秒激光成丝实验中，激光参数的设置对成丝效果具有重要影响。
通过Matlab编程，可以方便地调整激光参数，并观察其对成丝效果的影响。
此外，还可以利用Matlab的优化工具箱，对激光参数进行优化，以达到更好的成丝效果。
3.结果展示与分析利用Matlab绘制飞秒激光成丝的模拟结果和实验数据，便于直观地展示和分析。
通过对比不同参数下的成丝效果，可以找出最优参数组合，为实际应用提供依据。
脉宽对飞秒激光辐照产生温度场的数值模拟
脉宽对飞秒激光辐照产生温度场的数值模拟卢立中;石云飞;徐晨光;徐桂东;王纪俊;许伯强【摘要】In order to study the influence of laser pulse width on the electron and lattice temperature fields and their equilibrium time, based on the two-temperature coupling theory, and by taking account of the spatial and temporal shape of the laser pulse, the numerical simulation of the temperature field of the metal surface irradiated by femtosecond pulse laser of Gaussian distribution was performed by using FEM. The two-temperature equations were given and the numeric.al model was established. The temperature fields of electron and lattice in metal materials were obtained. The results show that pulse width of femtosecond laser affects not only electron and lattice temperature rising speed and temperature maximum in one point but also spatial distribution of temperature field. The electron-lattice coupling plays a major role in the equilibrium time when the pulse width is much lower than picosecond regime, while the laser pulse width plays a major role in the equilibrium time when the pulse width is close to picosecond regime. This study establishes a theoretical basis for stress and ultrasound fields in metal generated by femtosecond laser.%为了研究脉冲宽度对飞秒激光辐照金属后产生的电子和晶格温度场以及平衡时间的影响,基于双温耦合理论,采用有限元方法,考虑激光的空间和时间分布,数值模拟高斯分布的飞秒激光辐照金属表面产生的温度场.给出了双温方程及数值模型,得到金属材料中电子和晶格的温度场.结果表明飞秒激光的脉冲宽度不仅影响某一点处电子和晶格温度的上升速度和最大值,而且影响着温度场的空间分布;当脉冲宽度远小于皮秒量级时,电子和晶格的温度达到平衡所需时间主要取决于电子与晶格的耦合作用;而当脉冲宽度接近皮秒量级时,平衡时间主要取决于激光的脉冲宽度.该结论为飞秒激光辐照金属激励产生应力场、超声波声场等的进一步研究提供了理论基础.【期刊名称】《江苏大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2011(032)002【总页数】6页(P199-204)【关键词】温度场;飞秒脉冲激光;双温模型;有限元方法;平衡时间【作者】卢立中;石云飞;徐晨光;徐桂东;王纪俊;许伯强【作者单位】江苏大学理学院,江苏,镇江,212013;江苏大学理学院,江苏,镇江,212013;江苏大学理学院,江苏,镇江,212013;江苏大学理学院,江苏,镇江,212013;江苏大学理学院,江苏,镇江,212013;江苏大学理学院,江苏,镇江,212013【正文语种】中文【中图分类】TN241随着微结构器件的不断发展，被检测器件的线度越来越小，相应的用于超声波无损检测的超声波信号的频率值要求越来越高，因此短脉冲激光在激光无损检测中的应用得到了更多的关注［1－3］.短脉冲激光辐照固体金属材料，是一个金属吸收激光能量温度升高的过程，这个过程中存在着电子与晶格之间非平衡的能量传输.这个能量传输过程，通常采用双温模型［4－6］来描述，该模型考虑到光子与电子及电子与晶格两种不同的相互作用过程，建立电子与晶格温度的双温耦合方程.近年来，许多学者研究短脉冲激光辐照加热过程和求解该耦合双温模型方程，针对具体条件对该方程进行了简化.Al-Nimr等假设皮秒脉冲辐照金属时热传递分别发生在两个独立阶段［5］:电子气传输多余能量给晶格而忽略热传导;忽略电子与晶格耦合的能量传输，能量主要以热扩散的形式传输，在假设金属性质和耦合系数不随温度变化的情况下对两阶段对应的一维方程直接求解，并与一维双温方程的数值解比较，两者符合较好.Yamashita等利用分子动力学方法求解了忽略晶格热传导的双温方程，并将所得结果与试验结果进行了比较［6］.Yilbas等基于电子动能理论(electron kinetic theroy approach)得到了解耦的能量传输方程，利用有限差分方法求解方程，所得结果和双温方程吻合较好［7］.由于双温模型方程中电子温度和晶格温度的相互耦合，直接求解非常困难.上述研究方法都对短脉冲激光的加热过程进行了适当的简化，且求解过程大多针对一维方程，而激光检测和激光微细加工过程中激光对金属的加热过程是三维立体的复杂情况.特别是短脉冲激光用于超声检测时，短脉冲激光加热后产生的温度场(特别是晶格的温度梯度场)是材料中应力场和超声波声场的激励源，因此必须首先了解该温度场的全场分布和特征.而且在短脉冲激光加热过程中材料的很多物理参数都随温度上升而变化，解析法求解很难处理材料参数依赖于温度的情况.有限元方法(FEM)建立在严密的数学理论基础上，能同时处理多种因素产生的复杂影响(如材料参数随温度同时变化等)，求解线性和非线性的多参量微分方程，既能得到全场的数值解，又能对结构中任一点作较精确的描述，是分析象飞秒激光辐照金属加热这样难以用解析法直接求解的复杂过程的有效方法［8］.文中拟在同时考虑脉冲激光的空间和时间分布的情况下，在热弹区域内对金属铜在飞秒激光辐照加热下的二维双温耦合方程进行数值求解，并对加热过程和规律进行理论分析，进而分析脉冲宽度对电子与晶格温度的影响以及电子与晶格温度达到平衡所需时间的影响.1 双温方程及数值模型1.1 理论模型图1为系统的示意图.图1 激光辐照系统示意图Fig.1 Schematic diagram for laser irradiating如图1所示，当超短脉冲激光照射到金属表面时，金属吸收激光辐射的能量温度上升，但由于金属内自由电子的热容比晶格的热容小得多，辐照初期电子和晶格的温度并不相等，处于非热平衡状态.描述这一激光辐照加热过程采用双温模型(two-temperature model，简称TTM)［4－6］，即为式中Te，Tl为电子和晶格的温度;Ce，Cl为电子和晶格单位体积的比热容;Ce与电子温度有关，Ce= Ce0Te;Ke，Kl为电子和晶格的热传导系数;G为电子和晶格的耦合系数;Ke与电子和晶格的温度有关，Ke=Ke0Te/Tl，Ke0为电子和晶格处于热平衡时电子的热传导系数.鉴于文中的研究范围为热弹区域，且晶格的温度升高范围较小，可以认为其他物理参数不随电子和晶格的温度而改变.S为金属(自由电子)吸收的短脉冲激光的能量，表达式为式中I0为入射激光中心点处的光强;R为金属材料的表面反射率;α为金属材料的吸收系数;z为激光的入射方向;tp为脉冲激光的脉冲宽度;r0是激光的光斑半径.由于激光脉冲作用时间很短，可以忽略金属与周围环境的热量交换，采用绝热边界条件.1.2 数值方法描述短脉冲激光辐照金属加热过程双温方程的有限元控制方程表达式［8］为式中［Cp］为热容矩阵;［KT］为热导率矩阵;T表示电子和晶格的温度;˙T表示温度对时间的导数;{p1}为热流矢量;{p2}为热源矢量，包括电子吸收激光的能量以及由于耦合产生的电子和晶格之间的能量交换.考虑到系统的轴对称性，计算中采用柱坐标系，有限元计算简化成两维情况.有限元网格为三角形自由网格划分.为在计算速度和精度之间达到好的效果，在激光辐照中心附近区域网格划分比远处的网格划分密，如图2所示.为保证计算结果的精度和计算的稳定性，网格大小的选取原则是:比较细分网格前、后的计算结果，如果计算结果变化微小，说明原来网格满足计算要求，否则继续细分网格，直到计算结果稳定为止.图2 有限元网格Fig.2 Finite elment mesh针对激光加热过程的不同阶段，电子和晶格温度的变化速度不尽相同，有限元计算时间步长Δt的合理选取与计算精度以及计算量有关.Δt的选取不仅应考虑求解的稳定性要求，也应考虑到温度场温度的变化快慢(特别是加热开始时电子温度的迅速变化)，温度的变化速度越大，时间步长选取越小;温度变化缓慢时，时间步长可适当选取大些.本有限元模型采用Newmark时间积分法，要求求解时间离散误差不能超过δ.那么时间步长必须满足的条件为式中C0是常数;Un－1是对应某一时刻t的解向量.Un－1作为本次时间积分的初始条件已知的情况下，先试估计某个时间步长Δt，然后计算求得t+Δt时刻的解向量Un.如果‖Un－Un－1‖的结果很接近于，那么该时间步长Δt和对应的解向量Un就是可被接受的;否则就减小时间步长直到‖Un－Un－1‖根据给定的初始步长、初始条件通过式(5)可以自动选择每次时间积分的合适步长，直到完成整个时间区间的计算.文中的数值计算采用无条件稳定的中心差分方法计算有限元方程，时间步长最小值为0.1 fs，三角形有限元网格最小网格单元长度为0.1 μm.2 数值结果与分析2.1 激光和材料参数飞秒脉冲激光的光束半径为20 μm，单次脉冲的激光能量为46 nJ，文中研究了激光垂直照射金属材料时不同脉冲宽度对加热过程的影响，脉冲宽度的取值范围为50～1 000 fs.被辐照材料为铜，铜盘半径为3 mm，厚度为60 μm.初始温度为室温300 K.有限元计算中铜的各项物理参数如下:电子热容Ce0，96.60 J/(m3·K);晶格热容 Cl，3.43× 106J/(m3·K);电子热传导系数Ke0，401 W/(m· K);晶格热传导系数Kl，397 W/(m·K);耦合系数G，1.02×1017W/(m3·K);表面反射率R，0.61;吸收系数α，7.1×107.2.2 激光辐照中心点电子和晶格的温度图3是脉冲宽度为100 fs的单脉冲激光辐照铜表面时辐照中心点电子和晶格温度随时间的变化曲线.从图3中可以看出，在激光辐照刚开始时，由于激光能量随时间为高斯分布，所以在辐照刚开始的很短时间内电子温度升高较慢，随着激光能量的增大，电子温度迅速升高，而晶格温度升高相对比较缓慢.在辐照开始后244 fs 时电子的温度达到最高值，为3 731 K，而此时晶格的温度仅为309 K.随后电子温度迅速下降，而晶格的温度持续上升，晶格的温度在2.57 ps时达到最大值366 K.电子温度和晶格温度在3.03 ps时相等(为365 K)，温度达到平衡.从图中可以看出:电子温度的最高值远大于晶格温度的最高值，这是由于激光加热金属的过程首先是电子获得激光能量，然后再通过与晶格的碰撞把能量传递给晶格，由于电子的热容至少比晶格热容小一个数量级以上，所以电子温度升高速度比晶格快得多，最高温度值也大得多.图3 脉冲宽度为100 fs时辐照中心点的温度Fig.3 Surfacecenter(r=0;z=0)temperature change vs time with 100 fs laser pulse图3的数值结果显示了飞秒激光辐照金属加热的微观过程.飞秒激光作用时，由于电子的热容比晶格的热容小得多，所以获得激光能量后电子的温度迅速升高.电子通过与晶格的碰撞将所获得的能量传递给晶格，同时通过与周围电子的热碰撞将能量向金属内部传递.由于晶格的热容较大，所以温升相对比较缓慢，因此激光脉冲峰值过后，电子的温度远大于晶格的温度.晶格继续通过与电子的碰撞从电子获得能量，温度升高，而电子将能量传递给晶格后温度迅速下降，在3.03 ps时电子与晶格的温度达到一致，系统温度达到平衡.两者温度平衡后由于热传导效应，能量进一步向金属内部传递，辐照中心点的温度逐渐降低.上述温度变化过程与文献［9］利用半经典理论方法推导的高斯分布飞秒激光辐照加热金属的结论特征相同.2.3 电子温度场和晶格温度场的空间分布图4为脉冲宽度为100 fs的单脉冲激光照射金属铜表面后电子温度达到最高值时(辐照开始后244 fs)电子温度与晶格温度的等值线图.从图4中可以看出电子温度达到最高值时，轴向方向电子和晶格的温升区域都很小，只有不到0.15 μm左右的范围，因此无论是电子还是晶格温度场的轴向温度梯度远大于径向温度梯度.其原因是由于金属的趋肤效应，激光在金属中的穿透深度(光吸收系数的倒数)很小，只有表层材料能直接吸收激光辐照能量.数值结果表明:飞秒激光辐照金属后形成的是一个轴向深度很小的热源.从图中还可以看出此刻电子与晶格系统处于非热平衡状态，电子温度远大于晶格温度，辐照中心点的电子气温升超过3 000 K，而同时晶格的温度只上升了8 K左右.图4 电子温度达到最高值时电子和晶格的等温线Fig.4 Contour plots of temperature at 244 fs near heat affected zone in copper plate图5为激光辐照后400 ps时晶格温度场的等值图.图5 400 ps时晶格的等温线Fig.5 Contour plots of lattice temperature at 400 ps near heat affected zone in copper plate从图5中可以看出辐照后400 ps时金属铜的温度升高区域的轴向深度为仍然小于2 μm，为1.52 μm左右(与文献［10］中结论吻合)，而径向温升区域为45 μm左右.计算结果显示:由于电子和晶格之间的耦合作用，电子温度下降的同时，通过碰撞把能量传递给晶格，辐照区域附近的晶格温度迅速上升.由热传导效应，晶格将能量向金属内部传递，使辐照区域周围的金属材料温度也升高，温升区域不断变大.随着热传导过程的进行，径向方向的光斑边缘附近和轴向方向的金属内部都有明显的温度升高，而受辐照区域的温度逐渐下降.由热弹性理论，激光辐照金属产生的温度场可以看成是材料中应力场和超声波的力源，激光辐照激励产生的超声波频率范围和脉冲激光的脉冲宽度有关，脉冲宽度越小，超声波频率范围越大［8］.飞秒激光产生的超声波频率范围会远大于纳秒激光超声波频率范围.2.4 脉冲宽度对电子和晶格温度分布的影响用不同脉冲宽度的激光辐照金属材料，电子和晶格的耦合效果不尽相同，针对不同的脉冲宽度双温模型方程可以进行适当的简化，因此在研究短脉冲激光加热金属时激光的脉冲宽度是一个重要的物理参数.图6是脉冲能量相同的情况下(46 nJ)不同脉冲宽度激光辐照金属铜表面后辐照中心点处电子与晶格的温度变化规律.图6 不同脉冲宽度激光辐照时辐照中心点处的温度变化Fig.6 Temperature evolutions vs time at center of laser irradiating zone with different laser pulse lengths图6a是不同脉冲宽度下辐照中心点的电子温度随时间变化规律，从图中可以看出，能量相同的情况下脉冲宽度越小，电子温度上升速度越快，达到的最高温度也越大.图6b是不同脉冲宽度下辐照中心点的晶格温度随时间变化规律，可见脉冲宽度越大，晶格温度上升所需的时间也越长.上述结果与激光辐照加热的时间有关，脉冲宽度越小，短时间内电子吸收的激光能量大，所以电子温度升高就快，达到的最高温度也越大，电子把能量传递给晶格，因此晶格温度上升的速度快，达到最高值所需要的时间也短.图7是能量相同、脉冲宽度变化的情况下，激光辐照金属铜表面后4 ps时晶格温度的轴向分布.图7 不同脉冲宽度的晶格温度随轴向深度的分布Fig.7 Axial lattice temperature distribution with different laser pulse lengths由图7可见，在脉冲宽度小的激光辐照下，在轴向辐照中心点下方0.1－0.4 μm 区域内的晶格温度高于用较大脉冲宽度的激光辐照后的温度.原因在于激光辐照加热开始后，脉冲宽度越小，直接光照加热区域的电子温升越快，最高值越大，相应产生的轴向温度梯度就大，电子通过这一温度梯度场把相对更多的吸收到的激光能量及时传递到金属内部，所以辐照中心点下方区域的温升比用脉冲宽度相对大的飞秒激光辐照下的温升来得高.激光能量相同情况下，金属吸收的激光能量相同，由于传递到金属内部的能量变大，激光辐照中心点晶格温度所能达到的最大值反而随飞秒激光脉冲宽度的减小而降低.上述结果说明:飞秒激光的脉冲宽度不仅影响着温度场中某一点处电子和晶格温度的上升快慢和最大值，而且影响着产生的温度场的空间分布.2.5 脉冲宽度对平衡时间的影响激光辐照开始后，电子和晶格的温度不相等，系统处于非平衡状态.随着电子和晶格之间的能量耦合作用，晶格温度不断上升，直到电子与晶格温度达到平衡，之后电子与晶格的温度一起下降.图8为在脉冲能量和光斑半径都相同的情况下电子和晶格温度达到平衡所需时间随脉冲宽度的变化规律.图8 脉冲宽度对平衡时间的影响Fig.8 Equilibrium time vs laser pulse lengths 由图8可见，在脉冲能量相同的情况下，该平衡时间随脉冲宽度的增大而增加.图中还有一个明显的特点:在激光脉冲宽度远小于皮秒量级时，该平衡时间增加比较慢，脉冲宽度在500 fs以下时该平衡时间在2～4 ps之间，该结论与文献［10］得到的结果一致;当脉冲宽度接近皮秒数量级时，该平衡时间随脉冲宽度的增加近似成线性增长.这是由于在脉冲宽度远小于皮秒量级时，能量传递中电子与晶格的耦合作用占主导地位，平衡时间主要取决于电子与晶格的耦合作用，即电子把能量传递给晶格所需要的时间;而当脉冲宽度接近皮秒量级时，该平衡时间主要取决于激光对金属的加热时间，脉冲宽度越大，加热时间就越长，系统中两者温度达到平衡的时间也越长.3 结论(1)飞秒脉冲激光辐照金属表面后在辐照区域附近产生一个轴向厚度很小的温升区域，辐照开始后电子温度远大于晶格温度，温度场的轴向温度梯度远大于径向温度梯度.(2)飞秒激光的脉冲宽度不仅影响着温度场中某一点处电子和晶格温度的上升速度和最大值，而且影响着产生的温度场的空间分布.在飞秒量级上脉冲宽度越小，辐照中心点的电子温升越高，而晶格温度的最大值反而越小.(3)脉冲宽度远小于皮秒量级时，电子和晶格的温度达到平衡的时间主要取决于电子与晶格的耦合作用;而当脉冲宽度接近皮秒量级时，该平衡时间主要取决于激光对金属的加热时间.参考文献(References)【相关文献】［1］ Perrin B，Péronne E，Belliard L.Generation and detection of incoherent phonons in picosecond ultrasonics［J］.Ultrasonics，2006，44(SUPPL):e1277－e1281.［2］ Rossignol C，Rampnoux J M，Dehoux T，et al.Picosecond ultrasonics time resolved spectroscopy using a photonic crystal fiber［J］.Ultrasonics，2006，44(SUPPL): e1283－e1287.［3］ Zhang F F，Krishnaswamy S，Lilley C M.Bulk-wave and guided-wave photoacoustic evaluation of the mechanical properties of aluminum/silicon nitride double-layer thin films［J］.Ultrasonics，2006，45(1/2/3/4):66－76.［4］ Kim J，Na S.Metal thin film ablation with femtosecond pulsed laser［J］.Optics＆Laser Technology，2007，39:1443－1448.［5］ Al-Nimr M A，Arpaci V S.Picosecond thermal pulses in thin metal films［J］.Journal of Applied Physics，1999，85(5):2517－2521.［6］ Yamashita Y，Yokomine T，Ebara S，et al.Heat transport analysis of femtosecond laser ablation with full lagrangian modified molecular dynamics［J］.International Journal of Thermophysics，2006，27(2):627－646.［7］ Yilbas B S.Improved formulation of electron kinetic theroy approach for laser ultra-short-pulse heating［J］.International Journal of Heat and Mass Transfer，2006，49:2227－2238.［8］ Wang Jijun，Shen Zhonghua，Xu Baiqiang，et al.Numerical simulation of laser-generated ultrasound in nonmetallic material by the finite element method［J］.Optics and Laser Technology，2007，39(4):806－813.［9］ Chen J K，Tzou D Y，Beraun J E.A semiclassical twotemperature model for ultrafast laser heating［J］.International Journal of Heat and Mass Transfer，2006，49 (1/2):307－316.［10］ Elsayed-Ali H E，Norris T B，Pessot M A，et al.Timeresolved observation of electron-phonon relaxation in copper［J］.Physical Review Letters，1987，58(12): 1212－1215.。
激光加工数值模拟技术研究现状
激光加工数值模拟技术研究现状激光焊接数值模拟技术研究现状摘要：介绍了激光焊接数值模拟技术在激光焊接温度场分析、激光焊接应力应变分析、激光焊接熔池流动场分析、激光焊接接头微观组织分析方面的研究现状, 并对激光焊接数值模拟技术在这几方面的模拟方法、原理及模型的建立进行了较为详细的介绍。
最后, 对我国焊接数值模拟技术的发展进行了展望。
关键词：激光焊接数值模拟温度场应力应变熔池模拟接头1.引言激光焊接是利用高能量的激光光束作为热源照射到材料表面从而使材料汽化、熔化并冷却结晶形成焊缝的一种先进焊接方法。
由于具有高能量密度，高效率，高精度，柔性好等优点，激光焊接受到了广泛的重视，并且已经应用到了航天航空，汽车制造等材料加工的领域。
随着激光焊接应用的增加，人们对激光焊接过程的研究也更加重视。
在计算机仿真技术应用于焊接学科之前，人们为了某些材料制定合适的激光焊接工艺，往往需要进行大量的实验，耗费大量的物力人力财力。
因此，建立激光焊接的数学模型并对激光焊接进行全过程的模拟仿真，对于预测焊接结果，实现激光焊接工艺参数预选和优化，减少工艺试验次数，甚至控制激光焊接过程，防止出现焊接缺陷都具有十分重要的意义。
2.焊接数值模拟发展历史焊接过程的数值模拟研究由来已久。
70年代，有限元法逐渐在焊接温度场分析计算中使用。
1975年，加拿大的Poley和Hibbert提出利用有限元法研究焊接温度场，并编制了简单的温度场计算程序。
1976年，Krutz在博士论文中专门研究了利用焊接温度场预测接头强度的问题[1]。
随着80年代末90年代初，热弹塑性计算理论的逐步完善，焊接应力应变的数值模拟也逐渐发展起来并日益成熟。
同时，计算机技术的发展也为焊接数值模拟提供了更有力的支持，使人们能够进一步对激光焊接的接头组织，熔池流动等进行更深入的数值模拟研究。
3.激光焊接温度场数值模拟焊接过程中会产生温度场, 对其数值模拟的研究已广泛应用到焊接领域。
飞秒激光辐照铝材料的分子动力学数值模拟
=
Fi{ xi( t) } -
i ddxtimi + Ri ( t )
( 6)
使系统处于恒定温度为 300K 的外部环境中, i 的选取与位置和时间无关, 在计算中取为 10- 15, 反映了
铝原子的特征振荡频率。
3 数值模拟结果
3. 1 材料表面的烧蚀形貌 激光能量沉积时间被认为是很短的, 在模拟计算中不考虑。 由图 2 可见, 在激光作用结束 4. 7ps 后, 材料表面的晶格结构已经破坏, 并且呈熔融态( 指原子处于
U=
F(
i
i) +
1 2
i, j
( rij )
( 1)
(i j)
式中
i = j( i) f i ( r ij )
( 2)
f (r) =
5 cl r 0 l
e l= 0
12
r
( 3)
( r) = - 0 1+
r r0
-
1
e-
r r
-
1
0
( 4)
F ( ) = - Ec 1- ln
e
+
e
3
m
1 2
0 sm e- (
熔化状态, 即不再保持长程有序的状态) , 部分原子向外飞出, 材料表面已经发生严重烧蚀, 材料烧蚀区 域呈海绵状, 形成孔洞。此时的熔化深度为 8. 9nm。
图 3 中则显示, 铝材料在 20ps 时, 材料的表面烧蚀部分已经重新凝结, 部分结晶( 熔化的原子冷却
第 3期
辛建婷等: 飞秒激光辐照铝材料的 分子动力学数值模拟
Fig. 4 Total kinetic energy variation along
飞秒激光烧蚀金属镍热影响区的数值模拟
飞秒激光烧蚀金属镍热影响区的数值模拟王志军;贾威;倪晓昌;彭志农;杨丽;王清月【摘要】为了定量分析飞秒激光金属加工中的热影响,基于一个二维的双温模型,采用有限差分法计算了飞秒激光烧蚀金属镍的径向热影响区.提出一种飞秒激光烧蚀热影响区定义,把热影响区定义为两部分,一部分是熔化再凝固区(晶格温度介于相爆炸温度和熔化温度之间的区域),另一部分是热激活区(晶格温度介于熔化温度和热激活温度之间的区域).通过研究表层晶格不同时刻的径向温度分布,得到飞秒激光烧蚀500nm厚金属镍的径向热影响区是160nm.结果表明,飞秒激光加工的热影响区非常小,可以实现对金属材料的超精密加工.并分析了电子热导率和电子比热容对径向热影响区的影响.【期刊名称】《激光技术》【年(卷),期】2007(031)006【总页数】3页(P578-580)【关键词】超快光学;热影响区;有限差分;双温模型【作者】王志军;贾威;倪晓昌;彭志农;杨丽;王清月【作者单位】天津大学,精密仪器与光电子工程学院,超快激光研究室,天津,300072;天津大学,精密仪器与光电子工程学院,超快激光研究室,天津,300072;天津大学,精密仪器与光电子工程学院,超快激光研究室,天津,300072;天津大学,精密仪器与光电子工程学院,超快激光研究室,天津,300072;天津大学,精密仪器与光电子工程学院,超快激光研究室,天津,300072;天津大学,精密仪器与光电子工程学院,超快激光研究室,天津,300072【正文语种】中文【中图分类】TG156.99引言飞秒激光脉冲宽度极短，峰值功率极高，与金属材料相互作用时，首先电子吸收激光能量，在极短的时间内，达到极高的温度，而此时晶格还处于“冷”状态，通过电子-晶格碰撞，电子将热量传递给晶格，晶格温度迅速升高，达到烧蚀温度后喷发出去。
整个烧蚀过程在几个到几十个皮秒内完成，在这么短的时间内，晶格的热传导是非常有限的。
因此，飞秒激光微加工的热影响区比较小，一般情况下，不考虑热影响区。
飞秒激光加工过程数值模拟
三、加工过程数值模拟
1、飞秒激光辐照金属材料的过程是一个十分复杂的物理过程,要涉及到 等离子体、材料熔化和喷溅、热波的产生和发展过程等诸多方面。利 用传统的连续介质力学的方法对这一过程进行数值模拟会遇到一些目 前还难以解决的问题,包括高应变率下材料参数选取,状态方程的描述 等。另外,固液界面的产生及熔化材料的喷溅也超出了连续介质假设的 范畴。可以利用分子动力学方法对飞秒激光与铝材料的相互作用过程 进行数值模拟,对飞秒激光辐照后,激光能量沉积后引起的热效应对材 料表面的破坏机制以及材料的应力等进行了计算,采用分子动力学方法 对飞秒激光辐照金属材料过程进行数值模拟的探索工作。 2、物理模型的建立 选择激光光斑中心位置的铝靶材料为研究对象建立模型,受到计算时间 和条件的限制,铝材料计算模型选择12.15nm×12.15nm×81nm的长 方体,共包括774000个铝原子,如图1所示。在x,y方向上取周期性边界 条件,激光加载方向沿z轴方向,激光作用面为自由边界条件,而模型z轴 的另一端面为固定边界条件,将模型下面两层原子固定,以模拟晶体内拟的结果可以看出,飞秒激光辐照后,金属表面迅速熔化,部分 材料发生喷溅,熔化材料重新冷凝形成一层多孔介质,但其深度很浅,仅 为2nm左右。图8中为功率密度为1.76×1013W/cm2的飞秒激光辐照 铝材料后的表面形貌。从图8(d)光班中心区的形貌中看到材料沿晶界 熔化后,裸露的晶粒逐渐球化。而从数值计算的材料表面的烧蚀状态形 态看到材料表面烧蚀熔化后重新冷凝,形成一层很薄的多孔介质,表面 也出现重新冷凝的颗粒,这与金相形貌的观察结果是定性吻合的。
谢谢观赏，请多指教！
3 数值模拟结果 1）在激光作用结束4.7ps后,材料表面的晶格结构已经破坏,并且呈熔融态 (指原子处于熔化状态,即不再保持长程有序的状态),部分原子向外飞出,材 料表面已经发生严重烧蚀,材料烧蚀区域呈海绵状,形成孔洞。此时的熔化 深度为8.9nm。 2） 铝材料在20ps时,材料的表面烧蚀部分已经重新凝结,部分结晶(熔化的 原子冷却后重新组成晶格结构),熔化深度减少1.5nm左右,而在材料中形成 了一层玻璃态(熔化的原子冷却后已不具备熔化前的规则晶格结构,原子不 做长程运动,而是在所在位置附近振动)和一层多孔层。
数值模拟飞秒激光加热金属的热电子发射
发时间在亚皮秒范 围， 在多光子光电子发射和热电 子发射的减少有个 分 割 线， 因为电子的比热远远小 于晶格的比热， 电子 气 在 短 暂 的 时 间 内 不 能 与 晶 格 使 电 子 温 度 超 出 晶 格 温 度 很 多， 这 进行能量耦 合， 样非平衡电子加热 就 变 得 非 常 明 显 了 . 金 属 中 包 含 了很多电子， 特别是在满带能级上 （ 如导带） ， 这些 电子可以 在 金 属 里 面 自 由 运 动 而 不 能 脱 离 金 属. 如果一个 电 子 要 从 金 属 中 逃 逸 出 去， 这个电子需 从 要 的 能 量 大 约 是 1. 5 —6 eV. 在 热 电 子 发 射 中 ， 热碰撞到 逃 逸 金 属 电 子 需 要 足 够 的 能 量. 电 子 的 发射数和相应的热电子发射电流主要依 赖 于 金 属 的温度. 本文数 值 模 拟 了 飞 秒 激 光 加 热 金 属 的 热 电 子 发射， 用 双 温 度 模 型 （ TTM ） 计 算 薄 膜 的 温 度， 用 Richardson-Dushman 方程 估 算 热 电 子 发 射 率 . 结 果 发现电子 热 发 射 对 飞 秒 激 光 照 射 下 的 金 属 靶 材 的 电子温度和晶格温 度 的 变 化 有 着 重 要 的 影 响， 同时 薄膜的厚 度 与 激 光 的 能 量 密 度 直 接 影 响 热 电 子 的
(
)
这里 C 是 热 容，T 是 温 度，G 为 电 子 -晶 格 耦 合 系 数
［ 12 — 14 ］
， 下 标 e 和 l 代 表 电 子 和 晶 格； 热 源 项
S（ x， t） = 槡 4ln （ 2 ） / π （ A α I / t p ）·exp （ － α x － 4ln （ 2 ）
激光加工过程数值模拟与优化研究
激光加工过程数值模拟与优化研究激光加工是一种现代先进的制造工艺，具有精度高、加工速度快、适用范围广等优点，在航空航天、汽车、通信、电子等行业得到广泛应用。
但是，激光加工过程中存在着许多问题，如加工质量不稳定、能量利用率低等，这些问题严重影响了激光加工的应用。
数值模拟与优化是解决这些问题的有效手段，本文将重点介绍激光加工过程数值模拟与优化的研究进展。
一、激光加工过程数值模拟的原理激光加工过程数值模拟是指通过计算机模拟数值方法，对激光加工过程中激光束与工件之间的相互作用进行模拟，以预测加工过程中工件表面和材料的物理、化学和机械性质的变化。
激光加工过程数值模拟主要包括激光传输模拟、激光加热模拟、熔池流模拟、固化过程模拟等步骤。
激光传输模拟主要是计算激光的传输过程，确定其光斑大小、焦距等参数。
激光加热模拟则是计算激光与工件接触时产生的能量，估算热影响区、表面形态等。
熔池流模拟主要是计算熔池内流、液面变化等动态过程，固化过程模拟则是模拟材料的冷却过程、相变行为等。
二、激光加工过程数值模拟的优势相对于实际试验和经验分析，激光加工过程数值模拟具有以下几个优势：1. 数值模拟可以减少试验成本和时间，提高研究效率。
2. 数值模拟可以通过改变材料和工艺参数，预测加工结果和性能，为优化加工方案提供依据。
3. 数值模拟可以深入研究加工过程中的物理现象，从理论上解释实验结果。
三、激光加工过程数值模拟的应用研究1. 激光加工质量控制优化因为激光加工的质量受到许多因素的影响，如激光功率密度、扫描速度、激光束直径、材料物理化学性质等，因而利用数值模拟进行加工质量的预测和优化备受青睐。
例如，利用ANSYS软件对钛合金激光加工过程进行数值模拟，发现扫描速度和焦距是影响激光加工质量的关键因素。
在其他条件不变的前提下，通过优化这两个参数，使得提高了加工质量，并降低了工业生产成本。
2. 激光加工过程的材料学研究激光加工技术在一定程度上可以改变材料物理属性和化学成分，因此研究激光加工后的材料学性质具有重要意义。
飞秒激光制备波导型光合波器的数值模拟
飞秒激光制备波导型光合波器的数值模拟代保江;陈烽;张东石;杜广庆;孟祥卫【摘要】为了对飞秒激光加工微纳米尺度波导器件的可行性进行分析,采用有限差分光束传输法对余弦型Y波导合波器的耦合夹角大小对合路光场的影响进行了仿真模拟,分析了光场强度、分支角度以及损耗等之间的关系,得到当耦合夹角为0.6rad时,输入光场相互隔离,附加损耗低至0.45dB,传输效率接近90％的结果.结果表明,在石英玻璃这种高损伤阈值的材料中利用飞秒激光直写制备光合波器件时,预先对加工的微纳器件进行仿真模拟,在微纳光子集成及微纳米光波导中具有很重要的意义.%In order to analyze the feasibility of machining micro- or nanophotonic devices using femtosecond laser, effect of the coupling angles on the coupled beam field of cosine style of Y combiners was simulated based on the optical beam propagation equation solved by finite difference iterative, and the relationship among field intensity, coupling angle and transmission loss was analyzed. The results show that when the coupling angle is 0.6rad and the incident fields are completely isolated, the transmission loss is as low as 0. 45dB, and the transmission efficiency is as high as 90%. The numerical simulation provides a basic preanalysis for fabricating opto-combiners in fused silica with high damage threshold by femtosecond laser. Furthermore, it has great significance for micromaching micro- or nanophotonic and waveguide-based devices using femtosecond laser.【期刊名称】《激光技术》【年(卷),期】2012(036)002【总页数】4页(P255-257,261)【关键词】激光技术;飞秒激光加工;光合波器;光束传播法;数值模拟【作者】代保江;陈烽;张东石;杜广庆;孟祥卫【作者单位】西安交通大学电子信息与工程学院,西安710049;空军工程大学教育技术中心,西安710051;西安交通大学电子信息与工程学院,西安710049;西安交通大学电子信息与工程学院,西安710049;西安交通大学电子信息与工程学院,西安710049;西安交通大学电子信息与工程学院,西安710049【正文语种】中文【中图分类】TN249;TN253近年来，飞秒激光加工微纳光子器件的研究引起了越来越多研究学者的重视[1-2]。
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主讲人：董亚慧
一、飞秒激光简介
激光曾被视为神秘之光，现被人类广泛使用。近年来，科学家 研究发现了一种更为奇特的激光-飞秒激光，飞秒也叫毫微微秒， 简称fs，是标衡时间长短的一种计量单位，飞秒激光是人类目 前在实验室条件下所能获得最短脉冲的技术手段。 1、飞秒激光是我们人类目前在实验条件下能够获得的最短脉 冲，它的精确度是± 5 微米; 2、飞秒激光有非常高的瞬间功率，它的瞬间功率可达百万亿 瓦，比全世界的发电总功率还要多出上百倍; 3、物质在飞秒激光的作用下会产生非常奇特的现象，气态的 物质、液态的物质、固态的物质瞬间都会变成等离子体; 4、飞秒激光具有精确的靶向聚焦定位特点，能够聚焦到比头 发的直径还要小的多的超细微空间区域; 5、用飞秒激光进行手术，没有热效应和冲击波，在整个光程 中都不会有组织损伤。
谢谢观赏，请多指教！
3 数值模拟结果 1）在激光作用结束4.7ps后,材料表面的晶格结构已经破坏,并且呈熔融态 (指原子处于熔化状态,即不再保持长程有序的状态),部分原子向外飞出,材 料表面已经发生严重烧蚀,材料烧蚀区域呈海绵状,形成孔洞。此时的熔化 深度为8.9nm。 2） 铝材料在20ps时,材料的表面烧蚀部分已经重新凝结,部分结晶(熔化的 原子冷却后重新组成晶格结构),熔化深度减少1.5nm左右,而在材料中形成 了一层玻璃态(熔化的原子冷却后已不具备熔化前的规则晶格结构,原子不 做长程运动,而是在所在位置附近振动)和一层多孔层。
二、飞秒激光加工金属表面
在材料制备方面，飞秒激光应用于脉冲激沉积领域，可以 进行新材料薄膜制备2004年，A．S．Loir等人在认识到由 飞秒激光烧蚀沉积四面体菱形碳薄膜的特性后，研究了将 其应用在髋关节上，并发现此薄膜的特性能很好的满足生 物医学的要求。最新的一些研究表明，飞秒激光沉积用于 制备生物材料或者生物兼容材料具有独特的优势。
吸收深度内能量随距材料表面的厚度呈指数衰减,沉积在每层 原子上的能量平均分配到该层的每个原子上,将每个原子所吸收 的激光能量全部转换为原子的动能。原子间相互作用为嵌入式， 具体形式如下：
原子的初始速度在所研究的温度范围内在麦克斯维玻尔兹曼分布中随机 选取,模型的初始温度为300K。计算中对温度的控制是采用langevin运动 方程
三、加工过程数值模拟
1、飞秒激光辐照金属材料的过程是一个十分复杂的物理过程,要涉及到 等离子体、材料熔化和喷溅、热波的产生和发展过程等诸多方面。利 用传统的连续介质力学的方法对这一过程进行数值模拟会遇到一些目 前还难以解决的问题,包括高应变率下材料参数选取,状态方程的描述 等。另外,固液界面的产生及熔化材料的喷溅也超出了连续介质假设的 范畴。可以利用分子动力学方法对飞秒激光与铝材料的相互作用过程 进行数值模拟,对飞秒激光辐照后,激光能量沉积后引起的热效应对材 料表面的破坏机制以及材料的应力等进行了计算,采用分子动力学方法 对飞秒激光辐照金属材料过程进行数值模拟的探索工作。 2、物理模型的建立 选择激光光斑中心位置的铝靶材料为研究对象建立模型,受到计算时间 和条件的限制,铝材料计算模型选择12.15nm×12.15nm×81nm的长 方体,共包括774000个铝原子,如图1所示。在x,y方向上取周期性边界 条件,激光加载方向沿z轴方向,激光作用面为自由边界条件,而模型z轴 的另一端面为固定边界条件,将模型下面两层原子固定,以模拟晶体内 部结构。
4模拟结果讨论 从数值模拟的结果可以看出,飞秒激光辐照后,金属表面迅速熔化,部分 材料发生喷溅,熔化材料重新冷凝形成一层多孔介质,但其深度很浅,仅 为2nm左右。图8中为功率密度为1.76×1013W/cm2的飞秒激光辐照 铝材料后的表面形貌。从图8(d)光班中心区的形貌中看到材料沿晶界 熔化后,裸露的晶粒逐渐球化。而从数值计算的材料表面的烧蚀状态形 态看到材料表面烧蚀熔化后重新冷凝,形成一层很薄的多孔介质,表面 也出现重新冷凝的颗粒,这与金相形貌的观察结果是定性吻合的。