飞秒激光加工过程数值模拟

飞秒激光加工过程数值模拟
主讲人：董亚慧
一、飞秒激光简介





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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。
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。
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。


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。