飞秒激光烧蚀含能材料的分子动力学模拟
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飞秒激光加工SiC的烧蚀阈值及材料去除机理研究一、概述飞秒激光作为一种新型的材料加工工具,因其独特的加工特性受到了广泛关注。
飞秒激光加工具有瞬间高能量密度,瞬间产生的高温和热应力使得材料可以被快速去除。
飞秒激光在微纳加工、材料去除以及医疗领域有着广泛的应用前景。
二、SiC材料的特性SiC是一种重要的功能陶瓷材料,具有高熔点、高硬度、耐热性和化学稳定性,因此在航空航天、能源领域以及电子工业中有着广泛的应用。
然而,由于其高硬度和脆性,传统的机械加工方法难以对其进行精密加工。
而飞秒激光加工由于其独特的加工机理可以对SiC材料进行高精度加工。
三、飞秒激光对SiC材料的烧蚀阈值研究1. 飞秒激光烧蚀阈值的定义飞秒激光烧蚀阈值是指在材料表面形成微小凹坑所需要的最小脉冲能量密度。
烧蚀阈值的研究可以帮助我们了解飞秒激光对SiC材料的加工性能以及选择适当的加工参数。
2. 烧蚀阈值的实验测定通过在实验室中利用飞秒激光对SiC材料进行加工,在不同的能量密度下观察材料表面形成微小凹坑的能量阈值,从而确定飞秒激光对SiC 材料的烧蚀阈值。
3. 烧蚀阈值的影响因素烧蚀阈值的大小受多种因素影响,包括材料的性质、激光参数、加工环境等。
研究表明,SiC材料的烧蚀阈值与其晶格结构、折射率、熔点等有一定关系。
四、SiC材料去除机理研究1. 飞秒激光对SiC材料去除的机理飞秒激光材料去除的机理主要包括光热效应、等离子体和电子云效应、以及激光诱导的化学反应。
在对SiC材料进行飞秒激光加工的过程中,激光脉冲瞬间产生高能量密度,使得材料表面产生等离子体并形成一个离子云,最终导致材料的快速去除。
2. 材料去除机理的影响因素材料去除的机理受多种因素影响,包括激光参数、材料特性以及加工环境等。
研究表明,SiC材料的晶格结构、温度梯度、激光脉冲宽度等因素会对材料去除机理产生一定影响。
五、结语飞秒激光对SiC材料的加工具有着广泛的应用前景,但是对其烧蚀阈值和材料去除机理的研究仍然有待深入。
摘要相比于传统的连续激光,飞秒激光具有极短的脉冲宽度、极高的峰值功率和极广的频谱覆盖范围,在材料精细加工方面具有独特的优势。
飞秒激光加工能够以极快的速度将全部能量注入目标区域,在很大程度上可以避免能量的线性吸收、转移和扩散过程的影响,从根本上改变了激光与物质相互作用的过程,具有极高精度和空间分辨率。
本研究通过对飞秒激光加工区域的扫描电镜图像进行分析,得到不同参数的飞秒激光微加工不锈钢基板后加工区域的形貌及尺寸,探索了飞秒激光参数和能量输入对加工区域形貌和尺寸的影响规律。
本研究分析了不同参数的飞秒激光作用于301不锈钢基板上时,基板上被加工区域内任意一点吸收能量的方式及大小。
推导出飞秒激光加工区域内任意一点所吸收能量的模型。
并且通过求出垂直于飞秒激光扫描方向上基板吸收能量的分布曲线,给出了利用该模型预测飞秒激光微加工时基板表面烧蚀坑道的宽度和计算基板的烧蚀阈值的方法。
利用该模型计算的烧蚀阈值近似等于传统方法计算的烧蚀阈值,误差可以忽略。
而且该模型预测的烧蚀坑道的宽度与实验结果相吻合,误差同样可以忽略不计。
本研究所给出的计算材料吸收的飞秒激光能量的计算方法和求材料烧蚀坑道宽度及烧蚀阈值的方法适用于任何材料。
当飞秒激光加工区域只发生熔化现象时,可以将其作为飞秒激光的自熔焊进行研究。
当飞秒激光的扫描速率较低时,飞秒激光微焊接能够得到表面光滑平整的焊缝。
与飞秒激光的烧蚀过程不同,使用飞秒激光进行微焊接时,为避免焊缝表面因为严重氧化产生较大的裂纹,必须施加保护气或在真空环境下进行。
可以通过增大飞秒激光平均功率和减小扫描速率的方式提高其能量输入,从而得到较大尺寸的焊缝,但是其能量要低于材料的烧蚀阈值。
飞秒激光的平均功率对焊缝尺寸的影响效果大于扫描速率对焊缝的影响效果。
飞秒激光焊接不锈钢所得的焊缝横截面的面积与其扫描速率(在一定的范围内)之间存在较好的线性关系,回归直线的斜率为负值,并且飞秒激光的平均功率越大回归直线的斜率的绝对值越大。
飞秒激光烧蚀硅的瞬态演化特性仿真豆贤安;孙晓泉;徐海萍【摘要】为深入揭示飞秒激光烧蚀硅的瞬态演化特性,建立了飞秒激光烧蚀硅材料理论模型,并进行了仿真研究.研究表明:飞秒激光可在脉宽时间内激发大量的电子,使其浓度超过损伤阈值,而此时晶格仍保持在较"冷"状态,直到1 ns量级才达到熔点温度;电子温度也会在脉宽时间内急剧拉升至104 K量级,随后将能量缓慢地释放给晶格,直到10 ns量级才与晶格达到热平衡.电子存在两次急剧升温的过程:第一次起于自由电子吸收,止于电子与晶格的能量耦合;第二次起于单光子和双光子吸收,止于脉冲结束.脉冲能量越大,电子密度和温度越高;脉宽越短,电子温度越高.【期刊名称】《国防科技大学学报》【年(卷),期】2018(040)004【总页数】7页(P15-21)【关键词】飞秒激光;激光烧蚀;冷破坏;硅;半导体【作者】豆贤安;孙晓泉;徐海萍【作者单位】国防科技大学脉冲功率激光技术国家重点实验室,安徽合肥 230037;国防科技大学脉冲功率激光技术国家重点实验室,安徽合肥 230037;国防科技大学脉冲功率激光技术国家重点实验室,安徽合肥 230037【正文语种】中文【中图分类】TN249飞秒激光烧蚀材料不受目标材料初始状态的限制,烧蚀过程具有确定性和可控性,因此,飞秒激光在材料的精密加工、军事的反传感器等领域的应用具有诸多优势[1]。
飞秒激光具有高峰值功率、极短的作用时间以及非线性吸收等特点,使得飞秒激光脉冲可以通过电子激发造成材料结构的非热力学改变[2-7]。
根据非热等离子体模型,大量电子的激发可以直接造成晶格的扰动,同时仍使晶格的振动模式保持在较冷的状态[8-9]。
当价带有大约10%的电子被激发到导带时,就会导致晶格共价键的不稳,从而在极短的时间内引发晶格结构的永久性改变[10-12]。
因此,飞秒激光可以直接增强原子的活动性而不增加其热能。
非热等离子体模型认为,所激发的电子系统的声子辐射速率要慢于飞秒激光脉冲,所以飞秒激光可以在电子系统与晶格达到热平衡之前,就引发晶格结构的破坏。
飞秒激光辐照铜箔的材料去除机理及分子动力学模拟李江澜;汪帮富;丁雯钰;宋娟;王中旺【摘要】利用双温模型来结合分子动力学方法分析研究飞秒激光辐照铜箔烧蚀时产生的传热效应,同时对烧蚀过程进行数值模拟.利用分子动力学的方法对飞秒激光辐照后,铜箔表面发生熔化和喷溅,同时就飞秒激光烧蚀铜箔时的作用机理进行了研究.实验表明,慢慢增加飞秒激光的作用时间,激光的能量被材料渐渐地吸收和传递,铜箔中的铜原子渐渐从面心立方的规则排列向无序松散排列转变.数值模拟研究的结果表明分子动力学已经可以用于研究飞秒激光对材料辐照效应和烧蚀机理.【期刊名称】《制造技术与机床》【年(卷),期】2019(000)002【总页数】5页(P79-83)【关键词】激光;双温模型;激光烧蚀;分子动力学【作者】李江澜;汪帮富;丁雯钰;宋娟;王中旺【作者单位】苏州科技大学天平学院,江苏苏州215009;苏州科技大学,江苏苏州215009;苏州科技大学,江苏苏州215009;苏州科技大学,江苏苏州215009;苏州科技大学,江苏苏州215009;苏州科技大学,江苏苏州215009【正文语种】中文【中图分类】TN24飞秒激光往往加工金属材料时具有一定的特性,例如:快速融化凝固、效率高、“无热”加工等等优点,现在飞秒加工已经成为一种新型的微细加工手段[1-2],国内外很多学者通过数值模拟和实验论证来研究飞秒激光的加工作用机理。
飞秒激光辐照铜箔等金属材料的过程,不仅仅是普通的物理变化过程,还有很多复杂的材料熔化、等离子体、喷溅等其他因素变化[3-6]。
L.A.Falkovsky等[7]利用数值模拟的方法对飞秒激光加工金属材料时产生材料熔化和喷溅问题进行了研究,结合玻尔兹曼方程和费米-狄拉克配分函数,推导出一种热电子爆炸模型。
后来,J.K.Chen等[8]为了更好地研究飞秒激光作用材料时的两步传热特性,提出了一种宏观尺度的模拟方法:双曲双温模型[9-11]。
分子动力学激光烧蚀案例今天咱们来唠唠分子动力学里的激光烧蚀案例,可有意思啦。
首先呢,你得知道啥是分子动力学。
简单说啊,就是把那些微观的分子啊原子啊的运动啥的,当成一个个小球在那动来动去,然后研究它们之间是咋相互作用的。
就好比一群小蚂蚁在蚁巢里忙忙碌碌,每个蚂蚁都有自己的轨迹,还会互相碰来碰去,分子动力学就是研究这些微观“小蚂蚁”的事儿。
那激光烧蚀又是啥呢?想象一下,激光就像一把超级厉害的小喷枪,对着那些分子和原子组成的材料“噗”地一下喷过去。
这个时候啊,材料就像是被一个超级热的小火苗烤着的小蛋糕,表面的分子原子就开始坐不住啦。
比如说在一个金属材料的激光烧蚀案例里啊。
激光打上去的时候,那些在金属表面的原子就像一群被惊扰的小鸟,“轰”地一下就开始四处乱飞。
为啥呢?因为激光带来的能量太大啦,这些原子原本在那规规矩矩地待着,现在一下子获得了好多能量,就像小朋友吃了太多糖,兴奋得停不下来。
从分子动力学的角度看呢,我们就能看到这些原子的运动轨迹发生了超级大的变化。
它们不再是那种慢悠悠地在自己位置附近晃悠了,而是像火箭一样冲出去。
而且啊,它们之间的距离也发生了变化。
原本紧紧挨在一起的原子,现在可能就分散得老远老远了。
再说说这个过程里的温度变化。
激光一烧蚀,就像在这个小微观世界里点了一把大火,温度蹭蹭地往上升。
这个温度的变化又会影响原子分子的运动速度,就像天气热的时候,大家都想跑得快点找个凉快的地方一样。
还有哦,在激光烧蚀的时候,材料表面的结构也会变得乱七八糟的。
就好比你原本堆得整整齐齐的乐高积木,被一个调皮的小孩用手乱搅和了一通,全乱套了。
那些原子之间的化学键也会被打断,就像乐高积木之间的小卡扣被弄断了一样。
而且这个激光烧蚀啊,在实际应用里也有不少用处呢。
比如说在材料加工方面,我们可以利用激光烧蚀来给材料表面做一些特殊的处理,让它变得更耐磨啊,或者有更好的导电性啥的。
就像给材料穿上了一件特制的小外套,让它变得更厉害啦。
双温方程用于飞秒激光烧蚀金属的模拟分析陈安民;姜远飞;刘航;金明星;丁大军【摘要】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.%In this paper, the effects of the electron temperature and lattice temperature distribution are discussed in different approximation electron thermal conductivity by two-temperature model during the femtosecond-laser ablation metal process. A one-dimensional numerical calculation for the temperature field of femtosecond pulse laser ablation metal target is performed by finite difference method. The copper target is given as an example of the electron and lattice temperature distribution with the evolution of time and depth. The result shows that different approximation electron thermal conductivity has an important influence on the final calculated result of the temperature distribution.【期刊名称】《激光与红外》【年(卷),期】2012(042)008【总页数】5页(P847-851)【关键词】激光烧蚀;电子热传导率;双温模型;金属薄膜【作者】陈安民;姜远飞;刘航;金明星;丁大军【作者单位】吉林大学原子与分子物理研究所,吉林长春130012;吉林大学原子与分子物理研究所,吉林长春130012;吉林大学原子与分子物理研究所,吉林长春130012;吉林大学原子与分子物理研究所,吉林长春130012;吉林大学原子与分子物理研究所,吉林长春130012【正文语种】中文【中图分类】TN249;O437随着超短脉冲激光技术的发展,激光对材料的微加工和烧蚀机理受到广泛的重视,包括在基本理论和实际的技术应用方面[1-6]。
飞秒激光烧蚀动力学-双温方程的应用摘要研究了双面抛光氧化镁单晶(111)表面800nm飞秒激光单脉冲烧蚀阈值和激光脉宽的依赖关系。
利用泵浦-探针技术,测量不同能量和脉宽作用下飞秒激光烧蚀的时间分辨反射率的演化.通过扫描电镜观察其烧蚀形貌,发现大量的沿氧化镁[100]晶向开裂的裂纹.讨论了表面裂纹的形成机理,并解释了飞秒激光烧蚀氧化镁的超快动力学过程。
关键词:飞秒激光脉冲;烧蚀;氧化镁;超快动力学The title(居中三号Times New Roman加黑)ABSTRACTSingle-shot laser damage of polished MgO (111) surfaces induced by 800 nm pulses at different laser pulse duration was studied by scanning electron microscopy (SEM) and time-resolved measurements of reflectivity.SEM observations after laser irradiation indicated that substantial surface fracture dominated over rapid vaporization.The linear relationship between the ablation area and the logarithm of the pulse energy provided the single-shot ablation threshold.The pump-probe technique was used to investigate[没有翻译完] ...Key words: The laser pulse seconds ; ablation ; magnesia ; dynamics目录正文飞秒激光是一种以脉冲形式运转的激光,持续时间非常短,只有几个飞秒,一飞秒就是10的负15次方秒,也就是1/1000万亿秒,它比利用电子学方法所获得的最短脉冲要短几千倍。
多脉冲飞秒激光烧蚀中反射率的变化对激光烧蚀阈值影响的研究胡德志;吴金随【摘要】为了提高飞秒激光微加工的精度,研究了多脉冲飞秒激光烧蚀积累效应形成的机理.以铜靶为例,利用时域有限差分法(FDTD)对双温方程进行求解,得到了电子、离子亚系统温度及激光烧蚀阈值随反射率变化的规律.结果表明:在多脉冲激光烧蚀中前一个脉冲激光破坏了靶材表面的结构,使激光的反射率下降,导致后一脉冲激光烧蚀阈值大幅度下降.这解释了多脉冲飞秒激光烧蚀中烧蚀阈值不断变化的现象.同时,它表明在多脉冲飞秒激光加工过程中,我们必须考虑反射率的变化对激光烧蚀的影响才能实现高精微加工.【期刊名称】《华北科技学院学报》【年(卷),期】2017(014)004【总页数】5页(P57-61)【关键词】双温方程;反射率;烧蚀阈值;时域有限差分法;电声弛豫时间【作者】胡德志;吴金随【作者单位】华北科技学院机电工程学院,北京东燕郊065201;华北科技学院理学院,北京东燕郊065201【正文语种】中文【中图分类】TN249随着宽带可调谐激光晶体和自锁模技术的出现,飞秒激光技术得到突飞猛进的发展[1,2]。
飞秒激光具有极短的脉冲宽度、极高的峰值功率和极宽的光谱范围,在强场激光物理、超快化学动力学、微结构材料科学和生命科学等不同领域有着广泛应用[3-7]。
在激光微加工领域,飞秒激光具有加工精度高、热效应小、损伤阈值低的特点,但是多脉冲飞秒激光和物质作用过程中前一个飞秒脉冲作用后,对下一个飞秒脉冲烧蚀阈值的影响是如何产生的有待深入研究。
目前,对激光烧蚀研究表明:飞秒激光和金属材料相互作用的过程中,金属材料中的电子吸收激光能量,激发出大量的高能电子。
随后,电子亚系统经过一个能量弛豫过程,很快形成费米分布,同时通过发射声子将能量传递给晶格。
不同的研究小组观测到不同金属材料内部电声弛豫时间,从几百飞秒到几十皮秒不等[8-12]。
同时,他们通过实验得到同种材料的激光烧蚀阈值也有较大的差别。
分子动力学模拟方法及其在激光加工中的应用摘要:介绍了分子动力学模拟的基本原理以及常用的概念,论述了几种常用的有限差分算法,分析和总结了分子动力学模拟的功能、特点和应用,列举了在激光加工中分子动力学模拟方法的一些应用,并在材料科中的应用情况进行了简要概述.关键词:分子动力学模拟有限差分法飞秒激光0 前言随着计算机模拟技术的发展,使实验上尚无法获得或很难获得的大量重要信息的获取成为可能,虽不能完全代替实验但为科研工作者们提供了重要的参考、指导实验、验证某些理论假设,降低试验的盲目性、成本低廉广等,其中特别是分子动力学模拟在各个学科中都有着广泛而重要的应用。
分子动力学模拟(moleculardynamics simulation,MD)【1】。
所谓分子动力学模拟,是指对于原子核和电子所构成的多体系统。
用计算机模拟原子核的运动过程.从而计算系统的结构和性质。
其中每一个原子核被视为在全部其他原子核和电子所提供的经验势场作用下接牛顿定律运动【2】,它被认为是本世纪以来除理论分析和实验观察之外的第三种科学研究手段,称之为“计算机实验”手段,在物理学、化学、生物学和材料科学等许多领域中得到广泛地应用。
是在评估和预测材料结构和性质方面模拟原子和分子的一种物质微观领域的一种重要模拟方法,通过计算机对原子核和电子所构成的多体体系中的微观粒子之间相互作用和运动进行模拟,在此期间把每一原子核视为在全部其他的原子核和电子所构成的经验势场的作用下按照牛顿定律进行运动,进而得到体系中粒子的运动轨迹,再按照统计物理的方法计算得出物质的结构和性质等宏观性能。
简而言之即是应用力场及根据牛顿运动力学原理所发展的一种计算机模拟方法。
分子动力学模拟是一种非常有效的计算机技术已成为重要的科学研究的方法之一。
1 分子动力学方法的基本原理计算中根据以下基本假设【3】:(1) 所有粒子的运动都遵循经典牛顿力学规律。
(2)粒子之间的相互作用满足叠加原理。
飞秒激光脉冲烧蚀涡轮叶片材料的仿真和实验崔波;宫金良;王志文【摘要】为研究飞秒激光脉冲对涡轮叶片材料的冲击打孔特性,使用双脉冲改写方程的激光光源项,并对涡轮叶片材料进行数值模拟,得到了镍基高温合金在飞秒激光双脉冲冲击打孔下的晶格和电子温度.通过对比单脉冲的模拟结果发现:双脉冲烧蚀情况下,材料电子和晶格出现2个峰值温度,且电子和晶格的平衡温度相比单脉冲提高345 k,平衡时间延长了5 ps,使用美国Ray Corp生产的飞秒脉冲激光器,对镍基高温合金材料在不同的激光参数下:激光脉冲宽度、激光能量、激光频率、脉冲间隔对材料的烧蚀进行双脉冲打孔,得到孔的形貌特征,并与单脉冲打孔对比发现双脉冲打孔的质量和效率优于单脉冲.【期刊名称】《电子器件》【年(卷),期】2019(042)002【总页数】5页(P291-295)【关键词】飞秒激光;高温合金;电子、晶格温度;冲击打孔【作者】崔波;宫金良;王志文【作者单位】山东理工大学机械工程学院,山东淄博255000;山东理工大学机械工程学院,山东淄博255000;山东理工大学机械工程学院,山东淄博255000【正文语种】中文【中图分类】TP212.2航空燃气涡轮发动机的性能和叶片材料有密切的关系,近年来燃气涡轮的进口温度一直在升高[1],镍基高温合金材料凭借其高强度、抗疲劳性能和在高温、高压下具有抗氧化、抗腐蚀性能,广泛地应用于航空发动机的涡轮叶片制造过程中[2]。
但是高温镍基合金材料含有金属碳氮化合物和硬点等强化相,传统的加工方法如电解加工、电火花加工、电子束等[3]存在加工效率低下、加工精度不高、加工过程中产生微裂纹,从而影响叶片的使用寿命。
20世纪90年代以来,飞秒激光凭借其超强、超快的性能和热影响区小等逐渐用于材料的切割、打孔等超精细冷加工[4]。
相比于传统的方法,飞秒激光加工的微孔具有适用材料范围广、高精度、高效率且加工孔径周围没有熔融区等,因此利用飞秒激光加工高温合金材料成为理想的加工手段之一[5]。