基于分子動力學(xué)仿真的超短脈沖激光蝕除金屬的研究.pdf

1、超短脈沖激光具有能量密度高、熱載荷可控、蝕除過程非熱屬性及熱穿透深度小等優(yōu)點(diǎn)，是微細(xì)加工的有效工具。研究超短脈沖激光與金屬的相互作用機(jī)制，在優(yōu)化激光微細(xì)加工參數(shù)、提高加工效率及減小損傷等方面均具有很重要的意義。但用試驗方法研究超短脈沖激光蝕除機(jī)制是非常困難的，而外部觀測和微觀動力學(xué)相結(jié)合的分子動力學(xué)模擬技術(shù)可以很好地解決這一難題。 首先，采用底部施加自由邊界的分子動力學(xué)模型研究了皮秒激光與單晶銅薄膜的相互作用過程及層裂動力學(xué)，對

2、單晶銅中激光誘導(dǎo)層裂的動態(tài)過程做了詳盡的微觀描述，驗證了金屬內(nèi)部的層裂是微孔洞成核、長大并匯合的理論，確定了層裂位置和層裂開始標(biāo)志，并證明了激光誘導(dǎo)壓力波主要由晶格振動引起，而與靶厚無關(guān)。還分析了超短脈沖激光作用下納米薄膜的層裂機(jī)制，預(yù)測了靶厚對層裂厚度及層裂開始時間的影響。這些均對研究材料在超高應(yīng)變率加載及高溫條件下動力學(xué)塑性斷裂的力學(xué)屬性具有重要意義。然而，采用分子動力學(xué)方法研究靶材表面蝕除現(xiàn)象時，激光誘導(dǎo)的層裂會使靶材底部附近某深

3、度處斷裂，造成蝕除假象。經(jīng)大量模擬實驗，提出一種簡單有效的實現(xiàn)速度減幅的新方法，應(yīng)用于靶材表面的熔化及蝕除現(xiàn)象的模擬，不僅可保證有效蝕除，而且完全避免了靶材底部由于壓力波反射而斷裂造成的蝕除假象。 接著，采用傳統(tǒng)的分子動力學(xué)方法研究了超短脈沖激光蝕除面心立方金屬銅和鎳的動力學(xué)過程。在分析沖擊波傳播規(guī)律的基礎(chǔ)上，給出了原子速度分布及熔深隨脈沖能量密度的變化趨勢。傳統(tǒng)的分子動力學(xué)方法只考慮晶格對熱傳導(dǎo)的貢獻(xiàn)，忽略了自由電子的作用，會

4、導(dǎo)致過低估計金屬靶材內(nèi)部的熱傳導(dǎo)，從而對靶材表面所沉積的能量施加了不真實的約束。為了彌補(bǔ)這一缺陷，對傳統(tǒng)的分子動力學(xué)方法加以校正，建立了新的分子動力學(xué)模型。此模型將一維雙溫模型與傳統(tǒng)的分子動力學(xué)方法相結(jié)合，充分考慮了激光能量的吸收方式、電子熱傳輸及電子一晶格間的能量交換。從連續(xù)及原子級的角度詳盡描述了應(yīng)力約束條件下飛秒紫外及紅外激光與金屬的相互作用過程。深入研究了激光誘導(dǎo)過程中的熱傳輸、熔化及蝕除現(xiàn)象，分析了靶材內(nèi)部溫度、壓力的分布特征

5、及超短脈沖激光作用下的蝕除機(jī)制。進(jìn)行了飛秒紅外激光蝕除單晶銅的試驗，并將試驗所得的蝕除率同模擬結(jié)果加以對比，結(jié)果相-Ⅰ-近，從而驗證了所建模型的合理性。 最后，建立了皮秒激光熔化單晶銅的分子動力學(xué)模型，充分考慮到了加熱過程中熔化潛熱的消耗，因而更接近于生產(chǎn)實際；模擬中直接采用吸收的脈沖能量密度，降低了對參數(shù)的要求，可以完全不受表面吸收率參數(shù)的限制。采用此模型研究了熱約束區(qū)域內(nèi)部皮秒激光熔化單晶銅的過程，發(fā)現(xiàn)在皮秒脈沖激光輻照下，