飛秒激光作用下金屬箔材的溫度場研究

連祖焻,趙抒怡,葉云霞,2

(1.江蘇大學 機械工程學院,江蘇 鎮江　212013;2.江蘇大學 激光技術研究所,江蘇 鎮江　212013)

飛秒激光作用下金屬箔材的溫度場研究

連祖焻1,趙抒怡1,葉云霞1,2

(1.江蘇大學 機械工程學院,江蘇 鎮江212013;2.江蘇大學 激光技術研究所,江蘇 鎮江212013)

摘要為分析飛秒激光作用下金屬材料的溫度場及其影響因素,基于一維雙溫模型對飛秒激光作用下銅箔的溫度場進行數值求解。采用脈寬100～800 fs,能量密度509.30～2 546.48 J/m2的激光參數進行計算,研究電子和晶格溫度隨時間和深度的變化規律。結果表明,電子溫度在10-13s時間尺度達到峰值,在此期間晶格溫度保持不變,此后通過耦合作用二者在幾ps時間尺度達到熱平衡;脈寬越短,電子溫升越快、峰值溫度越高、耦合時間越短;而能量密度越大,電子溫升越快、峰值溫度越高、耦合時間越長。

關鍵詞飛秒激光;雙溫模型;金屬箔材;數值計算

Research on Temperature Field in Metal Foil Irradiated By Femtosecond Laser

LIAN Zuchang1,ZHAO Shuyi1,YE Yunxia1,2

(1.School of Mechanical Engineering,Jiangsu University,Zhenjiang 212013,China;

2.Institute of Laser Technology,Jiangsu University,Zhenjiang 212013,China)

Abstractthe temperature field of copper foil with femtosecond laser pulse based on the two temperature model is numerically calculated to analyze the temperature field in metal and its influencing factors.The evolution rules of the electron and lattice temperature with time and depth are studied with a laser pulse width from 100 to 800 fs and a laser pulse energy density from 509.30 to 2 546.48 J/m2.Results show that the electron temperature peaks in 10-13s while the lattice temperature remains constant with a thermal equilibrium of the two achieved in several picoseconds.A shorter laser pulse width leads to faster electron temperature rise,higher peak temperature and shorter electronic and lattice coupling.And a higher laser energy density results in faster electron temperature rise,higher peak temperature but longer electronic and lattice coupling time.

Keywordsfemtosecond laser;two-temperature model;metal foil;numerical calculation

飛秒激光脈寬短(10-15s)、峰值功率密度高(1015W/cm2)的特性,使其加工材料時熱效應小,加工區域具有清晰邊緣,已被廣泛應用于醫療、微制造、光學等領域[1-2]。激光對材料的作用本質上是高頻電磁場對電子的作用,電子的行為決定了材料的光學響應,因此電子溫度是研究激光與材料作用的關鍵。飛秒激光輻照金屬時,由于電子熱容比晶格熱容小得多[3],電子溫度在10-13s時間尺度內迅速升高,而此時晶格的溫度基本不變,傳統的宏觀熱傳導模型不適于描述這種非熱平衡狀態[4]。1974年,蘇聯的S.I.Anisimov等人建立了雙溫模型(TTM)[5],用于描述超短脈沖激光作用下,金屬材料的電子與晶格溫度的變化過程。……