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纳秒激光烧蚀铝材料的二维数值模拟

张朋波 秦颖 赵纪军 温斌

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纳秒激光烧蚀铝材料的二维数值模拟

张朋波, 秦颖, 赵纪军, 温斌

Two-dimensional numerical simulation of laser-ablation of aluminum material by nanosecond laser pulse

Wen Bin, Zhao Ji-Jun, Zhang Peng-Bo, Qin Ying
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  • 为了探索纳秒脉冲强激光与材料的相互作用机理,建立了二维数值模型,利用有限差分法对纳秒激光脉冲烧蚀金属铝的温度场进行了数值模拟.通过对比不同脉宽、光斑和能量下激光引起的温度场随时间的演化,发现脉冲的前期温度升高比后期快.等温图显示中心温度升高最快,烧蚀轮廓与激光束形状相似,烧蚀深度达1—5 μm.脉宽越长,烧蚀越窄和越深,光斑越大,烧蚀越宽和越浅.数值研究表明,1)激光的脉冲形状、脉宽和功率密度直接影响烧蚀的形状和深度,2)激光功率密度在109 W/cm2量级烧蚀
    To investigate the interaction between high-power pulsed laser and metal materials,we established a two-dimensional numerical model. The laser-induced two-dimensional temperature distribution was simulated using a finite difference method. From comparison of temperature evolution under different pulse time,spot sizes and energies,it can be seen that the rise of temperature in the initial period is faster than that in the later periods. Isothermal diagram shows that the temperature rising rate is fastest in the center of laser irradiating zone and that the ablation depth is in the range of 1—5 μm. As the laser pulse duration becomes longer,the ablation zone becomes narrower and deeper. As the laser spot diameter increases,the ablation zone becomes wider and shallower. The present numerical results indicate that: (1) the ablation shape and depth sensitively depend on the laser shape,pulse duration and power density, (2) with laser power density in the order of 109 W/cm2,the ablation area is roughly of the orgc of the laser spot. These results are helpful for designing relevant laser parameters in experiments.
    • 基金项目: 国家自然科学基金(批准号: 10875021)资助的课题.
    [1]

    Ready J F 1965 J. Appl. Phys. 36 462

    [2]

    Chan C L, Mazumder J 1987 J. Appl. Phys. 62 4579

    [3]

    Phys. Rev. Lett. 61 2364

    [4]

    Milchberg H M, Freeman R R, Davey S C, More R M 1988

    [5]

    Aden M, Beyer E, Herziger G, Kunze H 1992 J. Phys. D: Appl. Phys. 25 57

    [6]

    Yilbas B S, Yilbas Z, Akcakoyun N 1996 Opt. Laser Technol. 28 503

    [7]

    Zhang D M, Li Z H, Huang M T, Zhang M J, Guan L, Zou M Q, Zhong Z C 2001 Acta Phys. Sin. 50 914 (in Chinese) [张端明、 李智华、 黄明涛、 张美军、 关 丽、 邹明清、 钟志成 2001 50 914]

    [8]

    Zheng R L, Chen H, Liu J 2002 Acta Phys. Sin. 51 0554 (in Chinese) [郑瑞伦、 陈 洪、 刘俊2002 51 0554]

    [9]

    Xu H Y, Zhang Y C, Song Y Q, Chen D Y 2004 Chin. Phys. 13 1758

    [10]

    Zhang K Y 2004 Acta Phys. Sin. 53 1815 (in Chinese) [张可言 2004 53 1815]

    [11]

    Cheng J X, Zheng Z J, Chen H S, Miao W Y, Chen B, Wang Y M, Hu X 2004 Acta Phys. Sin. 53 3419 (in Chinese) [成金秀、 郑志坚、 陈红素、 缪文勇、 陈 波、 王耀梅、 胡 昕 2004 53 3419]

    [12]

    Niu Y X, Huang F, Duan X F, Wang Y F, Zhang P, He C J, Yu Y, Yao J Q 2005 Acta Phys. Sin. 54 4816 (in Chinese) [牛燕雄、 黄 峰、 段晓峰、 汪岳峰、 张 鹏、 何琛娟、 禹 晔、 姚建铨 2005 54 4816]

    [13]

    Zhang H Y, Wu S G 2007 Acta Phys. Sin. 56 5314 (in Chinese) [张红鹰、 吴师岗 2007 56 5314]

    [14]

    Kar A, Mazumder J 1990 J. Appl. Phys. 68 3884

    [15]

    Watson S, Field J E 2000 J. Phys. D: Appl. Phys. 33 170

    [16]

    Ni X C, Wang Q Y 2004 Chin. J. Laser. 31 277 (in Chinese) [倪晓昌、 王清月 2004 中国激光 31 277]

    [17]

    Zhang D M, Hou S P, Guan L, Zhong Z C, Li Z H, Yang F X, Zheng K Y 2004 Acta Phys. Sin. 53 2237 (in Chinese) [张端明、 侯思普、 关 丽、 钟志成、 李智华、 杨凤霞、 〖17] Zhang D M, Li L, Li Z H, Guan L, Hou S P, Tan X Y 2005 Acta Phys. Sin. 54 1283 (in Chinese) [张端明、 李 莉、 李智华、 关 丽、 侯思普、 谭新玉 2005 54 1283]

    [18]

    Tan X Y, Zhang D M, Li Z H, Guan L, Li L 2005 Acta Phys. Sin. 54 3915 (in Chinese) [谭新玉、 张端明、 李智华、 关 丽、 李 莉 2005 54 3915]

    [19]

    Zhan M Q, Shao J D 2008 J. Phys. D: Appl. Phys. 41 045306

    [20]

    Liu M Q, Li B C 2008 Acta Phys. Sin. 57 3402 (in Chinese) [刘明强、 李斌成 2008 57 3402]

    [21]

    Sun C W 2002 Laser Irradiation Effects (Beijing: Defense Industry Press) pp7—18, pp21—22 (in Chinese) [孙承伟 2002 激光辐照效应 (北京: 国防工业出版社) 第7—18、 第21—22页]

    [22]

    Colvin J D, Ault E R, King W E, Zimmerman I H 2003 Phys. Plasma. 10 2940

    [23]

    Nowakowski K A 2005 Ph. D. Dissertation (Worcester: Worcester Polytechnic Institute) p104, p322

    [24]

    Johnston A H 1993 Trans. Nucl. Sci. 40 1694

    [25]

    Yilbas B S, Mansour S B 2007 Int. J. Therm. Sci. 46 385

    [26]

    Solana P, Kapadia P, Dowden J M, Marsden P J 1999 J. Phys. D: Appl. Phys. 32 942

    [27]

    Peaceman D W, Rachford H H 1955 J. Soc. Ind. Appl. Math. 3 28

    [28]

    Qin Y, Wu A M, Zou J X, Liu Y, Wand X G, Dong C 2003 Trans. Mater. Heat Treat. 24 85 (in Chinese) [秦 颖、 吴爱民、 邹建新、 刘 悦、 王晓刚、 董 闯 2003 材料热处理学报 24 85]

  • [1]

    Ready J F 1965 J. Appl. Phys. 36 462

    [2]

    Chan C L, Mazumder J 1987 J. Appl. Phys. 62 4579

    [3]

    Phys. Rev. Lett. 61 2364

    [4]

    Milchberg H M, Freeman R R, Davey S C, More R M 1988

    [5]

    Aden M, Beyer E, Herziger G, Kunze H 1992 J. Phys. D: Appl. Phys. 25 57

    [6]

    Yilbas B S, Yilbas Z, Akcakoyun N 1996 Opt. Laser Technol. 28 503

    [7]

    Zhang D M, Li Z H, Huang M T, Zhang M J, Guan L, Zou M Q, Zhong Z C 2001 Acta Phys. Sin. 50 914 (in Chinese) [张端明、 李智华、 黄明涛、 张美军、 关 丽、 邹明清、 钟志成 2001 50 914]

    [8]

    Zheng R L, Chen H, Liu J 2002 Acta Phys. Sin. 51 0554 (in Chinese) [郑瑞伦、 陈 洪、 刘俊2002 51 0554]

    [9]

    Xu H Y, Zhang Y C, Song Y Q, Chen D Y 2004 Chin. Phys. 13 1758

    [10]

    Zhang K Y 2004 Acta Phys. Sin. 53 1815 (in Chinese) [张可言 2004 53 1815]

    [11]

    Cheng J X, Zheng Z J, Chen H S, Miao W Y, Chen B, Wang Y M, Hu X 2004 Acta Phys. Sin. 53 3419 (in Chinese) [成金秀、 郑志坚、 陈红素、 缪文勇、 陈 波、 王耀梅、 胡 昕 2004 53 3419]

    [12]

    Niu Y X, Huang F, Duan X F, Wang Y F, Zhang P, He C J, Yu Y, Yao J Q 2005 Acta Phys. Sin. 54 4816 (in Chinese) [牛燕雄、 黄 峰、 段晓峰、 汪岳峰、 张 鹏、 何琛娟、 禹 晔、 姚建铨 2005 54 4816]

    [13]

    Zhang H Y, Wu S G 2007 Acta Phys. Sin. 56 5314 (in Chinese) [张红鹰、 吴师岗 2007 56 5314]

    [14]

    Kar A, Mazumder J 1990 J. Appl. Phys. 68 3884

    [15]

    Watson S, Field J E 2000 J. Phys. D: Appl. Phys. 33 170

    [16]

    Ni X C, Wang Q Y 2004 Chin. J. Laser. 31 277 (in Chinese) [倪晓昌、 王清月 2004 中国激光 31 277]

    [17]

    Zhang D M, Hou S P, Guan L, Zhong Z C, Li Z H, Yang F X, Zheng K Y 2004 Acta Phys. Sin. 53 2237 (in Chinese) [张端明、 侯思普、 关 丽、 钟志成、 李智华、 杨凤霞、 〖17] Zhang D M, Li L, Li Z H, Guan L, Hou S P, Tan X Y 2005 Acta Phys. Sin. 54 1283 (in Chinese) [张端明、 李 莉、 李智华、 关 丽、 侯思普、 谭新玉 2005 54 1283]

    [18]

    Tan X Y, Zhang D M, Li Z H, Guan L, Li L 2005 Acta Phys. Sin. 54 3915 (in Chinese) [谭新玉、 张端明、 李智华、 关 丽、 李 莉 2005 54 3915]

    [19]

    Zhan M Q, Shao J D 2008 J. Phys. D: Appl. Phys. 41 045306

    [20]

    Liu M Q, Li B C 2008 Acta Phys. Sin. 57 3402 (in Chinese) [刘明强、 李斌成 2008 57 3402]

    [21]

    Sun C W 2002 Laser Irradiation Effects (Beijing: Defense Industry Press) pp7—18, pp21—22 (in Chinese) [孙承伟 2002 激光辐照效应 (北京: 国防工业出版社) 第7—18、 第21—22页]

    [22]

    Colvin J D, Ault E R, King W E, Zimmerman I H 2003 Phys. Plasma. 10 2940

    [23]

    Nowakowski K A 2005 Ph. D. Dissertation (Worcester: Worcester Polytechnic Institute) p104, p322

    [24]

    Johnston A H 1993 Trans. Nucl. Sci. 40 1694

    [25]

    Yilbas B S, Mansour S B 2007 Int. J. Therm. Sci. 46 385

    [26]

    Solana P, Kapadia P, Dowden J M, Marsden P J 1999 J. Phys. D: Appl. Phys. 32 942

    [27]

    Peaceman D W, Rachford H H 1955 J. Soc. Ind. Appl. Math. 3 28

    [28]

    Qin Y, Wu A M, Zou J X, Liu Y, Wand X G, Dong C 2003 Trans. Mater. Heat Treat. 24 85 (in Chinese) [秦 颖、 吴爱民、 邹建新、 刘 悦、 王晓刚、 董 闯 2003 材料热处理学报 24 85]

  • [1] 叶浩, 黄印博, 王琛, 刘国荣, 卢兴吉, 曹振松, 黄尧, 齐刚, 梅海平. 激光烧蚀-吸收光谱测量铀同位素比实验研究.  , 2021, 70(16): 163201. doi: 10.7498/aps.70.20210193
    [2] 张世健, 喻晓, 钟昊玟, 梁国营, 许莫非, 张楠, 任建慧, 匡仕成, 颜莎, GennadyEfimovich Remnev, 乐小云. 烧蚀对强脉冲离子束在高分子材料中能量沉积的影响.  , 2020, 69(11): 115202. doi: 10.7498/aps.69.20200212
    [3] 谭胜, 吴建军, 黄强, 张宇, 杜忻洳. 基于双相延迟模型的飞秒激光烧蚀金属模型.  , 2019, 68(5): 057901. doi: 10.7498/aps.68.20182099
    [4] 白清顺, 张凯, 沈荣琦, 张飞虎, 苗心向, 袁晓东. 单晶铁金属表面污染物的激光烧蚀机理.  , 2018, 67(23): 234401. doi: 10.7498/aps.67.20180999
    [5] 蔡颂, 陈根余, 周聪, 周枫林, 李光. 脉冲激光烧蚀材料等离子体反冲压力物理模型研究与应用.  , 2017, 66(13): 134205. doi: 10.7498/aps.66.134205
    [6] 梁亦寒, 胡广月, 袁鹏, 王雨林, 赵斌, 宋法伦, 陆全明, 郑坚. 纳秒激光烧蚀固体靶产生的等离子体在外加横向磁场中膨胀时的温度和密度参数演化.  , 2015, 64(12): 125204. doi: 10.7498/aps.64.125204
    [7] 李干, 程谋森, 李小康. 激光烧蚀聚甲醛的热-化学耦合模型及其验证.  , 2014, 63(10): 107901. doi: 10.7498/aps.63.107901
    [8] 常浩, 金星, 陈朝阳. 纳秒激光烧蚀冲量耦合数值模拟.  , 2013, 62(19): 195203. doi: 10.7498/aps.62.195203
    [9] 王文亭, 张楠, 王明伟, 何远航, 杨建军, 朱晓农. 飞秒激光烧蚀固体靶的冲击压强.  , 2013, 62(17): 170601. doi: 10.7498/aps.62.170601
    [10] 张华, 吴建军, 张代贤, 张锐, 何振. 用于脉冲等离子体推力器烧蚀过程仿真的新型机电模型.  , 2013, 62(21): 210202. doi: 10.7498/aps.62.210202
    [11] 王文亭, 张楠, 王明伟, 何远航, 杨建军, 朱晓农. 飞秒激光烧蚀金属靶的冲击温度.  , 2013, 62(21): 210601. doi: 10.7498/aps.62.210601
    [12] 张璐, 杨家敏. X射线烧蚀泡沫-固体靶增压机理研究.  , 2012, 61(4): 045203. doi: 10.7498/aps.61.045203
    [13] 郑新亮, 李广山, 钟寿仙, 田进寿, 李振红, 任兆玉. 激光烧蚀对碳纳米管薄膜场发射性能的影响.  , 2008, 57(12): 7912-7918. doi: 10.7498/aps.57.7912
    [14] 余本海, 戴能利, 王 英, 李玉华, 季玲玲, 郑启光, 陆培祥. 飞秒激光烧蚀LiNbO3晶体的形貌特征与机理研究.  , 2007, 56(10): 5821-5826. doi: 10.7498/aps.56.5821
    [15] 李成斌, 贾天卿, 孙海轶, 李晓溪, 徐世珍, 冯东海, 王晓峰, 葛晓春, 徐至展. 飞秒激光对氟化镁烧蚀机理研究.  , 2006, 55(1): 217-220. doi: 10.7498/aps.55.217
    [16] 王英龙, 卢丽芳, 闫常瑜, 褚立志, 周 阳, 傅广生, 彭英才. 具有窄光致发光谱的纳米Si晶薄膜的激光烧蚀制备.  , 2005, 54(12): 5738-5742. doi: 10.7498/aps.54.5738
    [17] 张端明, 李 莉, 李智华, 关 丽, 侯思普, 谭新玉. 靶材吸收率变化与烧蚀过程熔融前靶材温度分布.  , 2005, 54(3): 1283-1289. doi: 10.7498/aps.54.1283
    [18] 李晓溪, 贾天卿, 冯东海, 徐至展. 超短脉冲激光照射下氧化铝的烧蚀机理.  , 2004, 53(7): 2154-2158. doi: 10.7498/aps.53.2154
    [19] 张端明, 侯思普, 关 丽, 钟志成, 李智华, 杨凤霞, 郑克玉. 脉冲激光制备薄膜材料的烧蚀机理.  , 2004, 53(7): 2237-2243. doi: 10.7498/aps.53.2237
    [20] 张钧, 裴文兵, 古培俊, 隋成之, 常铁强. 辐射烧蚀的自调制准定态模型.  , 1996, 45(10): 1677-1687. doi: 10.7498/aps.45.1677
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出版历程
  • 收稿日期:  2009-10-30
  • 修回日期:  2010-01-08
  • 刊出日期:  2010-05-05

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