飞秒-纳秒脉冲激光烧蚀金属热效应分析

邓素辉; 陶向阳; 刘明萍; 周彩玉

高级检索

ISSN 1001-3806CN 51-1125/TN 网站地图

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

飞秒-纳秒脉冲激光烧蚀金属热效应分析

邓素辉 , 陶向阳 , 刘明萍 , 周彩玉

文章导航 > 激光技术 > 2007 > 31(1): 4-7

引用本文:

Citation:

飞秒-纳秒脉冲激光烧蚀金属热效应分析

1.
江西师范大学, 物理与通信电子学院, 南昌, 330022

作者简介: 邓素辉(1980- ),女,硕士研究生,主要从事激光光学、激光与物质相互作用的热效应研究..

通讯作者: 陶向阳, x.y.tao@163.com ;

中图分类号: TG156.99

Thermal analysis of metal ablation by means of femtosecond-to-nanosecond laser pulses

1.
College of Physics & Communication Electronics, Jiangxi Normal University, Nanchang 330022, China

Corresponding author: TAO Xiang-yang, x.y.tao@163.com ;

CLC number: TG156.99

摘要: 为了描述不同脉冲激光烧蚀金属表面作用过程,从双温模型出发,用有限元差分法对飞秒、皮秒和纳秒脉冲烧蚀金属表面的温度场进行了数值求解,将结果与不同的激光脉冲宽度内约化双温方程得到的解析解和简化方程进行了比较,并讨论了这些简化方程的适用范围和简化的合理性,还讨论了电子热流表达式与辐照激光光强的关系。计算结果表明,在不同脉冲宽度内的约化方程所得结果与双温模型数值求解符合得很好,证明了在飞秒领域,晶格温度可认为是常数,双温模型被简化为自由电子的温度变化方程;在皮秒激光领域,要用完整的双温方程描述;纳秒脉冲期间认为电子晶格温度相等,双温模型被简化为热传导方程。
- 超快光学 /
- 热效应分析 /
- 有限差分 /
- 双温方程
Abstract: Based on double-temperature equation,the temperature field of metal ablation by means of femtosecond,picosecond and nanosecond laser pulses is numerically calculated with finite-difference method to describe different laser pulses ablation on metal surface.The derived results are compared with those obtained with the approximate analytical expressions and simplified equations.Then the application range scope of the different simplified equations and the reasonability of simplification are discussed.The relationship between the electron heat flux expression and the laser intensity is also analyzed.The calculation shows that the results of the simplified equations are consistent with the numerical calculation results obtained with the double-temperature equation.It is proved that the temperature of the lattice can be treated as a constant and the double-temperature equation reduces to the electron temperature equation for femtosecond scale laser pulses,the system should be described by a complete double-temperature equation for picosecond laser pulses,and that the electron and lattice temperature are equal and the model is reduced to a heat conduction equation during for nanosecond laser pulses.
- ultrafast optics /
- thermal analysis /
- finite-difference method /
- double-temperature equation

[1]	CHE H Sh.The femtosecond and the appliance[J].Laser Optoelectronics Progress,2003,40 (8):5～9 (in Chinese).
[2]	BAI G.The appliance of the femtosecond[J].Laser Optoelectronics Progress,2002,39(3):41～44(in Chinese).
[3]	CHEN Ch Zh,BAO Q H,YAO Sh Sh et al.Pulsed laser deposition and its application[J].Laser Technology,2003,27 (5):443～446(in Chinese).
[4]	ANISIMOV S I,KAPELIOVICH B L,PERELMAN T L et al.Electron emission from metal surfaces exposed to ultra-short laser pulses[J].Soy Phys-JETP,1974,39:375～378.
[5]	EESLEY G L.Generation of nonequilibrium electron and lattice temperatures in copper by picosecond laser pulses[J].Phys Rev,1986,B33(4):2144～2150.
[6]	CORKUM P B,BRUNEL F,SHERMAN N K.Thermal response of metals to ultrashort-pulse laser excitation[J].Phys Rev Lett,1988,61(25):2886～2889.
[7]	CHICKKOV B N,MOMMA C,NOLTE S et al.Femtosescond,picosecond and nanosecond laser ablation of solids[J].Appl Phys,1996,A63 (2):109～115.
[8]	ELSAYED-ALI H E,NORRIS T B,PESSOT M A et al.Time-resolved observation of electron-phonon relaxation in copper[J].Phys Rev Lett,1987,58(12):1212～1215.
[9]	PENG H M,WANG Sh J,QIU Y B et al.The X-ray laser[M].Beijing:National Defence Industry Press,1997.166～168 (in Chinese).
[10]	LIU Zh,LI R X,YU W et al.Heating of planar metal targets by ultrashort laser pulses[J].Acta Optica Sinica,2000,20 (10):1297～1304(in Chinese).
[11]	NIX Ch,WANG Q Y.Finite difference method for thermal analysis of femtosecond-picosecond pulse laser ablation on metal surface[J].Chinese Journal of Lasers,2004,31 (3):277～280 (in Chinese).
[12]	EESLEY G L.Observation of nonequilibrium electron heating in copper[J].Phys Rev Lett,1983,51 (23):2140～2143.

[1]	王志军 , 贾威 , 倪晓昌 , 彭志农 , 杨丽 , 王清月 . 飞秒激光烧蚀金属镍热影响区的数值模拟. 激光技术, 2007, 31(6): 578-580.
[2]	黎小鹿 , 李俊 , 陶向阳 . 超短脉冲激光烧蚀半导体表面的热效应分析. 激光技术, 2007, 31(6): 624-626,629.
[3]	田润妮 , 王俊波 , 邱荣 , 周强 , 蒋勇 , 杨永佳 . 纳秒和飞秒激光烧蚀单晶硅的超快诊断. 激光技术, 2015, 39(6): 765-768. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2015.06.007
[4]	肖海兵 , 张庆茂 , 谭小军 , 周泳全 , 张卫 , 罗博伟 . 碳化硅陶瓷超快激光双光束精密抛光技术研究. 激光技术, 2024, 48(2): 180-187. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2024.02.006
[5]	黄光焰 , 杨亚培 , 戴基智 , 李晓惠 , 刘震 , 成娟娟 . 增益玻璃波导光场的数值模拟. 激光技术, 2005, 29(1): 35-37.
[6]	张建忠 . 超短光脉冲的频率分辨光学开关法测量研究. 激光技术, 2008, 32(2): 194-197.
[7]	常青 , 杨冬晓 , 王亮 , 王英 . 大孔径光导天线技术产生太赫兹波的研究. 激光技术, 2006, 30(6): 574-577.
[8]	陈碧芳 , 刘天夫 . 基于SPIDER法测量飞秒脉冲的数值计算与模拟. 激光技术, 2006, 30(1): 13-15.
[9]	游牧 , 赵卫 , 程光华 , 邹快盛 . 光敏玻璃在飞秒激光作用下的析晶. 激光技术, 2006, 30(1): 40-42,46.
[10]	梁德志 , 王敏 , 杜晨林 , 伍晓宇 . 飞秒激光背部湿刻石英玻璃微通道的研究. 激光技术, 2017, 41(2): 174-177. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2017.02.005
[11]	夏胜全 , 吕学超 , 王晓波 , 何建军 , 王巍 , 窦政平 . 飞秒激光测量微纳材料热物性参量研究进展. 激光技术, 2016, 40(4): 506-511. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2016.04.011
[12]	董军 , 彭翰生 , 魏晓峰 , 胡东霞 , 周维 , 赵军普 , 程文雍 , 刘兰琴 . 线性啁啾脉冲频谱干涉特性的模拟研究. 激光技术, 2009, 33(3): 232-235.
[13]	尚艳丽 , 陈海滨 , 洪治 . 飞秒激光直写铒镱玻璃波导激光器的优化设计. 激光技术, 2009, 33(3): 279-282.
[14]	杨玲珍 , 王云才 , 陈国夫 , 王屹山 , 赵卫 . 1053nm超短脉冲光纤激光的产生. 激光技术, 2007, 31(6): 610-612.
[15]	刘文军 , 李华军 , 曲士良 , 陈相君 . 飞秒激光脉冲的腔外压缩. 激光技术, 2007, 31(6): 665-667,670.
[16]	陈碧芳 , 刘天夫 . 飞秒脉冲干涉自相关修正光谱的啁啾特性. 激光技术, 2007, 31(6): 587-589,592.
[17]	李纲 , 卢峰 , 朱斌 , 吴玉迟 , 谷渝秋 . 波前像差对超短飞秒激光脉冲聚焦特性的影响. 激光技术, 2020, 44(1): 14-19. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2020.01.003
[18]	邹华 , 朱卫华 , 吴坚 , 吴建伟 , 王国栋 . 达曼类滤波器的飞秒脉冲整形技术. 激光技术, 2009, 33(4): 374-376,380. doi: 10.3969/j.issn.1001-3806.2009.04.011
[19]	陈碧芳 , 刘天夫 . 用干涉自相关包络宽度测量超短激光脉冲啁啾. 激光技术, 2010, 34(6): 851-854. doi: 10.3969/j.issn.1001-3806.2010.06.035
[20]	贺虎成 , 杨玲珍 , 王云才 . 利用非线性偏振旋转锁模技术产生0.7nJ, 1.5ps光脉冲. 激光技术, 2007, 31(1): 77-79.

点击查看大图

计量

文章访问数: 4670
HTML全文浏览量: 714
PDF下载量: 665
被引次数: 0

飞秒-纳秒脉冲激光烧蚀金属热效应分析

通讯作者: 陶向阳, x.y.tao@163.com;

作者简介: 邓素辉(1980- ),女,硕士研究生,主要从事激光光学、激光与物质相互作用的热效应研究.

1. 江西师范大学, 物理与通信电子学院, 南昌, 330022

收稿日期: 2005-12-10
录用日期: 2006-01-02
网络出版日期: 2007-02-25

关键词:

摘要: 为了描述不同脉冲激光烧蚀金属表面作用过程,从双温模型出发,用有限元差分法对飞秒、皮秒和纳秒脉冲烧蚀金属表面的温度场进行了数值求解,将结果与不同的激光脉冲宽度内约化双温方程得到的解析解和简化方程进行了比较,并讨论了这些简化方程的适用范围和简化的合理性,还讨论了电子热流表达式与辐照激光光强的关系。计算结果表明,在不同脉冲宽度内的约化方程所得结果与双温模型数值求解符合得很好,证明了在飞秒领域,晶格温度可认为是常数,双温模型被简化为自由电子的温度变化方程;在皮秒激光领域,要用完整的双温方程描述;纳秒脉冲期间认为电子晶格温度相等,双温模型被简化为热传导方程。