金属表面飞秒和皮秒激光烧蚀的有限差分热分析

简介：
本研究采用有限差分法对金属材料在飞秒及皮秒激光作用下的热传导过程进行数值模拟与分析，探讨不同时间尺度下激光加工机制及其微观结构变化。 为了描述飞秒激光烧蚀金属表面的过程，对双温方程进行了简化处理。采用有限差分法模拟了飞秒脉冲和皮秒脉冲激光在金属表面烧蚀过程中的温度场变化，并进行了一维数值分析。研究探讨了在飞秒领域内对双温方程约简的合理性。计算模型中，着重分析了电子与光子耦合系数大小对于金属表层电子温度的影响，同时考虑不同脉宽、能量密度及功率密度等因素的作用。研究表明，电子和晶格之间的耦合系数影响材料表面电子升温和两者之间温度同步的时间；相较于皮秒激光而言，在飞秒激光烧蚀过程中，脉冲功率密度是决定最终电子温度的关键因素之一；此外，利用飞秒激光可以实现金属表层（吸收系数的倒数）量级厚度范围内的加工。