基于双温模型模拟飞秒激光烧蚀过程_ACT_非线性_电子_UM_材料

基于双温模型模拟飞秒激光烧蚀过程

超短脉冲激光技术具有加工热效应小、尺寸小、精度高等优点，被广泛应用于材料加工及改性等领域。飞秒激光烧蚀是将功率密度较高的脉冲激光束照射到材料表面，使被照射的材料表面温度迅速升高，在非常短时间内使材料表面物质迅速熔化蒸发，实现对材料的烧蚀作用。飞秒激光烧蚀的物理过程也十分复杂，其中包含了材料中的光子与电子之间的能量耦合，电子通过电声耦合作用将激光能量传递给晶格等过程。

由于飞秒激光和材料作用的时间极短，经典的热传导模型已不能准确描述飞秒激光和材料的作用过程。通过ANISIMOV等人[1]提出的双温模型可描述超短激光与材料作用过程。一维双温热传导模型的非线性方程[2-4]为：

式中，

和

分别为电子温度和晶格温度；

和

分别为电子热容和晶格热容；

表示热源；

为耦合系数。

图1 几何模型

图2 参数设置

图3 电子和晶格的温度曲线

图4 电子温度随材料深度的变化

图5 晶格温度随材料深度的变化

通过双温模型模拟了飞秒脉冲与金属材料的相互作用，研究了脉冲宽度为0.2ps下电子温度和晶格温度随时间以及材料深度的变化关系。

参考文献:

[1] Anisimov SI, Kapeliovich BL, Perelman TL, et al. Electron emission from metal surfaces exposed to ultrashort laser pulses. Sov Phys JETP, 1974(39):375-378.

[2] Elsayed-Ali H E,Norris T B, Pessot M A, et al. Time resolved observation electron-phonon of relaxation in copper. Physical Review Letters 1987, 58(12):1212-1215.

[3] Hu D Z. Numerical calculation of the electron phonon coupling relaxation time in pulse laser ablation. Acta Physica Sinica, 2009, 58(2):1077-1082.

[4] Hu W Q, Shin YC, King G. Modeling of multi-burstmode pico-second laser ablation for improved materia removal rate. Applied Physics A,2009, 98(2)407-415.

来源：旋算仿真工作室

Nd：YAG 单晶光纤内的泵浦分布

对于单晶光纤内的泵浦分布仿真案例，由于晶体的折射率远大于空气的折射率，当泵浦光大于临界角入射到晶体内时，泵浦光在单晶光纤内是以波导的形式传播，即单晶光纤对泵浦光具有一定的束缚作用。通过光线追迹软件仿真单晶光纤内部的泵浦光光强分布，采用一个光纤耦合输出的泵浦源，然后用两枚凸透镜做泵浦耦合，泵浦光束的束腰的位于晶体内部。图1 YAG振荡器的实验装置[1] 为了模拟泵浦光在单晶光纤中的光强分布，我们采用光线追迹计算的方法研究了高度多模泵浦光在单晶光纤中的传输。图2 TracePro软件的仿真模型通过仿真结果可以观测到，泵浦光的束腰位于离单晶光纤入射端面1.5mm的处。由于泵浦光在经过束腰后会发散，所以在10mm处单晶光纤中心处的光强会减弱，经过在晶体柱面反射后在后续位置重新汇聚。由于单晶光纤对泵浦光有吸收作用，因此泵浦光在传播过程中会存在光衰减现象，并呈现驻波效应。图3 泵浦光在单晶光纤中的光强分布图4 中心轴线的泵浦光强分布图5 截面光强分布参考文献： [1] X. Délen, A. Aubourg, L. Deyra, F.Lesparre, I. Martial, et al. Single crystal fiber for laser sources[J]. SolidState Lasers XXIII Technology and Devices, 2015, Proc. SPIE 9342: 934202. 来源：旋算仿真工作室