一种基于COMSOL模拟金属烧蚀阈值对脉宽依赖关系的方法技术

本发明专利技术公开了一种基于COMSOL模拟金属烧蚀阈值对脉宽依赖关系的方法，具体涉及强激光与物质作用技术领域，该方法包含以下步骤：S1：基于COMSOL建立二维瞬态双温模型；S2：建立金属材料的几何模型并进行网格化处理；S3：确定金属材料的热物理参数；S4：确立热源参数和热损失项参数；S5：添加温度变量的域点探针；S6：求解，判断是否收敛；S7：确定金属材料的单脉冲烧蚀速率；S8：确定固定脉宽下的金属材料烧蚀阈值。本发明专利技术通过COMSOL有限元软件高精度仿真模拟激光烧蚀金属的过程，得到金属材料中的电子和晶格温度随时间演变的耦合关系，预测不同脉冲宽度条件下的烧蚀形貌和烧蚀阈值，对激光制备金属表面结构的精准调控提供了理论参考。制备金属表面结构的精准调控提供了理论参考。制备金属表面结构的精准调控提供了理论参考。

【技术实现步骤摘要】
一种基于COMSOL模拟金属烧蚀阈值对脉宽依赖关系的方法


[0001]本专利技术涉及强光与物质作用
，更具体地说，本专利技术涉及一种基于COMSOL模拟金属烧蚀阈值对脉宽依赖关系的方法。

技术介绍

[0002]通常，获取烧蚀阈值的方法是通过物理工艺实验确定，而超短激光有瞬时功率密度高、加工精度高、小的热效应等优良特性，在表面处理技术中有着广泛的应用，尤其是与金属材料的加工和改性等方面。超短激光辐照金属靶材的时间远小于电声相互作用达到平衡的耦合时间，属于非热平衡烧蚀，理论上常常采用双温模型来解释电子和晶格系统的耦合和热扩散。在这过程中，金属靶材的烧蚀区域处的温度迅速升高到熔化和气化温度，金属材料从靶材表面剥离，从而实现金属靶材的高精度处理。
[0003]为实现实验上精细加工，需要知道金属的烧蚀阈值，这就需要对金属材料表面温度进行严格的控制，这是因为表面温度影响着激光烧蚀的速率、形貌、和阈值。因此，对金属靶材在烧蚀过程中的温度演化、形貌形成、响应状态等一直是国内外激光
中的热点之一。
[0004]然而激光烧蚀过程中，金属材料的热物理性质也会随之变化，通过实验来确定金属材料烧蚀阈值的成本太过昂贵，且操作不方便，因此本专利技术目的在于提供一种基于COMSOL模拟金属烧蚀阈值对脉宽依赖关系的方法，通过设置激光能量密度和脉冲宽度，利用温度的域点探针，数值模拟了单脉冲超短激光烧蚀金属材料的作用过程，本文研究为激光制备金属表面结构的精准调控提供了理论参考，可根据不同的性能需求选择不同的材料、激光扫描参数和实验环境。

技术实现思路

[0005]为了克服现有技术的上述缺陷，本专利技术的实施例提供一种基于COMSOL模拟金属烧蚀阈值对脉宽依赖关系的方法，以解决上述
技术介绍
中提出的问题。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种基于COMSOL模拟金属烧蚀阈值对脉宽依赖关系的方法，其特征在于，该方法包含有以下操作步骤：
[0007]S1：基于COMSOL建立二维瞬态双温模型；
[0008]S2：建立金属材料的几何模型，形成联合体，并进行网格化处理；
[0009]S3：确定金属材料的热物理参数，包括热容、热导率、电声耦合系数；
[0010]S4：确立热源参数和热损失项参数，包括激光能量密度、脉宽、激光半径、吸收系数、反射系数、热辐射以及热对流参数；
[0011]S5：添加温度变量的域点探针；
[0012]S6：求解，设定求解步长和时间，根据收敛图来判断计算是否收敛；
[0013]S7：确定金属材料的单脉冲烧蚀速率；
[0014]S8：确定固定脉宽下的金属材料烧蚀阈值。
[0015]在一个优选地实施方式中，所述步骤S1中的二维瞬态双温模型为二维轴对称模型的空间维度，并添加两个系数形式偏微分方程物理场接口来对应双温方程，研究的是瞬态性质。
[0016]在一个优选地实施方式中，所述步骤S2中的几何模型为矩形模型，调整视图在正中央，并将网格进行映射处理。
[0017]在一个优选地实施方式中，所述步骤S3、S4中的光源为高斯光源，热损失项(R1)、电子热导率(K
e
)和电声耦合系数(G(T
e
,T
l
))采用如下方法确定：
[0018][0019]其中，式中χ、η是与材料相关的常数，其中u
e
＝T
e
/T
F
,u
l
＝T
l
/T
F
，T
e
、T
l
、T
F
分别为电子温度、晶格温度、费米温度；
[0020][0021]其中，G
RT
为室温下的耦合系数，A
e
、B
l
分别为电子碰撞率、晶格碰撞率；
[0022]R1＝εδ(T
04
‑
T
l4
)+h(T0‑
T
l
)
[0023]其中，ε、δ、h分别为表面辐射发射率、斯蒂凡
‑
玻尔兹曼常数、对流热传递系数，T0、T
l
分别为初始温度和晶格温度。
[0024]在一个优选地实施方式中，所述步骤S5中的域点探针，以此来确定区域内任意一处的温度变化，从而得到电声耦合温度和耦合时间，以及电子温度的最大值。
[0025]在一个优选地实施方式中，所述步骤S6中的计算过程中，应当设置好材料的初始条件和边界条件，若结果收敛不理想，可适当调整步长和时间范围。
[0026]在一个优选地实施方式中，所述步骤S7中的单脉冲烧蚀速率可用烧蚀形貌直观表示，烧蚀形貌可以通过添加过滤器去除小于金属材料融化温度的区域而得到。
[0027]在一个优选地实施方式中，所述步骤S8中的烧蚀阈值可以通过控制变量法，控制脉宽不变，改变激光能量密度，得到不同烧蚀速率，外推可得烧蚀阈值；改变脉冲宽度，重复S7，可得到不同的脉宽下对应的激光烧蚀阈值，拟合这些数据可得到烧蚀阈值对脉宽的依赖关系。
[0028]本专利技术的技术效果和优点：
[0029]本专利技术通过COMSOL有限元软件高精度仿真模拟激光烧蚀金属的过程，通过设置激光能量密度和脉冲宽度，利用温度的域点探针，数值模拟了单脉冲超短激光烧蚀金属材料的作用过程，得到金属材料中的电子和晶格温度随时间演变的耦合关系，预测不同脉冲宽度条件下的烧蚀形貌和烧蚀阈值，本文研究为激光制备金属表面结构的精准调控提供了理论参考，可根据不同的性能需求选择不同的材料、激光扫描参数和实验环境。
附图说明
[0030]图1是本专利技术的总流程图。
[0031]图2是网格映射图。
[0032]图3是电声耦合温度随时间演变规律的图。
[0033]图4是激光烧蚀形貌图。
[0034]图5是烧蚀阈值随脉宽依赖关系图。
具体实施方式
[0035]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0036]如附图1
‑
附图5所示的一种基于COMSOL模拟金属烧蚀阈值对脉宽依赖关系的方法，该方法包含有以下操作步骤：
[0037]S1：基于COMSOL建立二维瞬态双温模型，所述步骤S1中的二维瞬态双温模型为二维轴对称模型的空间维度，并添加两个系数形式偏微分方程物理场接口来对应双温方程，研究的是瞬态性质；
[0038]S2：建立金属材料的几何模型，形成联合体，并进行网格化处理，其中的二维瞬态双温模型为二维轴对称模型的空间维度，并添加两个系数形式偏微分方程物理场接口来对应双温方程，研究的是瞬态性质本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于COMSOL模拟金属烧蚀阈值对脉宽依赖关系的方法，其特征在于，该方法包含有以下操作步骤：S1：基于COMSOL建立二维瞬态双温模型；S2：建立金属材料的几何模型，形成联合体，并进行网格化处理；S3：确定金属材料的热物理参数，包括热容、热导率、电声耦合系数；S4：确立热源参数和热损失项参数，包括激光能量密度、脉宽、激光半径、吸收系数、反射系数、热辐射以及热对流参数；S5：添加温度变量的域点探针；S6：求解，设定求解步长和时间，根据收敛图来判断计算是否收敛；S7：确定金属材料的单脉冲烧蚀速率；S8：确定固定脉宽下的金属材料烧蚀阈值。2.根据权利要求1所述的一种基于COMSOL模拟金属烧蚀阈值对脉宽依赖关系的方法，其特征在于：所述步骤S1中的二维瞬态双温模型为二维轴对称模型的空间维度，并添加两个系数形式偏微分方程物理场接口来对应双温方程，研究的是瞬态性质。3.根据权利要求1所述的一种基于COMSOL模拟金属烧蚀阈值对脉宽依赖关系的方法，其特征在于：所述步骤S2中的几何模型为矩形模型，调整视图在正中央，并将网格进行映射处理。4.根据权利要求1所述的一种基于COMSOL模拟金属烧蚀阈值对脉宽依赖关系的方法，其特征在于：所述步骤S3、S4中的光源为高斯光源，热损失项(R1)、电子热导率(K
e
)和电声耦合系数(G(T
e
,T
l
))采用如下方法确定：其中，式中χ、η是与材料相关的常数，其中u
e
＝T
e
/T
F
,u
l
＝T
l
/...

【专利技术属性】
技术研发人员：谭亮，徐世珍，魏小桐，
申请(专利权)人：谭亮，
类型：发明
国别省市：