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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.
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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

纳秒激光烧蚀铝材料的二维数值模拟

  • 1. (1)大连理工大学材料科学与工程学院,大连 116024; (2)大连理工大学三束材料改性教育部重点实验室和高科技研究院,大连 116024; (3)大连理工大学三束材料改性教育部重点实验室和高科技研究院,大连 116024,大连理工大学材料科学与工程学院,大连 116024
    基金项目: 国家自然科学基金(批准号: 10875021)资助的课题.

摘要: 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

English Abstract

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