超短脈沖激光照射下銅納米薄膜固-液相變數(shù)值模擬研究.pdf

1、對(duì)超短脈沖激光與金屬相互作用過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬使用的模型主要有:拋物線型雙溫模型(PTTM)及其改進(jìn)模型、雙曲線型雙溫模型(HTTM)及其改進(jìn)模型等。由于超短脈沖激光與銅納米薄膜相互作用是一個(gè)高度非線性的過(guò)程，對(duì)這些模型進(jìn)行求解常用的方法主要分為兩大類:第一類，在連續(xù)介質(zhì)的層面直接求解雙溫模型，如:有限差分法、有限單元法以及物質(zhì)點(diǎn)法等;第二類，使用雙溫模型與分子動(dòng)力學(xué)相結(jié)合的方法（TTM-MD），在連續(xù)介質(zhì)層面求解電子溫度，通過(guò)原子模擬求

2、解晶格溫度，進(jìn)而對(duì)薄膜的固-液相交進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。進(jìn)行數(shù)值計(jì)算時(shí)，模型中的熱物理參數(shù)直接影響到金屬薄膜的熱傳導(dǎo)和溫度分布;光學(xué)參數(shù)（反射率和吸收系數(shù)）直接影響到金屬薄膜的對(duì)激光能量的吸收，從而改變金屬薄膜的熱響應(yīng)。
　　本文首先考慮動(dòng)態(tài)光學(xué)性質(zhì)的情況，在連續(xù)介質(zhì)層面采用隱式差分法求解PTTM;在原子模擬層面使用顯式差分法求解PTTM-MD的電子溫度方程、使用速度Verlet算法求解PTTM-MD的晶格溫度控制方程。分別使用以上兩種計(jì)

3、算方法對(duì)超短脈沖激光與銅納米薄膜相互作用進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。通過(guò)計(jì)算不同類型激光（tp=200fs，1ps，5ps，10ps，J0=3000J/m2，5500J/m2）與厚度為200nm的銅納米薄膜的相互作用，并對(duì)兩種數(shù)值方法計(jì)算結(jié)果的區(qū)別進(jìn)行研究。然后，使用PTTM-MD分別對(duì)常數(shù)和動(dòng)態(tài)光學(xué)表面性質(zhì)兩種情況下，不同類型激光照射銅納米薄膜過(guò)程進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。分析薄膜表面光學(xué)性質(zhì)的兩種不同的處理方式的計(jì)算結(jié)果的區(qū)別，探討使用常數(shù)薄膜表面光學(xué)性質(zhì)的

4、可行性。
　　研究結(jié)果表明，PTTM-MD計(jì)算出來(lái)的薄膜表面電子溫度略高于PTTM的計(jì)算結(jié)果。由于對(duì)晶格熱容參數(shù)的計(jì)算方法不相同，高能量密度時(shí)，PTTM-MD對(duì)薄膜表面晶格溫度的計(jì)算結(jié)果明顯高于PTTM的計(jì)算結(jié)果，但是低能量密度時(shí)，兩者相差不大。注入的激光能量的細(xì)微差別和熱力耦合并不是PTTM-MD計(jì)算出來(lái)的熔化深度明顯大于PTTM數(shù)值方法計(jì)算出來(lái)的熔化深度的主要因素，主要因素可能是兩種計(jì)算方法對(duì)晶格熱熔的計(jì)算方法不同，或者是PT