短脈沖激光輻照金屬激發(fā)溫度場(chǎng)和超聲波的數(shù)值研究.pdf

1、本文采用有限元方法建立了短脈沖激光與金屬相互作用時(shí)在金屬中產(chǎn)生的電子與晶格的溫度場(chǎng)以及基于熱彈激發(fā)超聲的數(shù)值模型,研究了短脈沖激光輻照下金屬中電子與晶格的溫度場(chǎng)隨激光脈沖寬度的變化情況及皮秒激光產(chǎn)生的超聲波,對(duì)其特征做了理論分析。
　　 在考慮了飛秒脈沖激光的時(shí)間分布和空間分布的情況下,分別對(duì)低脈沖能量和高脈沖能量輻照金屬時(shí)激光與電子及金屬內(nèi)電子與晶格間的能量傳播過程進(jìn)行了數(shù)值模擬。結(jié)果表明:飛秒激光輻照金屬時(shí),金屬內(nèi)的電子與晶

2、格之間存在非熱平衡狀態(tài);輻照區(qū)域附近會(huì)產(chǎn)生一個(gè)很小的溫升區(qū)域,其軸向的溫度梯度遠(yuǎn)大于徑向溫度梯度；在脈沖能量相同的情況下,飛秒量級(jí)激光的脈沖寬度越小,輻照中心點(diǎn)的電子和晶格溫度的最大值越高；脈沖寬度遠(yuǎn)小于皮秒量級(jí)時(shí),電子和晶格的溫度達(dá)到平衡的時(shí)間主要取決于電子與晶格的耦合作用,而當(dāng)脈沖寬度接近皮秒量級(jí)時(shí),該平衡時(shí)間主要取決于激光對(duì)金屬的加熱時(shí)間。
　　 針對(duì)飛秒激光與金屬相互作用時(shí)金屬內(nèi)電子出現(xiàn)的過冷卻現(xiàn)象(金屬內(nèi)的電子與晶格溫

3、度達(dá)到平衡點(diǎn)后電子的溫度小于晶格溫度的現(xiàn)象)進(jìn)行了數(shù)值實(shí)驗(yàn)。數(shù)值實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示:電子出現(xiàn)過冷卻現(xiàn)象是由于金屬內(nèi)電子的熱導(dǎo)系數(shù)與其熱容的比值大于晶格的熱導(dǎo)系數(shù)與熱容的比值。
　　 在上述溫度場(chǎng)的基礎(chǔ)上本文先用有限元數(shù)值方法模擬了納秒激光在金屬中產(chǎn)生的激光超聲,并與利用積分變換法求解熱彈方程的解析解進(jìn)行了比較,兩者符合較好。然后研究了皮秒激光產(chǎn)生的超聲波,對(duì)波形特征做出理論分析。數(shù)值計(jì)算結(jié)果顯示:皮秒激光產(chǎn)生的超聲波頻率遠(yuǎn)大于納秒激光