超短脉冲激光照射下铜纳米薄膜固-液相变数值模拟研究

摘要

对超短脉冲激光与金属相互作用过程进行数值模拟使用的模型主要有:抛物线型双温模型(PTTM)及其改进模型、双曲线型双温模型(HTTM)及其改进模型等。由于超短脉冲激光与铜纳米薄膜相互作用是一个高度非线性的过程，对这些模型进行求解常用的方法主要分为两大类:第一类，在连续介质的层面直接求解双温模型，如:有限差分法、有限单元法以及物质点法等;第二类，使用双温模型与分子动力学相结合的方法（TTM-MD），在连续介质层面求解电子温度，通过原子模拟求解晶格温度，进而对薄膜的固-液相交进行数值计算。进行数值计算时，模型中的热物理参数直接影响到金属薄膜的热传导和温度分布;光学参数（反射率和吸收系数）直接影响到金属薄膜的对激光能量的吸收，从而改变金属薄膜的热响应。
　　本文首先考虑动态光学性质的情况，在连续介质层面采用隐式差分法求解PTTM;在原子模拟层面使用显式差分法求解PTTM-MD的电子温度方程、使用速度Verlet算法求解PTTM-MD的晶格温度控制方程。分别使用以上两种计算方法对超短脉冲激光与铜纳米薄膜相互作用进行数值计算。通过计算不同类型激光（tp=200fs，1ps，5ps，10ps，J0=3000J/m2，5500J/m2）与厚度为200nm的铜纳米薄膜的相互作用，并对两种数值方法计算结果的区别进行研究。然后，使用PTTM-MD分别对常数和动态光学表面性质两种情况下，不同类型激光照射铜纳米薄膜过程进行数值计算。分析薄膜表面光学性质的两种不同的处理方式的计算结果的区别，探讨使用常数薄膜表面光学性质的可行性。
　　研究结果表明，PTTM-MD计算出来的薄膜表面电子温度略高于PTTM的计算结果。由于对晶格热容参数的计算方法不相同，高能量密度时，PTTM-MD对薄膜表面晶格温度的计算结果明显高于PTTM的计算结果，但是低能量密度时，两者相差不大。注入的激光能量的细微差别和热力耦合并不是PTTM-MD计算出来的熔化深度明显大于PTTM数值方法计算出来的熔化深度的主要因素，主要因素可能是两种计算方法对晶格热熔的计算方法不同，或者是PTTM忽略了晶格的变形和压力弛豫、以及均匀熔化等因素。为了提高计算效率，计算薄膜表面电子温度和晶格温度时可以使用平均反射率代替随时间动态反射率，但是会略微高估薄膜的熔化深度。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 超短脉冲激光与金属相互作用的机理

1．3 超短脉冲激光与金属相互作用的实验研究现状

1．4 超短脉冲激光与金属相互作用的数值模拟研究现状

1．5 本文主要研究内容

1．6 本章小结

2 超短脉冲激光与金属相互作用的理论模型及计算方法

2．1 引言

2．2 双温模型-分子动力学模型

2．2．1 双温模型(TTM)

2．2．2 分子动力学模型

2．2．3 双温模型与分子动力相结合的数值方法(PTTM-MD)

2．3 数值计算方法

2．3．1 双温模型有限差分法

2．3．2 分子动力学基本方程的求解

2．4 本章小结

3 超短脉冲激光作用下铜薄膜热响应的原子模拟和连续介质计算

3．1 引言

3．2 数值模型的建立

3．2．1 模型参数介绍

3．2．2 模型的建立

3．3 数值计算结果

3．3．1 低激光能量密度的计算结果

3．3．2 高激光能量密度的计算结果

3．4 本章小结

4 动态光学性质对铜薄膜热学响应的影响

4．1 引言

4．2 超短脉冲激光模型

4．3 数值计算结果

4．3．1 低激光能量密度的计算结果

4．3．2 高激光能量密度的计算结果

4．4 本章小结

5 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献