飞秒激光蚀除金属的分子动力学模拟

摘要

采用耦合一维双温模型的分子动力学方法,从连续及原子级的角度详尽描述了飞秒激光与金属的相互作用过程.建模时不仅考虑了激光能量的吸收方式、电子热传输及电子-晶格间的能量交换,而且对底部边界进行了特殊处理,采用简单而有效的速度减幅技术,既能防止靶材底部断裂,又能保证有效蚀除.分析了靶材内部温度、压力的分布特征及应力约束条件下的蚀除机制.模拟结果表明,靶材是在卸载波及被反射的压力波的共同作用下发生断裂;较高脉冲能量密度下蚀除产物由多个大团簇组成,而较低能量密度下只包含单个团簇,这是应力约束条件下金属蚀除的主要特征.同时,深入探讨了激光诱导压力波的成因及其传播规律,预测了压力波的波速.确定了蚀除阈值,同实验数据完全吻合,并证明了有过热现象的存在.