纳秒激光作用致杂散光吸收功能薄膜损伤的仿真方法

摘要

本发明公开了纳秒激光作用致杂散光吸收功能薄膜损伤的仿真方法，该方法包括：建立杂散光吸收功能薄膜三维模型；设置激光光源并渐进加载；设置各材料温度依赖性参数及参数边界条件；对所述三维模型进行梯度网格划分；基于所述网格进行动力学热力耦合仿真模拟，直至达到设定的仿真时间，根据设置各的材料温度依赖性参数及参数边界条件得到功能薄膜损伤形貌及多物理场演化规律。利用本发明方案，可以有效揭示功能薄膜损伤机理并预测损伤斑形貌及多物理场演化规律。

说明书

技术领域

本发明涉及激光作用氧化物陶瓷功能膜领域，具体涉及一种纳秒激光作用致杂散光吸收功能薄膜损伤的仿真方法。

背景技术

以氧化铝/氧化硅为主的功能薄膜可以大幅提升杂散光吸收率，有效避免杂散光作用低激光吸收率铝合金后在高能激光系统中多次反射形成难以计算的高阶鬼光。然而由于杂散光平均功率可达10

发明内容

本发明提供一种纳秒激光作用致杂散光吸收功能薄膜损伤的仿真方法，能够有效揭示功能薄膜损伤机理并预测损伤斑形貌及多物理场演化规律。

为此，本发明提供如下技术方案：

一种纳秒激光作用致杂散光吸收功能薄膜损伤的仿真方法，所述方法包括：

建立杂散光吸收功能薄膜三维模型；

设置激光光源并渐进加载；

设置各材料温度依赖性参数及参数边界条件；

对所述三维模型进行梯度网格划分；

基于所述网格进行动力学热力耦合仿真模拟，直至达到设定的仿真时间，根据设置各的材料温度依赖性参数及参数边界条件得到功能薄膜损伤形貌及多物理场演化规律。

可选地，所述三维仿真模型包括：上层保护层SiO

可选地，所述方法还包括：

将所述中层吸收层Al

可选地，所述设置激光光源并渐进加载包括：

利用高斯光源：

其中，Q为激光功率密度分布函数，A为激光吸收率，P为激光功率，r为光斑半径

设置激光脉宽及激光功率；

在满足当前层单元损伤删除条件后，对当前层单元进行删除；

在下层单元表面上施加新的激光光源。

可选地，所述方法还包括：设置材料热-力复合损伤判定准则(温度达到材料汽化值或应力状态参数达到材料损伤值)；

按照以下方式确定是否满足当前层单元损伤删除条件：

获取当前层单元的温度及应力状态；

确定所述当前层单元的温度及应力状态是否满足所述材料热-力复合损伤判定准则；

如果是，则确定满足当前层单元损伤删除条件。

可选地，所述判定准则为：当前层单元的温度达到材料汽化值或应力状态参数达到材料损伤值。

可选地，所述各材料温度依赖性参数包括以下任意一种或多种：弹性模量、泊松比、柔性损伤参数、J-C本构及损伤参数、JH-2本构及损伤参数、双线性本构参数、热膨胀系数、热传导系数、比热容、非弹性热份额、潜热、熔沸点、吸收率；

所述边界条件包括以下任意一种或多种边界条件：初始温度、模型上表面热源边界、模型地面固定约束、模型侧壁热量出口、空气对流换热、表面热辐射。

可选地，所述对所述三维模型进行梯度网格划分包括：

对所述三维模型采用梯度过度网格方式划分，使径向内侧网格均匀密集为2μm，径向外侧稀疏为20μm，轴向网格为33nm。

可选地，所述基于所述网格进行动力学热力耦合仿真模拟包括：

模拟域热-力复合作用所致材料去除损伤演化过程；

材料飞溅过程；

材料表面及内部应力应变、位移、温度、相态、速度、加速度的瞬态值及演化过程。

可选地，所述材料表面及内部应力应变、位移、温度、相态、速度、加速度的瞬态值及演化过程包括：

进行后处理数据提取及分析，包括极值随时间的演化过程、物理场分布规律、材料当前所处相态。

本发明实施例提供的纳秒激光作用致杂散光吸收功能薄膜损伤的仿真方法，通过建立三维激光作用功能薄膜热-力耦合模型，引入热力参数的温度依赖性并引入渐进损伤机制，得到功能薄膜激光损伤形貌及多物理场演化规律。为提升高能激光系统清洁度，促进相关行业的发展提供重要参考，同时为终端光学系统结构、KDP(磷酸二氢钾)晶体框架风刀的设计提供上游指导。

附图说明

图1为本发明实施例纳秒激光作用致杂散光吸收功能薄膜损伤的仿真方法的流程图；

图2为本发明实施例中杂散光吸收功能薄膜结构示意及微宏观表征图；

图3为本发明实施例中单元损伤判定流程图；

图4为本发明实施例中对梯度网格划分效果图；

图5为本发明实施例中不同激光功率密度下纳秒激光作用致杂散光吸收功能薄膜损伤的示例图；

图6为本发明实施例中不同激光功率密度下纳秒激光作用致杂散光吸收功能薄膜崩碎喷溅示例图；

图7为本发明实施例中不同激光功率密度下，纳秒激光作用致杂散光吸收功能薄膜损伤斑深/宽演化图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和有益效果能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

如图1所示，本发明实施例纳秒激光作用致杂散光吸收功能薄膜损伤的仿真方法的流程图，包括以下步骤：

步骤101，建立杂散光吸收功能薄膜三维模型。

具体地，如图2所示的杂散光吸收功能薄膜结构示意及微宏观表征图，为被仿真对象，其基体为AA6061-T6。

该杂散光吸收功能薄膜试件的制备方法如下：

首先，将基体进行机械抛光后将试件脱脂、碱蚀，以去除表面有机物及大气氧化层。由于Si、Cu等元素的存在，碱液对试件表面溶解不均，需以中和液浸泡至恢复金属光泽。

随后进行阳极化，槽液由质量分数大于10％的硫酸及少量纳米分散颗粒构成，而后浸泡入电解沉积槽液中，以向氧化铝孔隙中添加具有光谱吸收能力的CdSe。

最后，通过含硅溶液的高温浸泡，在其表面形成二氧化硅薄膜，起到表面改性目的的同时完成封孔。

仿真方法中为简化运算，将中层吸收层Al

为表征激光辐照过程中产生的颗粒飞溅现象，采用三维模型进行计算，所建立模拟域为2mm×2mm×30μm，其中SiO

步骤102，设置激光光源并渐进加载。

具体地，可以利用VDFLUX来设置激光光源，VDFLUX是动力学仿真二次开发子程序的一种，可以对非均匀热源进行自定义。

在本发明实施例中，所述激光光源可以采用高斯分布热源：

其中，Q为激光功率密度分布函数，A为激光吸收率，P为激光功率，r为光斑半径。比如光斑半径可以为480μm，激光能量密度设置为0.5～2J/cm

在具体应用中，需要设置激光脉宽及激光功率。

通过分析时间步、单元数双循环遍历进行逐单元扫描。将所述光源分布函数进行编程输入后，利用温度接口进行当前分析时间步单元遍历，当单元温度大于材料沸点或应力状态大于损伤判定时，删除当前单元，同时识别该单元激光方向的下层单元第一表面，而后停止当前单元热源加载转而在下层单元表面加载新的激光光源，以此配合步骤103中单元热-力复合损伤删除进行热源的渐进加载。

具体地，可以预先设置材料热-力复合损伤判定准则。相应地，按照以下方式确定是否满足当前层单元损伤删除条件，具体地，获取当前层单元的温度及应力状态；确定所述当前层单元的温度及应力状态是否满足所述材料热-力复合损伤判定准则；如果是，则确定满足当前层单元损伤删除条件。所述判定准则具体为：温度达到材料汽化值或应力状态参数达到材料损伤值。

如图3所示，为本发明实施例中单元损伤判定流程图，包括以下步骤：

首先，在步骤301，对模拟域进行热源扫描，逐一确定各单元当前与相态有关的激光吸收率及加载激光功率密度。

而后，在步骤302，依次对当前各单元进行温度损伤判定。具体的判定方式如下：

步骤321，获取当前单元温度及应力应变状态。

步骤322，判断当前单元温度是否大于材料沸点；若是，则执行步骤324；否则，执行步骤323。

步骤323，判断当前单元应力是否满足损伤条件；如果是，则执行步骤324；否则，执行步骤321，进行下一个单元的判定。

步骤324，删除当前单元。

需要说明的是，每层有多个单元，如果判断当前单元满足损伤条件，即删除当前单元并进行当前单元的下一层单元激光加载。也就是说，若出现热-力损伤中任意损伤，则在删除当前单元的同时，识别该单元激光辐照方向的下一层单元，并在该下一层单元面上进行激光的加载，以此实现激光热源的渐进加载。

需要说明的是，力学损伤所采用的本构损伤判据可以有多种方式，比如：柔性材料的柔性/韧性损伤判定准则及J-C(Johnson-Cook)判定准则、硬脆性材料的脆性损伤准则及JH-1(Johnson-Holrdquist)/JH-2(Johnson-HolrdquistⅡ)判定准则、双线性本构损伤判定准则等。在实际应用时，可以任意选择其中一种或多种判定准则，对此本发明实施例不做限定。

在步骤103，设置各材料温度依赖性参数及参数边界条件。

材料的热-力-光学参数并不是固定不变的，其对温度变化非常敏感。本发明方案中，所采用的温度依赖性材料参数包括以下任意一种或多种：弹性模量、泊松比、柔性损伤参数、J-C本构及损伤参数、JH-2本构及损伤参数、双线性本构参数、热膨胀系数、热传导系数、比热容、非弹性热份额、潜热、熔沸点、吸收率。

所述边界条件包括以下任意一种或多种：初始温度、模型上表面热源边界、模型地面固定约束、模型侧壁热量出口、空气对流换热、表面热辐射。

继续参照图1，在步骤104，对所述三维模型进行梯度网格划分。

具体地，对三维模型进行梯度网格划分，使径向内侧网格均匀密集为2μm，径向外侧稀疏为20μm，轴向网格为33nm，如图4所示。当然，也可以采用其它尺寸粒度，对此本发明实施例不做限定。其目的是在保证计算精度的同时，尽可能地减小计算代价。

步骤105，基于所述网格进行动力学热力耦合仿真模拟，直至达到设定仿真时间，根据所设置的材料温度依赖性参数及边界条件得到功能薄膜损伤形貌及多物理场演化规律。

仿真模拟的目的是为了描述激光作用膜系过程及冷却一段时间内材料的动态演化，包括热、力场，具体涉及材料的温度、热流演化、应力应变演化、模型相爆炸状态(损伤及颗粒飞溅物)等微观多物理状态，仿真过程是由时间控制开始和结束的，即为瞬态仿真。

具体地，仿真模拟过程主要包括以下几种：

模拟域单元温度达到材料沸点导致热作用所致材料去除损伤演化及单元应力达到材料强度极限所致材料去除损伤演化过程；

因单元发生去除，导致单元约束不足引发材料飞溅过程；

模拟域受热源加载，产生热-力场变化，进而引发材料表面及内部应力应变、位移、温度、相态、速度、加速度的瞬态值及演化过程。

本发明针对功能薄膜提出了激光作用导致热-力复合损伤的模拟方法，通过本发明可实现对损伤形貌及多物理场演化规律的揭示，包括：模拟域热-力复合作用所致材料去除损伤演化过程；材料飞溅过程；材料表面及内部应力应变、位移、温度、相态、速度、加速度的瞬态值及演化过程。以损伤形貌及演化过程；材料飞溅为例进行仿真结果的详述：

图5示出了不同时刻不同激光能量密度以及不同陶瓷材料本构下损伤斑形貌及温度分布，其中第2、4行为方便对比，对SiO

如图5所示，随着激光能量密度的增大，损伤斑直径对应增大，6ns时SiO

冷却1μs后，不同本构下作用效果有本质不同，采用双线性本构模型功能薄膜表层发生损伤迸溅，Al

所述本构模型，又称材料的力学本构方程，或材料的应力-应变模型，是描述材料的力学特性(应力-应变-强度-时间关系)的数学表达式。

从仿真结果的可靠性角度：采用双线性本构可以得到更为真实地类似图5-[3,4](即图5中第3行第4列)的“毛躁”表面，其模拟了脆性迸溅所产生的材料废屑，这是采用JH-2本构的模型所不具备的。

从仿真结果的材料飞溅效果角度：如图6所示，采用双线性本构激光作用6ns时，未见迸溅产生，此时由于激光持续作用，温差相对冷却阶段较小，热应力保持在可控范围，仅发生损伤。此时激光作用材料产生的热应力不足以导致模拟域失稳，动能始终保值较低水平，材料速度/加速度较低。冷却阶段材料突然失去热源作用，边界位置热梯度急速增大，极大地材料瞬时热应力导致单元发生脱落并高速飞溅，冷却1μs时最大飞行速度可达153.9m/s。而采用JH-2本构，材料未发生迸溅。通常来说，应力导致的材料(单元)损伤更易导致动能骤升，单元飞溅。而温度导致的单元失效动能较小，难以产生飞溅。

综上所述，双线性本构下单元损伤为热-力共同作用，而JH-2本构单元损伤形式以热至损伤为主，应力导致的损伤由于本构与模型的匹配度较差而未能有较好的体现。

图7所示为不同激光功率密度下，纳秒激光作用致杂散光吸收功能薄膜损伤斑深/宽演化图。其中，横轴表示激光能量密度，纵轴表示损伤斑宽度。

从图7中可以看出，损伤斑最大宽度与所处阶段关系较小，且无论采用何种本构模型，损伤斑宽度均随激光能量密度的增大而增大，如图7中左边示图所示。除2J/cm

所述中心损伤为：材料在受激光作用时，损伤斑中心位置为能量最高位置。所述最大损伤位深度：脆性材料受激光辐照后发生损伤，其最大损伤深度并不一定位于损伤中心位置。

通过上述仿真结果示例可以充分说明，本发明实施例提供的纳秒激光作用致杂散光吸收功能薄膜损伤的仿真方法，能够有效地预测陶瓷氧化物功能薄膜的激光作用损伤过程，对后期实验提供精确地指导，节省大量的人力物力。进一步地，本发明为提升高能激光系统清洁度，促进相关行业，包括终端光学系统结构尤其是KDP晶体框架风刀的设计、光刻设备的发展及应用提供重要指导。

以上对本发明实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体实施方式对本发明进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及装置，其仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。