样品温度对飞秒激光烧蚀金属靶材的影响研究

作     者：党伟杰 

作者单位：吉林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈安民

授予年度：2024年

学科分类：080901[工学-物理电子学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 080401[工学-精密仪器及机械] 0804[工学-仪器科学与技术] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0803[工学-光学工程] 

主      题：激光加工 飞秒激光 激光参数 温度场 样品温度 烧蚀深度 烧蚀率 

摘      要：激光加工具有诸多优点,包括高精度、无接触加工、适用性广泛、热影响小、自动化程度高以及环保节能。这些优势使得激光烧蚀成为一种高效的加工方法。为了进一步提升激光烧蚀的效率,需要进行深入的研究和理论模拟分析。通过理论模拟分析,可以深入了解激光烧蚀的加工原理与规律,从而优化加工参数、改进加工工艺,提高加工效率和质量。在本论文中,讨论了样品温度对飞秒激光烧蚀铜的理论模拟和实验研究。主要的研究内容如下: (1)为了更深入地研究飞秒激光加工过程,进行了激光能量密度、光斑半径和激光波长等激光参数对激光加工的模拟研究,以预测温度场和烧蚀坑的变化。模拟结果显示,激光能量密度增加,烧蚀深度也会增加。其次,光斑半径增加,材料表面的最大晶格温度会减小。激光波长减小,在轴向和径向分布的晶格温度增加。最后激光脉宽增加,电子温度和晶格温度平衡时间增加。还通过模拟研究,可以确定建立的模型是可行的。 (2)在第三章的模型基础上,对单脉冲飞秒激光烧蚀铜的理论分析,之后进行了实验探究。为了探究样品温度对飞秒激光加工的影响,利用双温模型,对飞秒激光辐照铜的热行为进行了模拟。模拟结果的温度场表明,随着样品初始温度的升高,电子峰值温度和达到平衡所需的弛豫时间都呈增加趋势。通过实验,得到各样品温度下烧蚀深度。将理论烧蚀深度和实验烧蚀深度进行比较,发现模拟烧蚀深度的总体趋势与实验值相一致。 综上所述,通过对激光能量密度、激光脉宽、光斑半径等激光参数进行模拟研究,可以深入了解其对激光加工的影响机理,验证了该模型是可行的。另外,利用该模型研究了预热样品下的激光烧蚀,并与实验烧蚀深度对比。通过研究发现,预热样品对激光烧蚀金属具有显著影响。预热可以提高金属烧蚀率,增加热导率和热容等热物理系数,从而提高激光能量传递效率,加快烧蚀速度。