超短强脉冲激光与材料相互作用双温模型的研究_刘丹.pdf

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1、2011年2月湖北第二师范学院学报Feb．2011第28卷第2期JournalofHubeiUniversityofEducationVol．28No.2超短强脉冲激光与材料相互作用双温模型的研究刘丹(湖北第二师范学院物理与电子信息学院，武汉430205)摘要:本文利用双温模型来分析在超短激光烧蚀金靶材的情况下，针对两种不同的脉冲宽度，靶材表面电子及离子温度随时间的变化规律，从而进一步阐明电声相互作用在非平衡烧蚀中所起的作用。关键词:热传导模型;双温模型;激光烧蚀中图分类号:TN249文献标识码:A文章编号:1674-344X(2011)02-0018-02作者简介:刘丹(1981－)

2、，女，湖北红安人，讲师，硕士，研究方向为凝聚态物理。1引言相对很小，通常可以忽略，当系统温度达到一定值时，激光与材料相互作用的问题一直受到人们的青表面物质飞出靶材形成高温高密的等离子体，通常认睐。目前已经建立起各种各样的理论模型(如热传导为发生烧蚀，这种烧蚀称之为“热平衡烧蚀”。模型、流体动力学模型，分子动力学模型、双温模型如果在电子亚系统和离子亚系统达到热平衡之等)大多数只是在特定的范围内有用。经典的热传导前，激光就停止了辐照，那么此时烧蚀中电声作用占主模型主要用在长脉冲烧蚀的领域(如纳秒级脉冲激导地位，该烧蚀被称之为“非平衡烧蚀”。光)，当激光脉冲达到飞秒级时，由于飞秒激光烧蚀靶通

3、常情况下，热平衡烧蚀可以由热传导方程来描材过程中电子和晶格之间能量的转移时间短于脉冲激述，而非平衡烧蚀可以由双温方程来进行描述。光辐照靶材的时间，烧蚀机理则有明显不同。对于分如果从能量的角度考虑，激光的烧蚀过程可以看析超短脉冲激光烧蚀过程中电子和离子亚系统之间相成是能量转移转变的过程，大致可以分成三个阶段。互作用需采用双温模型。双温模型在激光和金属材料(1)靶材表面的自由电子吸收激光能量;作用的领域里，取得了许多成果，得到了广泛的应用。(2)电声相互作用的过程，高能电子通过发射声本文利用超短脉冲激光烧蚀靶材的双温模型为子将能量传递给离子;例，分析了脉冲宽度为150fs及1ps情况下，金

4、靶材表(3)电子、离子亚系统达到热平衡，离子电子组成面的电子及离子温度随时间的变化规律。的新系统吸收激光能量的过程。2激光的烧蚀理论双温模型从一维非稳态热导方程出发，考虑到超激光烧蚀机制大致可划分成两大类，通常是通过短脉冲时光子与电子及电子与晶格两种不同的相互作电声作用的弛逾时间和激光脉冲宽度来进行划分。当用过程，给出了电子与晶格的温度变化微分方程组，即激光脉宽大于电声耦合时间时，称其为热平衡烧蚀，当双温方程:激光脉宽小于电声耦合时间时，我们称其为非平衡烧ceTe=keTe－g(Te－Ti)+A(x，t)(ⅰ)蚀。这与烧蚀的微观过程有着紧密的联系。txx当脉冲激光辐照靶材表

5、面时，由于电子质量远小cT=g(T－T)(ⅱ)iieit于离子质量，靶材表面的自由电子先吸收大量能量。电子的能量急剧增加。电子之间相互碰撞，互相传递其中Te、Ti为电子及晶格系统的温度，ce、ci为电着能量。经过数十飞秒后，电子亚系统内部达到热平子及晶格系统单位体积的比热容，ke为电子热传导率，g为电子与晶格耦合的特征参数，A(x，t)为与激光衡，如果此时激光仍作用于靶材表面，电子系统将继续脉冲相对应的热源项，可表示为:吸收激光能量，它的温度将急剧增加。而在这个时间段内，离子系统只能够吸收很少的激光能量，温度几乎A(x，t)=(1－R)αI0(t)exp［－αx］(ⅲ)2不变。这样

6、电子亚系统和离子亚系统之间就形成了巨其中I0(t)是指入射的激光能量密度(W/cm)，R大的温度差，电子亚系统和离子亚系统之间相互作用和α分别是靶材的反射系数和吸收系数。(简称为“电声相互作用”)，电子将部分能量逐渐传递采用的激光脉冲波形为:2给离子。两个亚系统之间的温度差逐渐减小。经过大I0(t)=I0exp［－π(t/tp－1)］(ⅳ)约几皮秒到数十皮秒的时间(对不同的材料，电声作其中I0为最大激光能量密度，tp为脉冲宽度。用时间有较大的差别)后，两个亚系统温度达到平衡。方程(ⅰ)和方程(ⅱ)的初始条件为如果此时激光仍辐照靶材表面，整个系统的温度将不断升高，系统内部基本保持热平衡，

7、这时电声作用收稿日期:2011－01－15·18·Te(x，0)=Ti(x，0)=T0(ⅴ)所采用的边界条件为:Te－ke

8、x=0=(1－R)I0(t)(ⅵ)xTe－ke

9、x=d=0(ⅶ)xT0=300K为初始温度，d为靶材厚度。3结果及讨论本文以金靶材为例，结合初始条件(ⅴ)及边界条件(ⅵ)和(ⅶ)，利用有限差分法求解方程(ⅰ)和方程(ⅱ)。采用的激光波长为750nm，模拟过程中激光脉冲波形选取为高斯型，与实际情况更加符合，模拟了激光