皮秒激光切割与打标仿真中固体材料温度场分布的研究

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1、分类号：密级：UDC：编号：学位论文皮秒激光切割与打标仿真中固体材料温度场分布的研究庚同雷指导教师姓名：赵培德教授河北工业大学申请学位级别：硕士学科、专业名称：理论物理论文提交日期：2012年11月论文答辩日期:2012年12月学位授予单位：河北工业大学答辩委员会主席：评阅人：2012年12月DissertationSubmittedtoHebeiUniversityofTechnologyforTheMasterDegreeofTheoreticalPhysicsSTUDYONTHERMALFIELDDISTRIBUTIONINSOLIDMATERIA

2、LSINSIMULATIONSONPICOSECONDLASERCUTTINGANDMARKINGByGengTongleiSupervisor:Prof.ZhaoPeideDecember2012原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文不包含任何他人或集体已经发表的作品内容，也不包含本人为获得其他学位而使用过的材料。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人或集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。学位论文作者签名：日期：2012/1

3、2/1关于学位论文版权使用授权的说明本人完全了解河北工业大学关于收集、保存、使用学位论文的以下规定：学校有权采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供本学位论文全文或者部分内容的阅览服务；学校有权将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流；学校有权向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：日期：2012/12/1导师签名：日期：2012/12/1河北工业大学硕士学位论文皮秒激光切割与打标仿真中固体材料温度场分布的研究摘要计算机仿真技术是指应用计算机软件，采用相应

4、的数据处理系统，来模拟仿真另外一个数据系统或者实验平台，目的是让模拟仿真的结果能真实反映被仿真的系统，以便缩短产品的开发周期和节省费用等。目前，我国的皮秒激光器的产业化尚处于刚起步状态，某些关键性技术指标需要通过激光加工的计算机仿真技术进行模拟，再经过与实际的加工效果进行对比完善，可以为国产皮秒激光器今后的实际应用奠定基础。本课题的来源是“863”主题项目子课题：皮秒激光加工模拟与仿真(2011AA030205)。在激光切割打标过程中，重要物理表现方式之一是温度场的改变，即通过脉冲激光的作用使被加工的材料产生热效应，此时物质的性质和状态都会发生相应的变化

5、，例如热扩散、热膨胀和热应力等。当激光能量累积的足够强时，材料的局部会发生汽化或者熔化。利用此效应可以达到激光加工（切割、打孔、打标等）的目的。所以对激光与物质相互作用产生的温度场变化进行仿真是切割打标的关键内容之一。本论文根据国产皮秒激光器的技术特点，取得了以下主要结果：1、对皮秒激光的能量分布和性质进行了模拟仿真：以高斯光束为模型，对皮秒激光在空气（真空）中的传播以及能量分布进行了模拟。2、根据傅里叶热传导方程在一定假设条件下的一维方程的解析解，以石英、陶瓷为例，得到了上述固体材料在皮秒激光加工时不同时刻不同位置的温度场分布。目前得到的结论是，根据项

6、目组提供的数据，当聚焦半径为1mm时，皮秒激光第一个脉冲到达材料后，石英上升到1289.6度，陶瓷上升到1843.7度。当第二个脉冲到达材料后，温度升高将会超过这两种材料的熔点，经过辅助气体，材料开始出现加工的结构。当聚焦半径再减小一个数量级时，温度升高很快，一个脉冲内就会出现加工结构。3、经典的傅里叶方程未考虑热波传播速度，所以人们引进热传播速度，对经典傅里叶热传导方程进行修正。本文中通过对非傅里叶热传导方程进行定性分析，得到的结论是引入热波速度后，降低了温度场的变化速度，但是其影响是有限的。关键词：皮秒激光，仿真，温度场，激光与物质相互作用，石英，陶

7、瓷i皮秒激光切割与打标仿真中固体材料温度场分布的研究ii河北工业大学硕士学位论文STUDYONTHERMALFIELDDISTRIBUTIONINSOLIDMATERIALSINSIMULATIONSONPICOSECONDLASERCUTTINGANDMARKINGABSTRACTInordertoshortenproductdevelopmentcycleandsavecosts,numericalsimulationmethodsareoftenusedinscientificandtechnicalstudies.Atpresent,theind

8、ustrializationofourpicosecondslaserissti