脉冲激光烧蚀的传热与气体动力学过程的理论研究

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1、一吉林大学硕士学位论文-摘要脉冲激光烧蚀的传热与气体动力学过程的理论研究张立超原子与分子物理专业指导教师:金明星;丁大军激光烧蚀既是一个古老的话题，又是一项崭新的课题。说它古老，是因为对它的研究从激光产生之日就开始了:说它新，是因为它有很强的生命力与适应能力，能够根据科学技术的发展，不断老树开新花，衍生出新的技术。到目前为止，激光烧蚀所引发出来的各项技术己广泛渗透到工业制造、基础科研、各种高精尖技术中。这一点已经在本文中详细叙述。脉冲激光烧蚀具有丰富的物理背景。它包括激光对材料的烧蚀过程、产生的plume在真空环境气体中的流体动力学行为等一系列复杂的过程。本文针对近年来得到广

2、泛关注的脉冲激光沉积，提出了激光烧蚀硅靶与硅蒸汽在氮气中传播的全程模拟的方案。首先，将系统的热传导系数与比热确定，将热传导方程表示成焙的形式，计算出各时刻的温度分布，并同时确定物质的蒸发时机。一吉林大学硕士学位论文-与之同步进行的是气体扩散的动力学过程。将从固体蒸发出来的蒸汽作为输入，动态地加入流体中，形成了一个动态的质量与能量源。在此系统中，质量、动量、能量按流体力学的基本方程传递。由于蒸气在双原子背景气体中扩散，背景气体的振动、转动、解离能等一系列能量被考虑进去。并且由于高温决定了在系统中原子电离和气体分子解离是同时进行的。由三个方程联立同时得到温度、电离度与解离度。在传

3、播的过程中会出现激波，而本文所采用的Rusanov格式可以方便且准确地对其进行捕捉。这就可以为沉积过程提供极有价值的信息。与其他此类研究不同的是，本文的模拟方案完全建立在己知的基本热力学参数与激光自身的参数基础上，不加入任何近似或人为假定，并从经典的考虑出发，导出激光烧蚀深度、烧蚀速率等参量与烧蚀所用的激光之间的关系。人们可以根据本文所给出的模型，对自己的烧蚀系统的参数进行优化。另一方面，本文在模拟的方法上提出了一系列简单、高效而且可行的方法与技巧。下面简要对这些特点进行说明:1.对烧蚀激光进行了全面的考虑。既考虑到空间分布，又II-一吉林大学硕士学位论文-加入了时间分布。在

4、时间分布上，采取了更高精度的平滑形式，比普通的高斯形式更为真实。2.与实际情况相结合，考察了Nd:YAG激光器的不同波长的脉冲光束对硅靶的烧蚀，并结合结果对其给出了评价。3.利用己知的数据，将传热方程中的各热力学参量表示成温度的多项式，避免了计算中反复进行数值积分的繁琐和由此而产生的误差。4针对凝聚态系统焙值随温度单调上升的特点，提出了数据搜索代替非线性方程求解的思路，不仅使得温度计算效率大大提高，而且排除了非线性方程求解中的种种不确定因素。5.对于烧蚀过程中分散蒸发出的靶物质，采用统计的方法，建立其烧蚀量随时间的分布，并以此为基础，进一步推出烧蚀速率的公式。6.提出了气体动

5、力学模拟方法。将氮气的环境考虑进去，建立了多组元的流体力学守恒方程。并且充分考虑氮气是双分子原子这一特点，提出了多原子分子的处理方法。7.对气体系统中的各组分做全面的考虑，将同数量级的硅原子电离和氮分子解离放在一起考虑，再加入焙的方程，-III-一吉林大学硕士学位论文-使得在同一个非线性方程组内同时解出温度、硅的电离度和氮的解离度这三个量，使它们能够得出相互自洽的解，更加符合物理真实。8.在模拟中采用激波捕捉的方法，自动得到激波的间断位置和间断信息，使得计算中不需要花费力气处理这个棘手的问题。随着脉冲烧蚀技术的应用逐步走普及，人们对于这项技术的探索兴趣也逐渐浓厚。从最开始总结

6、经验所提出的分类模型，以及一些定性及半定量的理论，到目前对于这项技术中所发生的各种现象的广泛、细致的研究;对其探索也不断走向成熟。在这条探索的路上，作者希望本论文的研究能够给读者和其他此方面的研究者有益的线索。一吉林大学硕士学位论文-AbstractTheoreticalStudyoftheThermalConductionandGasDynamicProcessinthePulsedLaserAblationZHANGLichaoSpecialty:AtomicandMolecularPhysicsAdvisor:JINMingxing,DINGDajunLaserabla

7、tionisbothanoldstoryandanewtopic.Itshistorycouldbetracedtothebirthoflaseritself,butithasamazingadaptabilityenablesittofosternewpowerfultechniquesin-phasewiththedevelopmentofscienceandtechnology.Uptonow,thesetechniquesaredistributedinvariouskindsofapplica