激光烧蚀对铜膜的影响分析——基于数值模型模拟法.pdf

总第2 11期2023年第8 期理论研究摘要：超快激光烧蚀相比于传统长脉冲激光加工从理论上分析具有显著的优势，可以进一步提升精密加工的效率和质量。在对超快激光辐照铜膜理论基础综合研究分析的基础上，完成了相关参数的设置；重点围绕超快激光的多脉冲对铜薄膜表面中心位置的反射率和吸收系数的影响开展数值模拟研究，研究所得结论可用来指导激光烧蚀在精密加工的实践应用。关键词：激光烧蚀；精密加工；脉冲间隔时间；反射率；吸收系数中图分类号：TG665。引言在精密加工领域，超快激光具有显著的优势，主要表现为作用时间短、峰值功率大以及热影响区域小等1。传统采用长脉冲激光进行加工时,对应材料的烧蚀反应主要是通过熔化和汽化蒸发引起；而对于超快激光而言，对应材料的烧蚀主要是热应力、相爆炸以及热电子爆发力所引起的。本文以纯铜的加工为例，重点开展超快激光加工时材料热力响应和损伤的预测,并从数值模拟计算对比超快激光对铜膜的烧蚀过程。1理论基础对超快激光辐照铜膜的理论基础进行分析，并完成相关参数的设置，为后续数值模拟分析奠定基础。1.1超快激光与金属的作用机理研究从理论上讲，当超快激光照射到金属表面时，由于激光具有非常高的功率密度，使得金属表面的电子直接跃迁到高能态。超快激光对金属材料的烧蚀机制分为非热烧蚀和热烧蚀两种。从时间的层面分析，超快激光与金属表面相作用的物理过程如图1所示。光子电子耦合电子相位离散10-1510-4非热过程图1超快激光辐照金属的物理过程对于超快激光而言,其与固体材料相接触时多数表现为非热过程；而对于短脉冲激光而言,其与固体材料相接触时多数表现为热过程；这是超快激光与短脉冲激光最为本质的区别。1.2相关参数的设置鉴于铜金属本身具有优良的特性，而且在集成电收稿日期：2 0 2 3-0 3-2 8作者简介：冯媛（19 9 1一）,女，宁夏平罗人，本科，毕业于河海大学材料科学与工程专业，讲师,从事金属材料方向教学工作。山西冶金ShanxiMetallurgy激光烧蚀对铜膜的影响分析基于数值模型模拟法冯媛（石嘴山工贸职业技术学院，宁夏石嘴山7 5 3 0 0 0）文献标识码：A路、传感器以及磁性多层膜领域被广泛应用，本文将以铜为例开展超快激光对其的作用过程研究。纯铜的相关热物性参数如表1所示。表1纯铜相关热物性参数参数名称固体状态熔点/K1357光斑半径/m1初始温度/K300膜厚度/m0.2热膨胀系数/（1/K）1.75 105热电子爆发系数/（JK-m）96.6密度/(kg/m)8.94 1032多脉冲激光对铜膜热-力响应分析近年来，随着飞秒激光技术的飞速发展，一般的脉冲激光器可以发射出任意形状的脉冲，而且每发出的一个脉冲串中含有多个脉冲系列3 。目前,针对单脉冲对铜膜的热一力响应研究较多,而针对多脉冲激光对铜膜的热力响应研究较少。本文将重点针对多脉冲激光对铜膜热力的响应开展数值模拟分析。2.1多脉冲激光热源的选择电子准热平衡电子冷却、声子驰豫110-310-12时间/sTotal 211No.8,2023DOI:10.16525/14-1167/tf.2023.08.043文章编号：16 7 2-115 2(2 0 2 3)0 8-0 113-0 3一一一一8.02 103本文的研究对象是厚度为0.2 m的铜膜，采用热护散热烧相变10-10-10热过程液体状态多脉冲超快激光对其进行辐照，分析其热力学特性。所采用的多脉冲激光束如图2 所示。t图2 多脉冲激光束波形图山西冶金114E-mail:第46 卷2.2数值模拟仿真结果基于上述多脉冲超快激光束对0.2 m的铜薄膜进行辐照,重点对脉冲个数和脉冲间隔时间对铜薄膜的热一力响应特性进行对比。2.2.1超快激光脉冲个数对铜膜热力响应分析对超快激光脉冲个数为1个、2 个、4个以及8 个时对铜薄膜的热力响应特性进行模拟分析，不同数量脉冲对应在铜薄膜表面形成的能量密度分别为2 0 0 0 J/cm、10 0 0 J/c m、5 0 0 J/c m 和2 5 0 J/cm。不同脉冲个数对应在铜薄膜表面中心位置反射率与时间的变化关系如图3 所示。1.000.950.900.800.750.700图3 不同脉冲数量对应铜薄膜表面中心点反射率随时间的变化关系分析图3 中的数据可知,在1个超快激光脉冲的辐照下，对应在铜薄膜表面的反射率从0.9 5 7 降低至0.720；而在2 个超快激光脉冲的辐照下，对应在铜薄膜表面的反射率分别从其最大值降低至0.8 48 和0.755；在4个超快激光脉冲的辐照下，对应在铜薄膜表面的反射率分别从其最大值降低至0.9 0 7、0.8 6 6、0.853和0.8 2 3。综上所述可以得出：随着超快激光脉冲个数的增加，对应铜薄膜表面中心点反射率的变化越小，进而导致仅有极少的能量被铜薄膜吸收。不同脉冲个数对应在铜薄膜表面中心位置吸收系数与时间的变化关系如图4所示，与反射率的变化趋势相近，随着超快激光脉冲个数的增加，对应吸收系数能达到的最小值越大。从理论上讲，当吸收系数越大时，对应激光投射深度越小，从而导致能量在铜薄膜表面较浅的位置沉积4。2.2.2超快激光脉冲间隔时间对铜膜热力响应分析所谓脉冲间隔时间指的是超快激光相邻两个脉冲之间的间隔时间。在脉冲宽度为10 0 ps、能量密度为5 0 0 J/cm以及脉冲个数为2 个时，分别对超快激光脉冲间隔时间为0.5 ps、1p s、4p s 和10 ps时对铜薄膜的热一力响应特性进行分析。不同脉冲间隔时间对应在铜薄膜表面中心位置反射率与时间的变化关807876747270680图4不同脉冲数量对应铜薄膜表面中心点吸收系数随时间的变化关系系如图5 所示，在上述四种脉冲间隔时间下，对应铜薄膜表面中心位置反射率呈现为减小的变化趋势；随着脉冲间隔时间的增大,对应的铜薄膜表面中心位置反射率依次为0.8 8 5 7、0.8 9 7 0、0.8 9 9 7 和0.9 0 5 4。可以看出超快激光束的脉冲间隔时间越短,对应铜薄膜-一1个脉冲一2 个脉冲.4个脉冲8个脉冲！1一1个脉冲一2 个脉冲4个脉冲二：1表面中心位置的反射率最小值越小，有利于能量被材料吸收。0.9723时间/ps2时间/ps45360.950.910.89F0.87L0图5 不同脉冲间隔时间对应铜薄膜表面中心点反射率随时间的变化关系不同脉冲间隔时间对应在铜薄膜表面中心位置吸收系数与时间的变化关系如图6 所示。79.078.578:077.5L0图6 不同脉冲间隔时间对应铜薄膜表面中心点吸收系数随时间的变化关系如图6 所示，随着超快激光脉冲间隔时间的减少，对应在铜薄膜表面中心位置的吸收系数减小；从理论上讲，当吸收系数减小时，意味着超快激光能量将会渗透至铜薄膜更深的位置5 。3结论超快激光相比于传统长脉冲激光加工具有作用4-.-top=0.5 pstsp=1 ps.-to=4 pstip-10ps48时间/ps48时间/ps512-tap=0.5 pstap=1 ps-tae=10ps12166162023年第8 期冯媛：激光烧蚀对铜膜的影响分析115时间短、峰值功率大以及热影响区域小的优势，而且超快激光对固体材料进行辐照时主要表现为非热烧蚀。目前,针对超快激光单脉冲对铜薄膜的热力响应研究较多,而针对超快激光多脉冲对铜薄膜的热力响应研究较少。本文基于数值模型模拟法针对激光烧蚀对铜薄膜的影响展开研究,结论如下：1)随着超快激光脉冲个数的增加,对应铜薄膜表面中心点反射率的变化越小,进而导致仅有极少的能量被铜薄膜吸收；对应吸收系数能达到的最小值越大，对应激光投射深度越小，从而导致能量在铜薄膜表面较浅的位置沉积。2)超快激光束的脉冲间隔时间越短,对应铜薄膜表面中心位置的反射率最小值越小,有利于能量被材Analysis of the Effect of Laser Ablation on Copper Film-Based on Numerical Model(Shizuishan Institute of Industry and Trade,Shizuishan Ningxia 753000,China)Abstract:Ultrafast laser ablation has significant theoretical advantages over traditional long pulse laser processing,which can furtherimprove the efficiency and quality of precision machining.On the basis of comprehensive research and analysis of the theoretical basis ofultra fast laser rradiation of copper film,the relevant parameters were set.This paper will focus on conducting numerical simulation researchon the influence of multiple pulses of ultrafast laser on the reflectivity and absorption coefficient of the central position on the surface ofcopper thin films.The conclusions obtained from the research can be used to guide the practical application of laser ablation in precisionmachining.Key words:laser ablation;precision machiningi pulse interval time;reflectivityi absorption coefficient（上接第9 9 页）低能耗”冶炼奠定了基础。1)采用高品位矿石、提高原燃料筛分均匀性、采用高品质焦炭，能够从源头上提升原燃料利用率，降低在冶炼过程中的能耗；2)高炉冲渣热水余热回收技术，能够实现夏季制冷、冬季供热的余热利用方案，实现冲渣热水余热的高效二次利用；3)优化后能够将炼铁时的平均工序能耗降低5.5%，提升炼铁的经济性。参考文献1】韩成.关于高炉炼铁工艺节能减排技术研究J.冶金与材料，2020,40(1):2-4.Research on Energy-saving and Emission Reduction Measures for Blast Furnace IronmakingAbstract:Blast furnace ironmaking has the advantages of simple process flow and high production efficiency,making it the most widely usedironmaking technology.However,the ironmaking process requires a large amount of energy consumption.With the intensification of globalcompetition in the steel industry,how to reduce energy consumption in the ironmaking process and improve the economy of ironmaking hasbecome a serious issue that steel companies must consider.So,starting from the three stages of smelting,namely the front-end,mid-range,and back-end,measures for energy conservation and emission reduction in blast furnace ironmaking were proposed,laying the foundation foroptimizing the steel smelting process,improving the economic efficiency and market competitiveness of steel smelting.Key words:blast furnace;iron makingi energy conservation and emission reduction;energy consumption料吸收;对应在铜薄膜表面中心位置的吸收系数减小，意味着超快激光能量将会渗透至铜薄膜更深的位置。1王慧敏.激光的强化因子和入射距离对铜薄膜能量衰减影响分析J.激光杂志,2 0 17,3 8（6)：19 0-19 3.2张东来，宋雄杰，丁磊，等，切向气流下激光对旋转靶热烧蚀的数值模拟J.激光与红外，2 0 17,47（3):2 6 1-2 6 6.3林家坚，雷春霞.薄膜厚度对飞秒激光烧蚀铜纳米薄膜的影响研究J.科技通报,2 0 17,3 3(1)：10-13.4李志国，徐涛，刘永杰，等,基于监测和数值模拟的白音华凸台边坡变形稳定性分析J.中国矿业，2 0 2 2,3 1(S1)：8 4-9 2.5王一飞，虞宙，李康妹，等.纳秒激光烧蚀钛合金微坑形貌的数值模拟分析J.中国激光，2 0 2 2，49（8)：8 0-9 6.(编辑：杨光辉）Simulation MethodFengYuan2王敏，任荣霞，董洪旺，等.熔融还原炼铁最新技术及工艺路线选择探讨J.钢铁，2 0 2 0,5 5（8)：145-147.3张福明，银光宇，李欣.现代高炉高风温关键技术问题的认识与研究J.中国冶金，2 0 2 0,3 0（12)：1-8.4程志杰，梁利生，沙华玮，等.焦炭质量变化对高炉冶炼的影响J.炼铁,2 0 19,3 8(4):1-6.5高海潮，黄发元.马钢炼铁技术与管理M.北京：冶金工业出版社,2 0 18:3 2 6.6朱武，蔡浩.酒钢2 号高炉强化冶炼实践J.炼铁，2 0 16,3 5（6)：52-54.7刘前程，郑小姣，阴树标，等.高炉喷吹不同比例混合煤的效果研究J.钢铁研究学报，2 0 2 1,3 3(6)：46 1-46 6.(编辑：苗运平）ProcessHe Dadong(Yangchun New Steel Co.,Ltd.,Yangjiang Guangdong 529600,China)参考文献