基于COMSOL的皮秒激光烧蚀304不锈钢仿真与实验研究

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作者：

李成玉

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摘要：

皮秒激光加工有着高重复频率,高峰值能量,极短作用时间和非线性吸收等特点,能够实现对各种材料的高效率和高精度的微加工并得到良好的加工质量.皮秒激光烧蚀材料的过程非常复杂,理解皮秒激光与材料相互作用的机理能帮助人们更好的利用这项技术,鉴于目前对皮秒激光烧蚀材料机理的研究尚不完善,因此对其进行系统性的仿真与实验探究有很重要的意义.在现有技术基础上改善加工质量,提高加工效率同样值得我们去深入探究.本文基于以上目的,针对工业应用非常广的金属材料不锈钢,采用COMSOL数值仿真软件结合皮秒激光加工系统进行了理论和实验研究工作.论文的主要内容包括以下几个方面:1.深入分析了皮秒激光辐照不锈钢靶材的动态物理过程,根据实际需求改进一维双温模型,在仿真软件中建立了二维轴对称有限元模型,探讨了不锈钢材料随着温度变化的热物理参数,并使其应用于模型的求解中;探讨了材料去除的相爆炸机制,采用变形几何模块在COMSOL中实现材料的去除.2.对单脉冲激光烧蚀不锈钢材料进行了仿真分析,求解计算不同能量密度下的电子—晶格温度变化,得出了在皮秒脉冲作用下电子—晶格系统达到热平衡的时间,通过仿真软件计算了烧蚀阈值和光斑半径;将模型拓展至多脉冲烧蚀,通过计算得到了多脉冲作用下电子—晶格温度场随时间的演化,分析了脉冲之间的热积累效应和消融深度随脉冲数变化的规律.3.仿真研究了将整脉冲分化出子脉冲的Burst模式的激光烧蚀靶材,计算了 Burst模式下激光作用材料的电子—晶格温度变化,分析了子脉冲之间的热效应对温度场的影响;通过研究烧蚀深度和烧蚀直径的变化,分析Burst模式对激光加工的影响规律.4.采用与仿真研究同样的激光参数,对单脉冲,多脉冲和Burst模式烧蚀进行了工艺实验,分析了烧蚀深度,凹坑直径和加工形貌的演化规律,对比分析得出了仿真结果与实验结果在总体变化趋势上吻合,进一步验证了 COMSOL双温模型预测皮秒激光作用不锈钢过程的可行性,对于部分数值的偏差,分析了成因并提出优化方案.

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