超短激光与金属材料相互作用的Comsol双温模型(激光烧蚀)

表面改性技术是指通过采用物理或化学的方法改变材料或工件的表面组织结构或者化学成分，从而提高材料性能或在材料表面添加功能，是工业中广泛应用的一项关键技术。常用表面改性方法有化学热处理、表面涂层、机械表面处理、激光表面改性等。激光表面改性由于具有良好的重复性、非接触加工、实现小尺寸特征和高质量精加工等特性而成为一种有前途的改性技术。

本文主要目的是通过有限元建模仿真的方法，研究不同激光参数情况下超快激光与金属材料的相互作用机理，以实现对超快激光对材料冲击后的形貌预测。飞秒激光具有热效应小的特点，这意味着其加工精度更高，加工表面形貌在一定实验数据支撑下更容易预测。

在飞秒激光-物质相互作用中，脉冲持续时间小于温度达到平衡所需的时间。因此采用经典热传导模型不能准确描述激光持续期间的作用过程。事实上，如图1所示，其加热过程可以分为两阶段。第一阶段对应于电子对电子的散射时间，量级为几十飞秒。在这一阶段，能量首先被电子吸收，而不是被晶格吸收。第二阶段约为几十皮秒，对应于能量从电子转移到晶格系统。考虑这两个时间段的分离的模型一般被称为“双温模型。

利用comsol仿真软件建立了单脉冲皮秒激光作用下的双温模型，研究了光斑半径及激光能量对铜片烧蚀结果的影响，得到以下结论。１）单脉冲皮秒激光入射到铜片表面时，电子温度急剧升高，且电子温度远大于晶格温度；２）当激光能量不变时，随着光斑半径的增大，铜片烧蚀形貌的面积增大，深度减小；３）当光斑半径不变时，随着激光能量的增大，铜片烧蚀形貌的面积和深度增大.

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