【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)屬于飛秒激光加工，涉及一種用于模擬飛秒激光燒蝕去除靶材加工場景的數(shù)值模擬和預(yù)測方法。
技術(shù)介紹
1、在材料科學(xué)中，介電材料因其獨特的電絕緣性能和在電場作用下極化的能力，成為了電子、光學(xué)和能源等多個
中不可或缺的組成部分，在多個行業(yè)中具有重要應(yīng)用。但介電材料的加工過程往往面臨挑戰(zhàn)，例如熔融石英這類硬而脆的材料，傳統(tǒng)的機械加工方法容易導(dǎo)致材料裂紋和斷裂；樹脂材料這類具有熱敏感性和化學(xué)不穩(wěn)定性的材料，傳統(tǒng)加工方式產(chǎn)生的大量熱會引起加工質(zhì)量的下降。飛秒激光技術(shù)的出現(xiàn)為介電材料的精密加工提供了新的解決方案。飛秒激光的超短脈沖和高峰值功率特性，使其能夠在極小的熱影響區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)材料的高精度微米級加工。這種加工方式對于熔融石英、樹脂等熱敏感材料尤為重要，因為其有效減少了熱應(yīng)力引起的變形和損傷。此外，飛秒激光加工的高定位精度，使其特別適合于靶材表面微結(jié)構(gòu)的制造。
2、盡管飛秒激光加工技術(shù)在理論和實踐上取得了顯著進展，但在多個脈沖加工過程中，對材料去除的精確控制仍然是一個挑戰(zhàn)，因此對其進行數(shù)值模擬便顯得尤為重要。現(xiàn)有的物理模型如雙溫方程、等離子體模型等雖然能夠準(zhǔn)確描述飛秒激光與介質(zhì)材料相互作用的物理原理，但在處理多個脈沖加工時，模型過于復(fù)雜且計算量大，速度慢，從而導(dǎo)致利用這些模型模擬飛秒激光燒蝕去除的方法存在模型臃腫、時間和資源成本高的問題。本專利技術(shù)開發(fā)了一種唯象數(shù)值模擬方法，以準(zhǔn)確模擬飛秒激光輻照介質(zhì)材料后的表面形態(tài)變化。唯象方法通過收集和分析實驗數(shù)據(jù)，簡化和假設(shè)以實現(xiàn)對實驗結(jié)果的描述和統(tǒng)計分析。該方法將考慮燒蝕表面
技術(shù)實現(xiàn)思路
1、為了解決對飛秒激光加工進行模擬的傳統(tǒng)模型建模過程過于復(fù)雜、模型臃腫、計算量大、速度慢從而導(dǎo)致實際部署和運用的時間和資源成本高的問題，本專利技術(shù)的目的是提供一種飛秒激光加工的唯象數(shù)值模擬方法，通過唯象方法高效、準(zhǔn)確地模擬飛秒激光單個脈沖或多個脈沖加工的表面形貌，進而實現(xiàn)飛秒激光微納加工的數(shù)值模擬。本專利技術(shù)結(jié)合熔融石英表面形態(tài)的變化以及孵化效應(yīng)預(yù)測對后續(xù)激光脈沖加工的影響。本專利技術(shù)的關(guān)鍵參數(shù)通過與實驗數(shù)據(jù)比較確定，使得本專利技術(shù)適用于模擬不同能量密度下激光脈沖燒蝕的截面輪廓，以及預(yù)測坑的深度和半徑，本專利技術(shù)還能夠用來模擬多脈沖燒蝕形成的微槽和三維微結(jié)構(gòu)，有助于提高飛秒激光加工參數(shù)選擇的精度和效率。所述關(guān)鍵參數(shù)即單位激光能量密度引起的材料移除厚度，
2、本專利技術(shù)的目的是通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)的。
3、本專利技術(shù)公開的一種用于飛秒激光燒蝕去除的唯象數(shù)值模擬方法，包括如下步驟：
4、步驟一、采用離散化的數(shù)值方法，將靶材表面沿水平方向劃分成等間距的節(jié)點，節(jié)點坐標(biāo)(x,y,z)用于表示材料點和激光光源的坐標(biāo)；在靶材表面，以位置(x0,y0)為中心的單次脈沖照射下，給定點處的入射通量通過以下公式來計算：
5、
6、其中j為入射激光通量。ω0是激光光斑的1/e2標(biāo)稱半徑，即激光強度衰減至中心峰值強度的1/e2所對應(yīng)的半徑值。當(dāng)模擬單個激光脈沖燒蝕時，(x0,y0)即為該單脈沖激光的中心，是一組固定的坐標(biāo)值；當(dāng)模擬多個激光脈沖燒蝕時，(x0,y0)為多個激光脈沖的中心，是多組相互獨立的坐標(biāo)值，可能重合可能不重合(多個激光脈沖的中心重合時即為利用多個脈沖在固定點打孔，多個激光脈沖的中心不重合時為利用脈沖序列在靶材表面加工微槽或者其他微結(jié)構(gòu))。對于多個激光脈沖燒蝕，某點處的入射激光通量取所有脈沖在該點處通量的和。
7、式(1)中，jmax為激光脈沖的峰值通量，計算式為
8、
9、e是單個脈沖的能量。
10、步驟二、模擬飛秒激光與靶材的相互作用，使用唯象方法描述激光輻照引起的表面形貌變化和孵化效應(yīng)：
11、
12、初始燒蝕閾值jth,1、穩(wěn)定燒蝕閾值jth,∞、激光光斑半徑ω0；n是指輻照到材料上的脈沖數(shù)；材料的吸收系數(shù)用α表示，δα是吸收系數(shù)從初始值α0增加到最大值αmax的變化量；β和γ是擬合系數(shù)。
13、步驟三、進行燒蝕去除過程的數(shù)值模擬；根據(jù)激光入射方向與局部法向量之間的夾角αag計算得到凈燒蝕通量jnet
14、jab＝j(luò)cosαag????(2)
15、
16、其中j為入射激光通量，jab為被靶材吸收的激光通量。
17、步驟四、根據(jù)式(5)進行數(shù)據(jù)循環(huán)標(biāo)定，獲取材料去除系數(shù)ξ，并計算材料表面上任一點(r,z)的位移(δr,δz)
18、
19、其中nr表示在半徑方向的單位法向量，nz表示在激光入射豎直方向的單位法向量，r為徑向。
20、步驟五、將δz保存至csv文件。當(dāng)n＝1時，步驟四得到的z即為飛秒激光單個脈沖加工的表面形貌，完成單發(fā)脈沖的模擬；當(dāng)n>1時，返回步驟一至步驟三迭代模擬，步驟四得到的z即為飛秒激光多個脈沖加工的表面形貌，完成多個脈沖燒蝕過程的模擬，從而實現(xiàn)模擬不同激光加工工藝對應(yīng)的飛秒激光燒蝕去除結(jié)果。
21、有益效果：
22、1、本專利技術(shù)公開的一種用于飛秒激光燒蝕去除的唯象數(shù)值模擬方法，能夠針對不同的激光通量參數(shù)，快速生成加工過程的數(shù)值模擬結(jié)果，顯著減少實驗試錯所需的時間和成本。
23、2、本專利技術(shù)公開的一種用于飛秒激光燒蝕去除的唯象數(shù)值模擬方法，采用孵化模型描述隨著脈沖數(shù)量的增加、燒蝕閾值逐漸降低的現(xiàn)象，通過模擬孵化效應(yīng)和材料去除過程，能夠避免實驗中的不確定因素，更好地實現(xiàn)對飛秒激光加工過程中孵化效應(yīng)的準(zhǔn)確描述。
24、3、本專利技術(shù)公開的一種用于飛秒激光燒蝕去除的唯象數(shù)值模擬方法，使用唯象方法描述平直或傾斜靶材表面激光能量去除以及孵化效應(yīng)對加工效果的影響，不僅能夠表征加工結(jié)果的現(xiàn)象和趨勢，還能夠提高對飛秒激光燒蝕去除模擬的精度和效率。
25、4、本專利技術(shù)公開的一種用于飛秒激光燒蝕去除的唯象數(shù)值模擬方法，綜合考慮耦合先前脈沖對表面形態(tài)的改變以及孵化效應(yīng)對后續(xù)脈沖作用的影響，實現(xiàn)對激光燒蝕形態(tài)和閾值的數(shù)值模擬，適用于模擬不同能量密度下激光脈沖燒蝕的截面輪廓，以及預(yù)測坑的深度和半徑，進而用來模擬多脈沖燒蝕形成的微槽和三維微結(jié)構(gòu)，有助于提高飛秒激光加工參數(shù)選擇的精度和效率，降低生產(chǎn)的時間和人力成本。
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1.一種用于飛秒激光燒蝕去除的唯象數(shù)值模擬方法，其特征在于：包括如下步驟，
2.如權(quán)利要求1所述的一種用于飛秒激光燒蝕去除的唯象數(shù)值模擬方法，其特征在于：多個激光脈沖的中心重合時為利用多個脈沖在固定點打孔，多個激光脈沖的中心不重合時為利用脈沖序列在靶材表面加工微槽或者其他微結(jié)構(gòu)。
【技術(shù)特征摘要】
1.一種用于飛秒激光燒蝕去除的唯象數(shù)值模擬方法，其特征在于：包括如下步驟，
2.如權(quán)利要求1所述的一種用于飛秒激光燒蝕去除的唯象數(shù)值模...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：吉鵬飛，宋尚印，姜瀾，李欣，
申請(專利權(quán))人：北京理工大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：
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