到靶激光辐照氧化铝的温度分布特性研究

王頔，金光勇，魏智

（长春理工大学　理学院，长春　130022）

到靶激光辐照氧化铝的温度分布特性研究

王頔，金光勇，魏智

（长春理工大学理学院，长春130022）

在激光的传播过程中，由于受到传输环境影响，可能导致到靶激光的波前畸变和波前破碎等现象，致使实际的到靶光斑产生时空分布的变化。利用COMSOL Multiphysics仿真软件建立了毫秒脉冲激光与氧化铝相互作用的数值仿真模型，对比分析了氧化铝分别在实际到靶激光和理想高斯激光作用下的温度分布差异。研究表明，由于实际到靶激光与理想高斯激光能量梯度差距较大，使得在与氧化铝相互作用时产生的温度分布也表现出明显差异，在分析实际到靶激光时，实际到靶激光的能量梯度越大，其产生的温度场与其能量空间分布差异也更明显。因此，在实际应用中，不能单纯的把入射激光都理想化为标准光斑。研究结果在提高长距离传输的激光加工质量的应用方面具有指导意义。

实际到靶激光；氧化铝；温度分布；激光辐照

当靶材受到激光辐照的时候，由于吸收激光的能量，从而在材料体内产生不均匀分布的瞬态温度场［1］。在激光功率密度不高的情况下，材料表面仅发生简单的加热现象；在中等功率密度情况下，材料将发生熔融或汽化现象［2-4］。由于氧化铝具有较好的机械、光学和电学特性，被广泛应用于生产生活中［5-6］，其与激光相互作用的相关现象也受到人们广泛的关注。而激光作用于材料的加热效应与激光参数和材料特性以及其表面状况有着密切的关系，物理过程很复杂。已有研究多为针对理想激光空间分布（平顶、高斯等），没有考虑激光在传播过程中，由于受到传输环境影响，可能导致到靶激光的波前畸变和波前破碎等现象，致使实际的到靶光斑产生时空分布的变化，从而对激光与物质的相互作用效果产生影响［7］。本文利用COMSOL Multiphysics仿真软件建立了三维数值仿真模型，模拟了毫秒脉冲激光辐照氧化铝材料的温升分布，对比分析了分别在实际到靶激光和理想高斯激光作用下氧化铝的温升分布差异。

1　模型的建立和参数的选择

激光垂直照射氧化铝表面的三维模型如图1所示。其中z为激光入射方向。氧化铝材料半径b为20mm，厚度h为2mm，作用激光光斑半径r0为10mm。

图1　激光辐照氧化铝表面示意图

计算中假设：靶材为各向同性；激光辐照过程中未出现熔化、气化现象；激光垂直照射靶材，并且激光的光斑中心与靶材的中心重合；忽略了液相对流以及由热对流和热辐射造成的边界损失。

三维热传导方程在坐标系条件下可表示为：

求解非稳态方程（1），需要给出初始条件和边界条件。

初始条件：

边界条件：

式中，R是表面反射率；I0是激光能量密度。

f（x，y）是激光能量在靶材表面的分布函数，这里我们选择高斯分布：

g（t）是激光脉冲的时间分布函数。对于1ms单脉冲的激光，该函数的表达式为：

氧化铝材料与波长1064nm的激光相互作用的反射率以及热物理参数由表1给出。

表1　氧化铝热物性参数

2　计算结果和讨论

图2和图3为平均能量密度为2.224J/cm2，峰值能量密度为16.11J/cm2时，采用的实际到靶激光1和理想高斯激光的能量空间分布情况。由图可知，实际到靶激光能量分布不是理想的高斯型，分布不是很均匀。

图2　采用的实际到靶激光1的能量空间分布情况

图3　理想高斯激光的能量空间分布情况

图4和图5为平均能量密度为2.224J/cm2，峰值能量密度为16.11J/cm2时，采用COMSOL Multiphysics模拟毫秒脉冲激光辐照氧化铝材料的温度空间分布。由图可知，在激光作用条件下，氧化铝的温度分布具有较明显的温度表面沉积现象。在实际到靶激光1辐照下，氧化铝的温度场的空间分布虽整体上与杂散光斑一致，但局部略有不同；在理想高斯激光辐照下，温度场呈现类高斯分布。由于实际到靶激光与理想高斯激光能量梯度差距较大，使得在与氧化铝相互作用时产生的温度分布也表现出明显差异，因此，在实际应用中，不能单纯的把入射激光都理想化为标准光斑。

图4　毫秒脉冲实际到靶激光1辐照氧化铝材料的温度空间分布

图5　毫秒脉冲理想高斯激光辐照氧化铝材料的温度空间分布

图6和图7为平均能量密度为1.112J/cm2，峰值能量密度为8.055J/cm2时，采用COMSOL Multiphysics模拟，毫秒脉冲激光辐照氧化铝材料的温度空间分布。由图6、7与图4、5对比可知：在激光作用条件下，氧化铝的温度随能量的增加而增加。

图6　毫秒脉冲实际到靶激光1辐照氧化铝材料的温度空间分布

图7　毫秒脉冲理想高斯激光辐照氧化铝材料的温度空间分布

图8、图9分别为平均能量密度为2.224J/cm2，峰值能量密度为18.55J/cm2时，采用的实际到靶激光2能量空间分布和采用COMSOL Multiphysics模拟，毫秒脉冲激光辐照氧化铝材料的温度空间分布情况。由图8、9与图2、4对比可知：在激光作用条件下，激光能量分布的不同将直接导致作用后氧化铝空间温度分布的不同。即激光光斑能量分布梯度直接决定温度场的空间分布梯度，实际到靶激光的能量梯度越大，其产生的温度场与其能量空间分布差异也更为明显。

图8　采用的实际到靶激光2的能量空间分布情况

图9　毫秒脉冲实际到靶激光2辐照氧化铝材料的温度空间分布

3　结论

本文对比分析了氧化铝分别在实际到靶激光和理想高斯激光作用下的温度分布差异。研究表明，在激光作用条件下，氧化铝的温度随能量的增加而增加，且具有较明显的温度表面沉积现象。并且，在激光与氧化铝相互作用中，由于激光能量的空间分布存在梯度差异，使得辐照区域内部存在温差，这必将引起能量由高温区域向低温区域传输，从而使相邻区域间的温度相互影响。由于实际到靶激光与理想高斯激光能量梯度差距较大，使得在与氧化铝相互作用时产生的温度分布也表现出明显差异，因此，在实际应用中，不能单纯的把入射激光都理想化为标准光斑。在分析实际到靶激光时，温度场的空间分布虽整体上与杂散光斑一致，但局部略有不同，这种局部差异是由激光光斑能量分布梯度决定的，实际到靶激光的能量梯度越大，其产生的温度场与其能量空间分布差异也更为明显。研究结果在提高长距离传输的激光加工质量的应用方面具有指导意义。

［1］ 孙承纬.激光辐照效应［M］.北京：国防工业出版社，2002：28-76.

［2］ Coles W A，Filice L P，Frehlich R G，et al.Simulationofwavepropagationinthree-dimensional random media［J］.Applied Optics.Papers，1995，34 （12）：2089-2101.

［3］ 付耀龙，孙振皓，徐立君，等.长脉冲激光辐照硅材料热应力的数值模拟［J］.长春理工大学学报：自然科学版，2013，36（3）：107-109.

［4］ 韩玉涛，毕娟，陈桂波.多脉冲激光辐照增透膜产生热应力的数值模拟［J］.长春理工大学学报：自然科学版，2015，38（4）：52-56.

［5］ 刘志超，卫耀伟，陈松林，等.ALD氧化铝单层膜1064nm激光损伤特性研究［J］.应用光学，2011，02（2）：373-376.

［6］ 李晓溪，贾天卿，冯东海，等.超短脉冲激光照射下氧化铝的烧蚀机理［J］.物理学报，2004，53（7）：2154-2158.

［7］ 郭培涛.长脉冲激光辐照下多孔薄膜激光损伤机制研究［D］.武汉：武汉理工大学，2011.

Study on Temperature Distribution Characteristics of Alumina Irradiating by Irregular Laser

WANG Di，JIN Guangyong，WEI Zhi
（School of Science，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）

In the process of laser propagation，the wavefront distortion and wave breaking of target laser may be caused by the impact of transmission environment，resulting in that the actual target spot appears the change of spatial and temporal distribution.It is built a numerical simulation model of millisecond pulse laser interaction with material by COMSOL Multiphysics software and a contrastive analysis is made on the temperature distribution differences of alumina under the effect of actual target laser and ideal Gaussian laser respectively.The temperature difference exists inside laser irradiation area due to the gradient difference appearing in the spatial distribution of laser energy during the interaction between laser and alumina.When the energy of actual target laser is greater，the difference between temperature field and the spatial distribution is more obvious.Therefore，not all incident lasers can be idealized as the standard beam spot.The results have guiding significance in improving the application of laser processing quality in terms of long-distance transmission.

irregular laser；Alumina；temperature distribution；laser irradiation

TN249

A

1672-9870（2015）06-0076-04

2015-10-27

王頔（1982-），男，博士研究生，讲师，E-mail:wangdi@cust.edu.cn

金光勇（1971-），男，博士，研究员，E-mail:jgyciom@163.com