到靶激光輻照氧化鋁的溫度分布特性研究

王頔，金光勇，魏智

（長春理工大學　理學院，長春　130022）

到靶激光輻照氧化鋁的溫度分布特性研究

王頔，金光勇，魏智

（長春理工大學理學院，長春130022）

在激光的傳播過程中，由于受到傳輸環(huán)境影響，可能導致到靶激光的波前畸變和波前破碎等現(xiàn)象，致使實際的到靶光斑產(chǎn)生時空分布的變化。利用COMSOL Multiphysics仿真軟件建立了毫秒脈沖激光與氧化鋁相互作用的數(shù)值仿真模型，對比分析了氧化鋁分別在實際到靶激光和理想高斯激光作用下的溫度分布差異。研究表明，由于實際到靶激光與理想高斯激光能量梯度差距較大，使得在與氧化鋁相互作用時產(chǎn)生的溫度分布也表現(xiàn)出明顯差異，在分析實際到靶激光時，實際到靶激光的能量梯度越大，其產(chǎn)生的溫度場與其能量空間分布差異也更明顯。因此，在實際應用中，不能單純的把入射激光都理想化為標準光斑。研究結果在提高長距離傳輸?shù)募す饧庸べ|量的應用方面具有指導意義。

實際到靶激光；氧化鋁；溫度分布；激光輻照

當靶材受到激光輻照的時候，由于吸收激光的能量，從而在材料體內(nèi)產(chǎn)生不均勻分布的瞬態(tài)溫度場［1］。在激光功率密度不高的情況下，材料表面僅發(fā)生簡單的加熱現(xiàn)象；在中等功率密度情況下，材料將發(fā)生熔融或汽化現(xiàn)象［2-4］。由于氧化鋁具有較好的機械、光學和電學特性，被廣泛應用于生產(chǎn)生活中［5-6］，其與激光相互作用的相關現(xiàn)象也受到人們廣泛的關注。而激光作用于材料的加熱效應與激光參數(shù)和材料特性以及其表面狀況有著密切的關系，物理過程很復雜。已有研究多為針對理想激光空間分布（平頂、高斯等），沒有考慮激光在傳播過程中，由于受到傳輸環(huán)境影響，可能導致到靶激光的波前畸變和波前破碎等現(xiàn)象，致使實際的到靶光斑產(chǎn)生時空分布的變化，從而對激光與物質的相互作用效果產(chǎn)生影響［7］。本文利用COMSOL Multiphysics仿真軟件建立了三維數(shù)值仿真模型，模擬了毫秒脈沖激光輻照氧化鋁材料的溫升分布，對比分析了分別在實際到靶激光和理想高斯激光作用下氧化鋁的溫升分布差異。

1　模型的建立和參數(shù)的選擇

激光垂直照射氧化鋁表面的三維模型如圖1所示。其中z為激光入射方向。氧化鋁材料半徑b為20mm，厚度h為2mm，作用激光光斑半徑r0為10mm。

圖1　激光輻照氧化鋁表面示意圖

計算中假設：靶材為各向同性；激光輻照過程中未出現(xiàn)熔化、氣化現(xiàn)象；激光垂直照射靶材，并且激光的光斑中心與靶材的中心重合；忽略了液相對流以及由熱對流和熱輻射造成的邊界損失。

三維熱傳導方程在坐標系條件下可表示為：

求解非穩(wěn)態(tài)方程（1），需要給出初始條件和邊界條件。

初始條件：

邊界條件：

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數(shù)，這里我們選擇高斯分布：

g（t）是激光脈沖的時間分布函數(shù)。對于1ms單脈沖的激光，該函數(shù)的表達式為：

氧化鋁材料與波長1064nm的激光相互作用的反射率以及熱物理參數(shù)由表1給出。

表1　氧化鋁熱物性參數(shù)

2　計算結果和討論

圖2和圖3為平均能量密度為2.224J/cm2，峰值能量密度為16.11J/cm2時，采用的實際到靶激光1和理想高斯激光的能量空間分布情況。由圖可知，實際到靶激光能量分布不是理想的高斯型，分布不是很均勻。

圖2　采用的實際到靶激光1的能量空間分布情況

圖3　理想高斯激光的能量空間分布情況

圖4和圖5為平均能量密度為2.224J/cm2，峰值能量密度為16.11J/cm2時，采用COMSOL Multiphysics模擬毫秒脈沖激光輻照氧化鋁材料的溫度空間分布。由圖可知，在激光作用條件下，氧化鋁的溫度分布具有較明顯的溫度表面沉積現(xiàn)象。在實際到靶激光1輻照下，氧化鋁的溫度場的空間分布雖整體上與雜散光斑一致，但局部略有不同；在理想高斯激光輻照下，溫度場呈現(xiàn)類高斯分布。由于實際到靶激光與理想高斯激光能量梯度差距較大，使得在與氧化鋁相互作用時產(chǎn)生的溫度分布也表現(xiàn)出明顯差異，因此，在實際應用中，不能單純的把入射激光都理想化為標準光斑。

圖4　毫秒脈沖實際到靶激光1輻照氧化鋁材料的溫度空間分布

圖5　毫秒脈沖理想高斯激光輻照氧化鋁材料的溫度空間分布

圖6和圖7為平均能量密度為1.112J/cm2，峰值能量密度為8.055J/cm2時，采用COMSOL Multiphysics模擬，毫秒脈沖激光輻照氧化鋁材料的溫度空間分布。由圖6、7與圖4、5對比可知：在激光作用條件下，氧化鋁的溫度隨能量的增加而增加。

圖6　毫秒脈沖實際到靶激光1輻照氧化鋁材料的溫度空間分布

圖7　毫秒脈沖理想高斯激光輻照氧化鋁材料的溫度空間分布

圖8、圖9分別為平均能量密度為2.224J/cm2，峰值能量密度為18.55J/cm2時，采用的實際到靶激光2能量空間分布和采用COMSOL Multiphysics模擬，毫秒脈沖激光輻照氧化鋁材料的溫度空間分布情況。由圖8、9與圖2、4對比可知：在激光作用條件下，激光能量分布的不同將直接導致作用后氧化鋁空間溫度分布的不同。即激光光斑能量分布梯度直接決定溫度場的空間分布梯度，實際到靶激光的能量梯度越大，其產(chǎn)生的溫度場與其能量空間分布差異也更為明顯。

圖8　采用的實際到靶激光2的能量空間分布情況

圖9　毫秒脈沖實際到靶激光2輻照氧化鋁材料的溫度空間分布

3　結論

本文對比分析了氧化鋁分別在實際到靶激光和理想高斯激光作用下的溫度分布差異。研究表明，在激光作用條件下，氧化鋁的溫度隨能量的增加而增加，且具有較明顯的溫度表面沉積現(xiàn)象。并且，在激光與氧化鋁相互作用中，由于激光能量的空間分布存在梯度差異，使得輻照區(qū)域內(nèi)部存在溫差，這必將引起能量由高溫區(qū)域向低溫區(qū)域傳輸，從而使相鄰區(qū)域間的溫度相互影響。由于實際到靶激光與理想高斯激光能量梯度差距較大，使得在與氧化鋁相互作用時產(chǎn)生的溫度分布也表現(xiàn)出明顯差異，因此，在實際應用中，不能單純的把入射激光都理想化為標準光斑。在分析實際到靶激光時，溫度場的空間分布雖整體上與雜散光斑一致，但局部略有不同，這種局部差異是由激光光斑能量分布梯度決定的，實際到靶激光的能量梯度越大，其產(chǎn)生的溫度場與其能量空間分布差異也更為明顯。研究結果在提高長距離傳輸?shù)募す饧庸べ|量的應用方面具有指導意義。

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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，講師，E-mail:wangdi@cust.edu.cn

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