一种用于飞秒激光烧蚀仿真的激光源模型的建立方法技术

本发明专利技术提供了一种用于飞秒激光烧蚀仿真的激光源模型的建立方法，根据激光在空间上和时间上的分布得出焦点下移的激光源模型，所提出的激光源三维模型可以描述实际加工过程中激光焦点随材料去除而下移的情况，通过在加工平面位置处（

A Method of Establishing a Laser Source Model for Femtosecond Laser Ablation Simulation

The invention provides a method for establishing a laser source model for femtosecond laser ablation simulation. According to the distribution of laser in space and time, a laser source model with focus down is obtained. The proposed three-dimensional model of laser source can describe the situation of laser focus down with material removal in actual processing. Processing plane position (

【技术实现步骤摘要】
一种用于飞秒激光烧蚀仿真的激光源模型的建立方法
本专利技术属于激光源模型的建立方法，具体的涉及一种用于飞秒激光烧蚀仿真的激光源模型的建立方法。
技术介绍
在数值仿真中，激光源项的数学描述将直接影响材料对激光能量的吸收，目前广泛采用的激光源模型，只能用于金属薄膜等厚度极小（厚度小于光斑半径）的材料的打孔仿真，且忽略了激光能量密度在光斑平面上的高斯分布，无法准确仿真出实际打孔过程中的烧蚀情况；有些激光模型无法用于激光螺旋钻孔情况的仿真；而有些无法对带有焦点下移的激光钻孔过程进行仿真。
技术实现思路
本专利技术为了解决上述技术问题，提出了如下解决方案具体方案如下：一种用于飞秒激光烧蚀仿真的激光源模型的建立方法，其特征在于：第一步，建立激光源模型初始状态下直角坐标系，以初始加工表面为xoy平面，激光传输方向为z轴正方向，以激光焦点中心为坐标系原点；第二步，针对激光能量在空间上的高斯分布情况，建立激光在空间上分布的表达式：（1）其中：为反射率，为材料光学穿透深度，为电子弹道长度，为激光单脉冲能量，为加工平面的位置，为带有焦点下移的光束传输方程，其表达式为：（2）式中：v为焦点下移速度，t为加工时间，为光束的瑞利长度；式（1）将激光在空间上的分布根据加工平面位置分为两段，在加工平面以外，即空气中激光能量分布无需使用项进行调控，而在加工平面以内，即材料内部，激光能量在项的作用下迅速衰减，有效作用深度不超过光学穿透深度和电子弹道长度之和；第三步，针对激光能量在时间上的高斯分布情况，建立激光在时间上分布的表达式：（3）其中：为激光脉冲宽度，为激光重复频率，式（3）以为分段点，表示在时有激光输出，且激光在该时间段内呈高斯分布，而在之后至下一脉冲开始这一时间段内，无激光输出，这一设定符合实际加工，且将式（3）以脉冲周期1/f为周期进行周期化后，即可用于描述多脉冲光源，第四步，根据式（1）和式（3），即可得出带有焦点下移的三维激光源模型：（4）进一步地，在所提出的激光源模型中，加工平面位置会随着材料的去除而改变，因此实际上为孔的轮廓位置，根据公式：求出固液界面速度，其中：为固液界面速度，为最大表面速度，为熔化潜热，为材料气体常数，为相变温度，为相变界面温度，根据固液界面速度，对其在时间上进行积分即可获得固液界面位置，即：（5）将式（5）代入式（1）中，即可使用该激光源项对不同焦点下移速度下的飞秒激光钻孔过程进行数值仿真。本专利技术产生的有益效果在于：所提出的激光源三维模型可以描述实际加工过程中激光焦点随材料去除而下移的情况，通过在加工平面位置处（）将表达式分为两段，保证了在材料表面以上的激光能量密度是符合实际的，且在材料表面以下（即材料内部）能量密度是合理衰减的，所提出的激光源三维模型还可以描述实际加工过程中激光焦点在材料平面上的螺旋运动。以螺旋轨迹满足阿基米德螺线为例，阿基米德螺线方程为：（6）其中：为线速度，为角速度。将式（6）代入式（1）中，即可使用该激光源项对飞秒激光螺旋钻孔过程进行数值仿真。附图说明图1光束与材料作用示意图;图2模型计算流程图。具体实施方式本实施方式的一种用于飞秒激光烧蚀仿真的激光源模型的建立方法，其特征在于：第一步，建立激光源模型初始状态下直角坐标系，以初始加工表面为xoy平面，激光传输方向为z轴正方向，以激光焦点中心为坐标系原点；第二步，针对激光能量在空间上的高斯分布情况，建立激光在空间上分布的表达式：（1）其中：为反射率，为材料光学穿透深度，为电子弹道长度，为激光单脉冲能量，为加工平面的位置，为带有焦点下移的光束传输方程，其表达式为：（2）式中：v为焦点下移速度，t为加工时间，为光束的瑞利长度；式（1）将激光在空间上的分布根据加工平面位置分为两段，在加工平面以外，即空气中激光能量分布无需使用项进行调控，而在加工平面以内，即材料内部，激光能量在项的作用下迅速衰减，有效作用深度不超过光学穿透深度和电子弹道长度之和；第三步，针对激光能量在时间上的高斯分布情况，建立激光在时间上分布的表达式：（3）其中：为激光脉冲宽度，为激光重复频率，式（3）以为分段点，表示在时有激光输出，且激光在该时间段内呈高斯分布，而在之后至下一脉冲开始这一时间段内，无激光输出，这一设定符合实际加工，且将式（3）以脉冲周期1/f为周期进行周期化后，即可用于描述多脉冲光源，第四步，根据式（1）和式（3），即可得出带有焦点下移的三维激光源模型：（4）在所提出的激光源模型中，加工平面位置会随着材料的去除而改变，因此实际上为孔的轮廓位置，根据现有研究，在超快激光与材料的作用过程中，因蒸发而去除的材料量很少，孔的形貌主要由固液界面决定，根据公式：求出固液界面速度，其中：为固液界面速度，为最大表面速度，为熔化潜热，为材料气体常数，为相变温度，为相变界面温度，根据固液界面速度，对其在时间上进行积分即可获得固液界面位置，即：（5）将式（5）代入式（1）中，即可使用该激光源项对不同焦点下移速度下的飞秒激光钻孔过程进行数值仿真。本专利技术产生的有益效果在于：所提出的激光源三维模型可以描述实际加工过程中激光焦点随材料去除而下移的情况，通过在加工平面位置处（）将表达式分为两段，保证了在材料表面以上的激光能量密度是符合实际的，且在材料表面以下（即材料内部）能量密度是合理衰减的，所提出的激光源三维模型还可以描述实际加工过程中激光焦点在材料平面上的螺旋运动。以螺旋轨迹满足阿基米德螺线为例，阿基米德螺线方程为：（6）其中：为线速度，为角速度。将式（6）代入式（1）中，即可使用该激光源项对飞秒激光螺旋钻孔过程进行数值仿真。实际钻孔过程：KH7040A-1型五坐标超快激光小孔加工机床中放置好需打孔的试件，调节激光焦点位置，使激光聚焦在试件上表面拟打孔的孔圆心处。激光束通过四光楔旋转系统实现偏转，设定光楔的旋转速度和光楔间距即可实现激光焦点在材料表面上的螺旋运动。此外通过在机床电脑上编程设定激光头的下移速度，实现加工过程中激光焦点在光束传输方向上的运动，最后设定好激光能量，旋转速率、重复频率等加工参数，即可开始钻孔。模型计算流程：模型计算流程如图2所示，具体文字表述如下（图2与以下的表述只是表达方式的不同，实质相同），首先确定用于数值计算的模型尺寸，并建立坐标系如图1所示。根据实际加工过程中激光焦点的运动方式确定焦点下移速度和运动轨迹方程，建立激光在空间中的能量分布方程；根据实际加工过程中激光的脉宽和重复频率，建立激光在时间中的能量分布方程，将激光在空间中和时间中的能量密度方程相乘，即得到了激光源模型。用该激光源模型替换经典双温模型中的激光源项，结合材料参数、初始值、边界条件等，在有限元软件中建立仿真模型，引入相界面追踪法，并对该模型进行仿真求解，当相变开始发生后，即可在每一时间步获得相界面的位置，将相界面位置（）代入激光源模型中，即实现了激光源模型在每个时间步上的更新，更新后的激光源模型在有限元软件中用于下一个时间步的求解，使求解过程符合实际加工中材料内部的激光能量随材料去除而变化的过程。当达到所设定的求解时间后，输出的相界面位置即为仿真所得到的孔轮廓，实现了激光钻孔的仿真。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于飞秒激光烧蚀仿真的激光源模型的建立方法，其特征在于：第一步，建立激光源模型初始状态下直角坐标系，以初始加工表面为xoy平面，激光传输方向为z轴正方向，以激光焦点中心为坐标系原点；第二步，针对激光能量在空间上的高斯分布情况，建立激光在空间上分布的表达式：

【技术特征摘要】
1.一种用于飞秒激光烧蚀仿真的激光源模型的建立方法，其特征在于：第一步，建立激光源模型初始状态下直角坐标系，以初始加工表面为xoy平面，激光传输方向为z轴正方向，以激光焦点中心为坐标系原点；第二步，针对激光能量在空间上的高斯分布情况，建立激光在空间上分布的表达式：（1）其中：为反射率，为材料光学穿透深度，为电子弹道长度，为激光单脉冲能量，为加工平面的位置，为带有焦点下移的光束传输方程，其表达式为：（2）式中：v为焦点下移速度，t为加工时间，为光束的瑞利长度；第三步，针对激光能量在时间上的高斯分布情况，建立激光在时间上分布的表达式：（3）其中：为激光脉冲宽度，为激光重复频率，式（3）以为分段点，表示在时有激光输出...

【专利技术属性】
技术研发人员：董一巍，李效基，尤延铖，王尔泰，吴宗璞，曲文慧，殷春平，
申请(专利权)人：厦门大学，厦门大学深圳研究院，
类型：发明
国别省市：福建,35