激光加工金屬表面微槽的分子動力學研究

楊超++李艷

摘 要：對皮秒脈沖激光燒蝕金屬銅的過程進行了分子動力學模擬，得到了燒蝕過程中原子運動的時序運動及位置信息，從而掌握了燒蝕過程材料表面的形態(tài)變化；通過統(tǒng)計物理學編寫程序進行數(shù)據(jù)后處理，對整個過程的物理量進行了熱力學統(tǒng)計，進而分析激光燒蝕金屬的動態(tài)特性及缺陷控制。

關鍵詞：脈沖激光；分子動力學模擬；表面加工；微納尺度

中圖分類號：TH20 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）06-0210-02

Abstract：The process of picosecond pulsed laser ablation of metal copper were investigated by molecular dynamics simulation， get the motion and position information of atoms and the morphological changes of surface during the ablation process. The physical quantity of the whole process are compute by statistical physics program. Finally， the dynamic characteristics and defect control for laser ablation of metals are discussed.

Key words：pulse laser； molecular dynamics simulation； surface process

前言

隨著新型激光器的飛速發(fā)展，激光加工開辟出了眾多新的領域。由于具有極高的實驗價值及技術意義，高能短脈沖激光對金屬材料的燒蝕以引起了學者們極大的興趣[1]。還有學者對激光輔助在材料內(nèi)部制作三維結(jié)構(gòu)進行了深入研究。對于特定的工程應用，激光對材料造成的粒子高度聚集和結(jié)構(gòu)損傷對產(chǎn)品應用有極大危害；另一方面，激光加工對材料結(jié)構(gòu)的破壞又會產(chǎn)生獨特的熱力學性能[2]。因此，迫切需要對激光燒蝕過程中材料形態(tài)及相態(tài)變化進行深入研究，從而有效控制激光加工過程，優(yōu)化加工工藝[3]。

1 物理模型

本次分子動力學模擬采用最常用的電子電氣金屬材料單晶銅作為靶材，為了更好地觀察激光加工過程中材料內(nèi)部的形態(tài)以及各項參數(shù)變化，靶材模型設定為施加了周期性邊界條件的薄板，可得到類似剖面圖的觀察效果。本次模擬建立的物理模型如圖1所示：采用的單晶銅材料尺寸為361.5×361.5×36.15（單位為，1=0.1nm），激光經(jīng)透鏡聚焦后從Z軸正方向射入薄板中。

在模擬建立的模型中，402000個金屬銅原子以FCC（面立方）晶格的形式整齊排列于薄板模擬盒子內(nèi)。原子初始速度由設定的初始溫度85K按麥克斯韋-波爾茲曼分布隨機選取。模擬采用開源軟件LAMMPS進行計算。由于模擬系統(tǒng)中粒子體量極為龐大，因此在X、Y方向施加周期性邊界條件，可在節(jié)約計算資源的同時避免邊界效應的影響以保證計算的可信度；同時，在Z方向施加自由邊界條件以觀察燒蝕過程中材料的形變及相變。

2 材料形態(tài)變化

本次分子動力學模擬采用脈寬為1ps，波長5320nm，能量密度為78.5J/m2的脈沖激光對單晶銅材料進行燒蝕處理。本次分子動力學模擬研究中，計算輸出的原子運動軌跡文件中包含了銅原子在各個時刻點的速度及位置信息。通過對這些粒子的位置變化我們可以得出靶材在激光作用下其表面形貌的演變過程；通過對各個粒子的速度信息進行計算又可以得到該粒子的動能數(shù)據(jù)，從而對燒蝕過程激光能量與銅原子的相互作用產(chǎn)生解析作用。

由圖2我們可以看出激光加載4ps后，激光燒蝕點處的粒子振動動能明顯增大，但仍然保持在其平衡位置附近振動，因此靶材表面尚平整，未出現(xiàn)明顯皺褶。隨著激光脈沖能量的持續(xù)加入，到8ps時燒蝕點附近的材料中的粒子動能持續(xù)增大，超過燒蝕閾值，使得粒子脫離其鄰近粒子及電子云的束縛，此時靶材表面已有少量材料氣化。

在材料表面發(fā)生氣化的同時，靶材內(nèi)部也在發(fā)生著熱量的累積。激光照射的過程中，燒蝕點處粒子在平衡位置的劇烈震蕩也會帶動其他粒子進行振動，從而將能量傳遞到更遠處，這個過程就是吸收到的激光能量的傳遞與累積。在這樣的作用下，到了12ps時我們可以發(fā)現(xiàn)燒蝕點處大量的材料氣化已經(jīng)不可抑制，此處粒子的數(shù)密度迅速下降，這表明已有大量的氣化現(xiàn)象發(fā)生。同時，氣化產(chǎn)生的材料大量向外噴射，這也使得燒蝕點處熔池內(nèi)的材料受到了強烈的反作用力的擠壓。結(jié)合24ps時的材料形態(tài)圖我們可以看到：反作用力的強烈擠壓使得熔池內(nèi)的材料有向左右兩側(cè)分開的趨勢，進而在燒蝕點處形成一個“U型”凹槽。

3 溫度分布

在這次溫度分布云圖的繪制工作中，我們選取與形態(tài)變化圖保持一致的各個時間點進行分解繪制。從圖3中我們可以看出，在激光燒蝕過程中，激光能量與原子動能的迅速轉(zhuǎn)換使得系統(tǒng)中燒蝕點附近的溫度急劇升高。在燒蝕點處，從零時刻的初始溫度85K上升到12ps時刻的峰值溫度5589.25K，其升溫速率約為。到24ps時激光能量達到峰值，此時燒蝕點處的溫度也達到最高值5635.89K，在這個過程中我們可以清晰地認識到激光燒蝕過程中能量的累積情況。隨后激光能量逐漸衰減，此時燒蝕點處向周圍傳導的熱量已大于從激光中吸收的能量，因此，燒蝕點處的溫度逐漸下降，材料內(nèi)部溫度逐漸升高。

與晶體材料的燒蝕過程不同的是，在金屬銅的激光作用過程中，溫度的橫向傳導更加顯著，也可以說激光燒蝕對金屬銅的熱影響區(qū)更大。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因主要包括兩大方面：第一，與晶體材料相比，金屬銅的熔點及沸點均較高（分別為1357.77 K、2835K），因此當激光能量加入到材料上時，晶體材料可以迅速地熔化、蒸發(fā)帶走熱量，而金屬銅材料卻不能，其累積的熱量只會向材料內(nèi)部更深處傳導；第二，金屬材料由于其內(nèi)部自由電子云及金屬鍵的作用使得其導熱系數(shù)（401W/（m·K））更大，熔池內(nèi)累積的熱量能夠以更小的阻力傳導到材料內(nèi)部，因此激光燒蝕銅材料的熱影響區(qū)比晶體材料更大，這是在實際應用中值得注意的問題。

4 結(jié)語

當激光能量加入到靶材表面時，隨著能量的增大，其振動愈發(fā)劇烈，達到一定程度后超過其周圍原子及電子云的束縛力，隨即脫離材料表面向環(huán)境中逃逸，這就是激光燒蝕過程中的氣化現(xiàn)象。

在溫度傳導方面，金屬銅材料內(nèi)部自由電子云及金屬鍵的作用使得其導熱系數(shù)更大，使得溫度的橫向傳導更加顯著，也可以說激光燒蝕對金屬銅的熱影響區(qū)更大。

金屬銅材料由于其結(jié)構(gòu)特殊性導致更高的晶格振動頻率，導致金屬銅中應力波傳播速度極快，遠大于晶體或者高分子聚合物。

參考文獻

[1]Nedialkov N N， Imamova S E， Atanasov P A， et al. Mechanism of ultrashort laser ablation of metals： molecular dynamics simulation[J].Applied Surface Science，2005，247（1-4）：243-248.

[2]Tabti M， Eddahbi A， Ouaskit S， et al. Melting of Argon Cluster： Dependence of Caloric Curves on MD Simulation Parameters[M].City，2012.

[3]Black J A. Centrifuge Modelling With Transparent Soil and Laser Aided Imaging[M].City： Black， Jonathan A， 2015.