飞秒激光无相变烧蚀镍钛形状记忆合金的分子动力学分子动力学模拟.docx
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飞秒激光无相变烧蚀镍钛形状记忆合金的分子动力学分子动力学模拟
分类号密级
UDC编号
硕士学位论文
飞秒激光与二元合金相互作用机理及
无相变烧蚀机制研究
研究生姓名:
指导教师姓名、职称：
物理电子学
学科、专业名称:
研究方向:
激光与光电子技术及应用
学位论文原创性声明
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尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南华大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。
与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。
本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
作者签名：
年月日
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本学位论文是本人在南华大学攻读（博/硕）士学位期间在导师指导下完成的
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同意授权中国科学信息技术研究所将本学位论文收录到《中国学位论文全文数据库》，并通过网络向社会公众提供
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作者签名：
年月日
导师签名：
年月日
摘要
清晰、明确超快激光与功能材料相互作用物理过程，是开展功能材料微纳无相变加工的理论基础。
论文采用结合双温模型的分子动力学方法数值模拟了超快激光与NiTi形状记忆合金相互作用，深入分析了靶材非热平衡状态下的蚀除诱因及机理，研究了靶材基底无相变烧蚀机制，给出了飞秒激光无相变烧蚀NiTi形状记忆合金的参数区间。
最后，论文初步探讨了非晶合金材料原子势函数的构筑，为开展数值模拟超快激光无相变烧蚀非晶合金工作奠定了一定的基础，本文主要内容及结论如下：
（1）结合超快激光与金属相互作用的物理过程，对比总结了各种描述超快激光与金属相互作用的理论模型，深入分析了双温模型、分子动力学理论。
探讨了结合双温模型分子动力学模拟过程中施加各种边界条件的理论依据，并进一步优化了底部压力传输边界条件。
（2）深入的分析了飞秒激光烧蚀下NiTi形状记忆合金靶材的能量弛豫及微观相变过程，发现较低能量密度下，烧蚀压力波传播时引起热能弛豫，并诱导靶材发生相变，产生“三明治结构”。
结果表明：
即使在烧蚀阈值以下，镍钛形状记忆合金材料也容易在烧蚀压力波的作用下发生相变。
（3）详尽的探讨了飞秒激光烧蚀下NiTi形状记忆合金靶材的祛除过程，确定了NiTi形状记忆合金的烧蚀阈值及靶材蚀除机制。
结果表明：
脉宽为100fs时，NiTi形状记忆合金靶材的烧蚀阈值功率密度为40.5mJ/cm2。
烧蚀阈值附近，靶材蚀除的机制是热机械蚀除和机械破碎同时作用，但在特定参数条件下其中的一种蚀除机制效应更明显。
更高功率密度下，靶材发生相爆炸。
（4）在参考超快激光烧蚀非晶合金材料实验的基础上，初步开展
了超快激光与非晶合金材料相互作用的理论工作，探讨了非晶合金材料原子势函数的构筑。
关键词：
飞秒激光，无相变加工，非晶合金，结合双温模型的分子动力学
TheMechanicsandNumericalSimulationof
FemtosecondLaserAblationofNiTiShapeMemoryAlloy
Abstract
Thedeepunderstandingofthebasicphysicsmechanisminvolvedinthefemtosecondlaserablationofmetalsisofgreatimportanceintermsofimprovingtheefficiencyandqualityoflasermicro-machining，andoptimizingtheprocessingtechnology.Inthispaper,ahybridsimulationcombinedtwo-temperaturemodelandmoleculardynamicssimulationisappliedtoinvestigatefemtosecondlaserinteractionwithNiTishapememoryalloy（SMA）.Thephysicalprocessincludingtemperatureevolution,pressuredistributionandatomicconfigurationisdescribedindetail.Themaincontentsinthisdissertationareclassifiedasfollows.
（1）Thegeneralphysicalprocessisanalyzedandsummarizedinthedomainoffemtosecondlaserinteractionwithmetals,whichincludesthecouplingprocessofopticenergyandmetals.Thecharacteristictimeisresolvedinthespecialphysicalphenomenon.Thebasiccalculationmethodshavebeenperformedindetailandtheextractionprocessofinterestedamounts.
（2）Weuseaconceptuallysimpleandeasy-to-implementmethodnamedpressure-transmittingboundaryconditionsinNiTishapememoryalloyforthefirsttime.Theboundaryconditionsallowsthatminimizepressurewavereflectionattheboundaryofamolecular-dynamicssimulationvolume.TheresultsshowthatthemethodiseasilyadaptedtotheNiTishapememoryalloy.
（3）ThemodelingoffemtosecondlaserablationofNiTishapememoryalloyisresolvedbycombinedtwo-temperaturemodelandmoleculardynamicssimulation.Theresultsshowthatthepeaktemperatureofelectronincenterirradiationzoneappearslowerwiththeincreaseofpulsedurationsatthesamelaserfluence,butthepeaktemperatureoflatticeincenterirradiationzoneandtheheataffectzoneappearsgreater.Atlowlaserfluence,ablatedmaterialsisformofabigliquidcluster,however,athighlaserfluence,theablatedcomponentconsistsofsmallcluster,liquiddropletsandsingleparticles.Thereisnofocusedregionwhichisformedbynegativepressureinthesubstrate.
Keywords：
Femtosecondlaserablation;NiTishapememoryalloy;Pressure-transmittingboundaryconditions;Two-temperaturemodel;Moleculardynamicssimulation
摘要错误！
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AbstractII
第一章绪论I
1.1课题研究背景及意义2
1.2国内外研究现状5...
1.3主要研究内容4...
第二章超快激光烧蚀金属的理论模型及数值模拟方法5
2.1超快激光烧蚀金属的物理机制与理论模型7.
2.2结合双温模型的分子动力学数值模拟8.
2.2.1超快激光烧蚀金属时双温模型处理及数值求解9
2.2.2分子动力学方法及原子受力计算算法优化9
2.2.3边界条件处理及系统初始化9
2.2.4感兴趣量提取9
2.3本章小结8
第三章飞秒激光烧蚀NiTi形状记忆合金的分子动力学模拟11
3.1低能量密度下靶材的微观相变行为1.2
3.2烧蚀阈值附近靶材烧蚀区域的相变及去除1.3
3.3高能量密度下靶材的蚀除机理14
3.4本章小结1..5.
第四章总结与展望26
参考文献27
第一章绪论
1.1论文研究背景及意义
我们通常把纳秒（ns,10-9s）以上的激光脉冲称之为长脉冲激光，10皮秒（ps,10-12s）以内的激光脉冲称之为短脉冲激光，即超短脉冲激光，或超快激光。
19
世纪80年代，多级啁啾脉冲放大（CPA及脉冲自动锁模技术的出现以后，激光脉冲技术得到了长足的发展。
到目前为止，人类可制备激光脉冲，脉宽可达阿秒（attosecond）量级，即10-18s，功率密度可达1021W/cmV4，7］。
国立台湾大学Peng-ChengLi等人，更是观测到了从氦原子双色红外光场辐射的脉宽为18as的超短脉冲激光。
超快激光的超窄脉宽、超高功率密度等特性使其与物质相互作用时发生了全新的物理现象，从而带来了一系列诱人的开发应用前景。
超快激光具有超高的峰值功率密度，诱发了极强的光场，经过多级啁啾脉冲放大（CPA的激光峰值功率密度可达1021W/cmi,甚至更高，远高于氢原子核外库伦势场。
在这种极强的光场下，电子可获得高达10Mev的振动能，甚至发生原子核外电子逃逸或者原子内核电子隧穿。
这种超高功率密度的激光与物质相互作用时，可产生超高次谐波、中子射线以及高度相干的X射线，并形成109的高斯
磁场、1021g甚至的加速度，创造了自然界不可能存在的极端物理环境。
超快激光有着极窄的脉冲宽度，飞秒激光的脉冲宽度在10-15s以内，远高于现代电子采
样示波器10-12s的精度。
飞秒激光的峰值功率密度极高，而平均功率密度却非常低，从而拥有相当宽的频谱范围，飞秒脉冲激光的超高分辨率结合超宽频谱范围的特性，使得采用飞秒激光观测分子等微观粒子的热运动过程称为可能。
极紫外的超快激光作用于大分子材料或者共价键化合物时，多光子吸收效应可以直接切断材料的分子或原子键，从而发生光化学的反应。
总而言之，超快激光因其优异的自身特性，其在生物、医学、化学、机械加工、声光成像等领域有着重要的应用，并开创了强场物理、瞬态光谱学、纳米光子学等新的学科领域。
飞秒激光的超高功率密度、超窄脉冲宽度等特性，改变了传统激光与物质相互作用的方式，使其与物质相互作用时发生瞬时、非热的过程，从而在超精细、无改性加工方面有着重要的应用。
相对于传统长脉冲加工而言，飞秒激光加工具具备了加工材料范围广、热损伤小、可突破衍射极限以及可实现空间3D加工的
优点。
（a）飞秒激光与物质相互作用时，飞秒脉冲激光作用的时间远小于靶材的热
扩散时间，使得超小的空间范围在超短的时间内沉积了巨量的能量，靶材被迅速加热、汽化以及喷发，有效的避免了热传导引起的热熔融损伤以及应力损伤。
相对长脉冲而言，飞秒激光加工避免了热效应带来的弊端和损伤，加工边缘更为平整和精确。
图1.1皮秒、飞秒在铜材料表面加工微米孔对比
（b）飞秒激光与物质相互作用时，激光能量首先沉积到靶材电子体系，发生多光子效应，突破了透明电解质材料禁带能隙或者电离阈值限制，甚至直接分解
陶瓷材料的共价键，从而可以加工金属、聚合物、陶瓷、透明介质以及生物组织
等各种材料。
图1.2采用飞秒激光在聚合物材料内部雕刻纳米牛
（c）飞秒脉冲激光束传播时，由于衍射定律的限制，聚焦光斑尺寸不可能小于激光波长。
但飞秒激光不同于长脉冲激光，有着精准的烧蚀阈值，对能量在空间呈高斯分布的飞秒脉冲进行适当的控制，使得部分聚焦光斑区域能量密度高于烧蚀阈值，从而实现加工尺寸小于激光波长，突破衍射极限。
图1.3控制激光能量分布，实现加工突破衍射示意图
近年来，随着实际应用的需求以及激光加工技术的发展，人类实现多种材料
的维纳加工，并制备了一系列的维纳结构与器件。
维纳结构与器件因其微小的尺寸，以及微米、甚至纳米尺寸带来的吸附特性等物理性能的增加或改变，使其在
微机电系统（MEMS）生物医学器件以及光子器件等领域有着重要的应用。
尤其是
最近发现，飞秒激光入射硅表面周期性维纳结构时，会产生表面等离基元（spps）局域增强效应，从而提高了周期微纳结构的光透射率，并发生光谱蓝移或者红移等现象。
周期性维纳结构表现出了优越的光学性能及应用前景，在国内外掀起了
研究的热潮，国内华中科技大学正在开展硅表面制备周期性维纳结构，从而提高
太阳板光吸收率的研究。
图1.4飞秒激光在硅靶材表面诱导的周期性结构
更多的研究工作则在功能材料微纳结构与器件的制备展开，功能材料是指具
有某种特殊功能的材料，往往具有比一般材料更为优异和特殊的物理性能。
其中
NiTi合金不但耐腐蚀、耐磨损、超弹以及与生物体兼容的特性，还具备了形状记忆的功能，是制备人体骨骼、血管壁支架、纳米手术机器人最为理想的材料，在生物医学领域有着不可替代的作用。
然而，飞秒激光烧蚀时的物理过程极其复杂，飞秒激光与物质相互作用的机制还未完善，尤其是功能材料有其自身的特殊性，传统的的加工方法产生的烧蚀应力波及热效应极易引起加工区域的相变，从而改变功能材料的原有特性，影响加工零件的性能。
因此，开展飞秒激光烧蚀功能材料的理论研究工作，对完善超快激光与物质的理论机制以及拓展功能材料的应用，有着重要的意义。
1.2国内外研究现状
激光技术的发展是超快激光加工的前提，而超快激光与物质相互作用的理论研究工作是超快加工的理论基础。
多年来，国内外学者基于物理事实，本着客观求实的态度，运用科学、严谨的逻辑推理思维，于超快激光物质与物质相互作用等领域开展了大量的工作，其主要研究历程及领域发展情况基本如下；
（1）激光技术的进展及现状
19世纪80年代前后，自动锁模及多级啁啾脉冲放大（CPA技术出现，标志着激光脉冲放大及压缩技术基本成熟。
1978年，DielsJC等人使用被动锁模染料激光器，首次获取了脉宽为200fs的超短激光脉冲，进入飞秒的时代。
1988年，MaineP利用啁啾脉冲放大技术在掺铷激光器玻璃中将单脉冲皮秒激光的功率放大至2PVy标志着超快激光功率飚进拍瓦（PW的量级。
2014年，台湾学者Peng-ChengLi更是观测到了从氦原子双色红外光场辐射的脉宽为18as的超短激光，并证明其实验可行。
（2）超快激光与金属相互作用的理论研究进展进现状
1975年，苏联学者S.I.Anisimov从能量弛豫的角度提出了双温模型理论，将金属靶材作为电子、晶格两个热体系处理，分别建立了电子、晶格的非稳态热传导方程，有效的描述了超快激光烧蚀时，金属靶材电子、晶格非热平衡的能量弛豫及温度演化过程。
双温模型较为成功的解释了超快激光与金属相互作用，得到了后继学者们的认同、改进与发展。
1996年，B.N.Chichkov研究了不同脉宽下，双温方程的描述效果，结果发现对于纳秒（ns）以上的长脉冲激光，双温方程与传统的热传导方程等效，而对于飞秒量级的超短脉冲激光，对电子热传导方程中的晶格热传导项进行约化不影响描述的准确性。
2005年，LanJiang等人认为，超快激光烧蚀时，金属靶材的电子温度会超过费米温度，电子温度的巨变导致电子各项热物性参数的发生改变，因此需对双温模型的热物性参数进行修正。
2003年，T.E.Glover采用流体力学模型研究了飞秒激光烧蚀时，不同能量密度下，硅靶材蚀除产物颗粒的尺寸变化。
1993年，H.Hakkinen等人采用结
合双温方程的分子动力学方法，研究了超快激光辐照下，Cu金属靶材的过热、
退火行为。
2003年，IvanovDS，采用结合双温模型的原子连续模型模拟超快激光辐照Ni金属靶材时，观察到了非均匀融化机制，并发现基于该机制的融化速度超过声速。
2000年，ZhigileiLV采用双温模型结合分子动力学的方法，研究了超快
激光辐照有机固体靶材时，发现烧蚀产生的压应力及热效应是固体靶材发生蚀除的主要原因。
2002年，J.K.Chen结合电子热爆炸与双温模型理论，研究了三维高压单轴应变条件下，电子热爆炸力对金属靶材蚀除的作用，发现超短脉冲烧蚀下，电子热爆炸力诱导的非熔融蚀除机制主导了靶材的去除。
至此，学者们基本
承认烧蚀压应力、热效应以及电子热爆炸力是靶材发生蚀除的主要原因，并在此
基础上，提出了一系列的靶材蚀除机制。
2005年，N.M.Bulgakova等人，提出
在非常高的功率密度条件下，超快激光辐照的金属靶材会出现库伦爆炸。
2001
年，M.W.Whitemore在研究超快激光烧蚀有机固体时提出相爆炸理论，并被后来的学者引用到超快激光与金属相互作用。
2003年，ZhigileiLV在研究超快
激光烧蚀金属Ni时，提出了机械破碎以及热机械蚀除理论，另有一些学者，还提出了基于均匀形核和非均匀形核的金属靶材分解理论。
2005年，XuanyongLiu等人，在总结钛合金在生物医学领域应用时，着重介绍了有钛合金制备的表面维纳结构及器件的优越性能。
2009年，Antonio
Miotello在总结超快激光与物质相互作用的基础上，深入探讨了超快激光与材料表面维纳结构相互作用。
2012年，RenzongHu等人研究了采用维纳超精细加工NiTi形状记忆合金材料，以制备超级电容锂离子电池阳极压力缓冲器。
1.3主要研究内容
本文采用双温模型理论描述了超快激光烧蚀下，NiTi形状记忆合金靶材的能量弛豫及温度演化过程，并结合分子动力学的方法，观察了靶材的微观相变行为。
主要研究内容如下：
（1）观察烧蚀压力波的传播过程，结合靶材温度的时空分布，详细的分析飞
秒激光烧蚀下，NiTi形状记忆合金靶材的能量弛豫及热能匀化机制
（2）观察靶材相变的微观过程，结合烧蚀热效应及烧蚀压力波的传播过程，分析靶材发生相变的主要诱因，为控制飞秒激光加工NiTi形状记忆合金的相变区域提供理论指导。
（3）结合靶材温度、压力时空分布以及原子位型图，分析靶材蚀除机制。
总结各激光参数条件下，靶材基底相变区域的变化趋势，提出飞秒激光无相变烧蚀理论，并给出飞秒激光无相变烧蚀NiTi形状记忆合金的参数区间。
（4）结合超快激光无晶化烧蚀非晶合金的目的与超快激光烧蚀金属材料的理论研究基础，选定CuZr非晶合金的研究对象及结合双温模型的分子动力学研究方法。
参照原子势函数构筑理论及构筑方法，进行CuZr非晶合金的微观结构探讨、物性参数拟合、势函数构筑，初步展开分子动力学模拟的前期工作。
第二章超快激光烧蚀金属的理论模型及数值模拟方法
飞秒激光的超高峰值功率，使得飞秒激光能与绝大部分物质发生作用，因此，现实环境中，气压、湿度、材料种类等各种因素，都对飞秒激光的加工有着重要的影响。
而飞秒激光的超短脉宽特性，使得其与物质相互作用的时间极其短暂，加之采用飞秒激光加工的加工区域极其微小，从而造成了飞秒激光加工过程极其复杂且不易被观察。
目前，飞秒激光烧蚀的主要研究手段有实验模拟与数值模拟，其中，实验模拟是将现实加工条件理想化，采用实验的手段对飞秒激光烧蚀进行研究。
实验模拟的方法，客观实际的还原了飞秒激光烧蚀的加工形貌，但是成本昂贵，且无法观测靶材喷发、相变，瞬时、微观的物理过程，无法进行精准的测量，从而无法进行定量的理论分析。
数值模拟的方法，则是基于飞秒激光与物质相互作用的理论物理模型，采用数学的方法，对飞秒激光烧蚀的能量弛豫、温度演化、压力传播、靶材喷发等行为，进行精确的计算，从介观甚至原子层面清晰的呈现了飞秒激光烧蚀的物理图像，从而开辟了从微观、甚至原子层面深层次分析飞秒激光烧蚀的物理现象与及机理的途径。
随着计算机技术上的发展与提高，人类的科学计算能力得到了显著的提高，采用数值模拟的方法进行理论研究变得更为方便与可靠，得到了更为广泛的应用。
2.1超快激光与金属相互作用的理论机制与物理模型
在飞秒激光诱导的极强光场下，固体材料一般发生超快非线性的能量吸收机制，该过程一般可总结为多光子跃迁、超势垒电离以及电子隧穿。
飞秒激光辐照金属材料时，功率密度不同，靶材经历的物理过程不同。
一般功率密度下，靶材内部会形成电子、晶格的非热平衡，而在非常高的功率密度下，超强的光场致使金属键断裂，超热的电子在靶材内部进行超高速热运动形成了巨大电子热爆炸力，甚至发生逃逸，从而导致靶材的电离，并在靶材表面形成稠密的等离子体。
飞秒激光烧蚀金属的物理现象极其复杂，国内外学者为了合理的解释飞秒激光烧蚀金属的物理现象，完善飞秒激光烧蚀金属的理论机制，从而为飞秒激光超精细、微纳加工金属材料提供理论依据，提出了一系列的研究方法以及物理模型，主要如下：
（1）超快载流子动力学（Ultrafastcarrierdynamics）理论[36-41]：
超快载流
子动力学模型通过求解Fokker-Planck方程，获取了电子的分布函数[36]，较为准确的描述了超快激光与电介质材料和半导体材料相互作用的物理过程。
最初较为成功的解释飞秒激光在电介质材料与半导体材料表面诱导的库仑爆炸现象（Coulombexplosion），后面随着飞秒激光烧蚀金属材料过程中，类似库仑爆炸的材料急剧喷发现象的发现，有一部分学者认为，超快载流子动力学理论也适用于描述超快激光与金属材料的相互作用，并采用该模
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