超短脉冲激光烧蚀二维多尺度模拟中从表面粗糙度到坑坑形成的演变
高能物理 - 实验
2025-04-25 v1 材料科学
摘要
表面粗糙度在超短脉冲激光烧蚀中起着关键作用，特别是对于使用脉冲串模式操作、多脉冲激光加工以及激光诱导周期性表面结构生成的工业应用。因此，我们探讨了表面粗糙度对模拟模型预测的激光烧蚀形貌的影响，并与实验结果进行了比较。我们提出了一个全面的多尺度模拟框架，该框架首先采用时域有限差分模拟计算由原子力显微镜测量的粗糙表面的表面通量分布，随后采用双温模型耦合流体力学/固体力学模拟进行初始材料加热。最后，开发并应用了用于材料弛豫和流体流动的计算流体力学模型。铝和 AISI 304 不锈钢模拟的最终状态结果证明与现有烧蚀模型和坑坑尺寸预测相一致。值得注意的是，由于 15 nm 的初始表面粗糙度（比激光波长低 70 倍），Al 表现出显著的散射效应，导致局部选择性烧蚀过程，并与理想化条件相比显著改变了坑坑形貌。相反，RMS 粗糙度为 2 nm 的 AISI 304 没有显示出差异。因此，我们强调在大型烧蚀模拟中纳入真实的、特定于材料的表面粗糙度值的必要性。此外，诱导的局部通量变化表明，在此背景下忽略横向热传递效应是不充分的。
引用
@article{arxiv.2504.17606,
title = {From surface roughness to crater formation in a 2D multi-scale simulation of ultrashort pulse laser ablation},
author = {Nicolas Thomae and Maximilian Stabroth and Julian Vollmann and Markus Döring and David Redka and Heinz Paul Huber and Michael Schmidt},
journal= {arXiv preprint arXiv:2504.17606},
year = {2025}
}