激光加工金属表面微槽的分子动力学研究

杨超++李艳

摘 要：對皮秒脉冲激光烧蚀金属铜的过程进行了分子动力学模拟，得到了烧蚀过程中原子运动的时序运动及位置信息，从而掌握了烧蚀过程材料表面的形态变化；通过统计物理学编写程序进行数据后处理，对整个过程的物理量进行了热力学统计，进而分析激光烧蚀金属的动态特性及缺陷控制。

关键词：脉冲激光；分子动力学模拟；表面加工；微纳尺度

中图分类号：TH20 文献标识码：A 文章编号：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

随着新型激光器的飞速发展，激光加工开辟出了众多新的领域。由于具有极高的实验价值及技术意义，高能短脉冲激光对金属材料的烧蚀以引起了学者们极大的兴趣[1]。还有学者对激光辅助在材料内部制作三维结构进行了深入研究。对于特定的工程应用，激光对材料造成的粒子高度聚集和结构损伤对产品应用有极大危害；另一方面，激光加工对材料结构的破坏又会产生独特的热力学性能[2]。因此，迫切需要对激光烧蚀过程中材料形态及相态变化进行深入研究，从而有效控制激光加工过程，优化加工工艺[3]。

1 物理模型

本次分子动力学模拟采用最常用的电子电气金属材料单晶铜作为靶材，为了更好地观察激光加工过程中材料内部的形态以及各项参数变化，靶材模型设定为施加了周期性边界条件的薄板，可得到类似剖面图的观察效果。本次模拟建立的物理模型如图1所示：采用的单晶铜材料尺寸为361.5×361.5×36.15（单位为，1=0.1nm），激光经透镜聚焦后从Z轴正方向射入薄板中。

在模拟建立的模型中，402000个金属铜原子以FCC（面立方）晶格的形式整齐排列于薄板模拟盒子内。原子初始速度由设定的初始温度85K按麦克斯韦-波尔兹曼分布随机选取。模拟采用开源软件LAMMPS进行计算。由于模拟系统中粒子体量极为庞大，因此在X、Y方向施加周期性边界条件，可在节约计算资源的同时避免边界效应的影响以保证计算的可信度；同时，在Z方向施加自由边界条件以观察烧蚀过程中材料的形变及相变。

2 材料形态变化

本次分子动力学模拟采用脉宽为1ps，波长5320nm，能量密度为78.5J/m2的脉冲激光对单晶铜材料进行烧蚀处理。本次分子动力学模拟研究中，计算输出的原子运动轨迹文件中包含了铜原子在各个时刻点的速度及位置信息。通过对这些粒子的位置变化我们可以得出靶材在激光作用下其表面形貌的演变过程；通过对各个粒子的速度信息进行计算又可以得到该粒子的动能数据，从而对烧蚀过程激光能量与铜原子的相互作用产生解析作用。

由图2我们可以看出激光加载4ps后，激光烧蚀点处的粒子振动动能明显增大，但仍然保持在其平衡位置附近振动，因此靶材表面尚平整，未出现明显皱褶。随着激光脉冲能量的持续加入，到8ps时烧蚀点附近的材料中的粒子动能持续增大，超过烧蚀阈值，使得粒子脱离其邻近粒子及电子云的束缚，此时靶材表面已有少量材料气化。

在材料表面发生气化的同时，靶材内部也在发生着热量的累积。激光照射的过程中，烧蚀点处粒子在平衡位置的剧烈震荡也会带动其他粒子进行振动，从而将能量传递到更远处，这个过程就是吸收到的激光能量的传递与累积。在这样的作用下，到了12ps时我们可以发现烧蚀点处大量的材料气化已经不可抑制，此处粒子的数密度迅速下降，这表明已有大量的气化现象发生。同时，气化产生的材料大量向外喷射，这也使得烧蚀点处熔池内的材料受到了强烈的反作用力的挤压。结合24ps时的材料形态图我们可以看到：反作用力的强烈挤压使得熔池内的材料有向左右两侧分开的趋势，进而在烧蚀点处形成一个“U型”凹槽。

3 温度分布

在这次温度分布云图的绘制工作中，我们选取与形态变化图保持一致的各个时间点进行分解绘制。从图3中我们可以看出，在激光烧蚀过程中，激光能量与原子动能的迅速转换使得系统中烧蚀点附近的温度急剧升高。在烧蚀点处，从零时刻的初始温度85K上升到12ps时刻的峰值温度5589.25K，其升温速率约为。到24ps时激光能量达到峰值，此时烧蚀点处的温度也达到最高值5635.89K，在这个过程中我们可以清晰地认识到激光烧蚀过程中能量的累积情况。随后激光能量逐渐衰减，此时烧蚀点处向周围传导的热量已大于从激光中吸收的能量，因此，烧蚀点处的温度逐渐下降，材料内部温度逐渐升高。

与晶体材料的烧蚀过程不同的是，在金属铜的激光作用过程中，温度的横向传导更加显著，也可以说激光烧蚀对金属铜的热影响区更大。产生这一现象的原因主要包括两大方面：第一，与晶体材料相比，金属铜的熔点及沸点均较高（分别为1357.77 K、2835K），因此当激光能量加入到材料上时，晶体材料可以迅速地熔化、蒸发带走热量，而金属铜材料却不能，其累积的热量只会向材料内部更深处传导；第二，金属材料由于其内部自由电子云及金属键的作用使得其导热系数（401W/（m·K））更大，熔池内累积的热量能够以更小的阻力传导到材料内部，因此激光烧蚀铜材料的热影响区比晶体材料更大，这是在实际应用中值得注意的问题。

4 结语

当激光能量加入到靶材表面时，随着能量的增大，其振动愈发剧烈，达到一定程度后超过其周围原子及电子云的束缚力，随即脱离材料表面向环境中逃逸，这就是激光烧蚀过程中的气化现象。

在温度传导方面，金属铜材料内部自由电子云及金属键的作用使得其导热系数更大，使得温度的横向传导更加显著，也可以说激光烧蚀对金属铜的热影响区更大。

金属铜材料由于其结构特殊性导致更高的晶格振动频率，导致金属铜中应力波传播速度极快，远大于晶体或者高分子聚合物。

参考文献

[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.