激光表面加热模型的适用性.pdf

中闷IT程热物理学会 传热传质学 200q学术会议论文 编号：063128 激光表面加热模型的适用性 胡汉平，董艺 中困科学技术火学热科学和能源工程系安徽合肥230026 Tel：0551-3666711 hphu@ustc．edu．cn 摘要利用导得的一维半空问光致热弹性应力响应的精确解，对激光’』材料相互作用的加热模型 的选取进行J，研究。理论分析和计算结果表明：常用的表面加热模型只有在热穿透深度远人于光吸收 度时方为有效。因此菪将其应用于皮秒以下超短激光脉冲加热的情况，可能会导致较人误差。 关键词 短脉冲激光加热模型选择热应力 1．引言 在与激光一材料相互作用热效应有关的现象的研究中，通常选用的加热模型有两类 ——表面加热模型和体加热模型u嘈’。采用表面加热模型是考虑到对于不透明材料，激 光一般只能穿透其很薄的一层(几纳米到儿十纳米)，为计算方便计，将其视为在材料 表面加热；而采用体加热模型则是考虑了实际的激光在材料内的吸收情况，尤其是对于 半透明材料。那么，对于一个具体的涉及激光加热的问题，加热模型究竟如何选取?有 没有一个判断准则?本文通过精确求解一维半空间光致热弹性应力响应问题对这一问 题进行了理论分析和计算研究。 2．理论分析 2．1基本模型 为弄清热弹性应力波的产生和传播规律及其特征，我们考虑半无限大物体表面受到 均匀辐照的一维热应力问题。该二#无限火物体初始温度均匀为死，其导热系数为k，比 热为c。，密度为P，热扩散率为口，光吸收系数为∥，热膨胀系数为岛，剪切和体弹 性模量分别为G、B，表面为无应力的自由表面，进入其内的入射激光辐射强度J『：，(f)。 热力耦合通常对弹性解的影响很小，故将其忽略。另外。由于入射激光能量为体吸收， 其表面热损较入射的激光能量以及内部的导热要小几个数量级，故作为近似也将其忽 略。因此，我们可得光致热弹性应力响应的数学模型如下： 一一=一+l●￡。 J0，f0 (1) cl 吉詈=睾叫y／∽it堆融‘ 1 02z， 62口 8口 万矿2万w西 工0， ，0 (2) B．e_90：o，宴+坩：o X=0，f0 (3) ，．C．0：0，”=0，娑=0 X0，，=0 (4) 997 另外，该问题一隐含边界条件为0—0，Ⅳ_0，当X寸00 舯瞄砌过余虢撇¨=譬一一急，巳2 3 2．2解析计算 我们采用拉氏变换法对上述问题进行求解。得以卷积形式表不的时至域中的韫 度、位移为 秒(五，)=GO·，2上，(r胁(五f-r)dr2●U●Uj，(f—f岛(W)出 (6) (7) 缸(x，，)=G。·，=p(f)G。(x，f—f)如=F(f—f)G。(工，f)打 G。分别为温度场和位移场的格林函数 式中GO希1 嘭㈨，=予[Ez(∥届+别+岛(∥届一劫g丢 c8， G。(五f)=巳，7G。。l(x，f)+∥-7G。．2(五f) (9) 其中 旦筇