[发明专利]一种用于飞秒激光烧蚀仿真的激光源模型的建立方法

说明书

本发明提供了一种用于飞秒激光烧蚀仿真的激光源模型的建立方法，根据激光在空间上和时间上的分布得出焦点下移的激光源模型，所提出的激光源三维模型可以描述实际加工过程中激光焦点随材料去除而下移的情况，通过在加工平面位置处（）将表达式分为两段，保证了在材料表面以上的激光能量密度是符合实际的，且在材料表面以下（即材料内部）能量密度是合理衰减的，所提出的激光源三维模型还可以描述实际加工过程中激光焦点在材料平面上的螺旋运动。

技术领域

本发明属于激光源模型的建立方法，具体的涉及一种用于飞秒激光烧蚀仿真的激光源模型的建立方法。

背景技术

在数值仿真中，激光源项的数学描述将直接影响材料对激光能量的吸收，目前广泛采用的激光源模型，只能用于金属薄膜等厚度极小(厚度小于光斑半径)的材料的打孔仿真，且忽略了激光能量密度在光斑平面上的高斯分布，无法准确仿真出实际打孔过程中的烧蚀情况；有些激光模型无法用于激光螺旋钻孔情况的仿真；而有些无法对带有焦点下移的激光钻孔过程进行仿真。

发明内容

本发明为了解决上述技术问题，提出了如下解决方案

具体方案如下：

一种用于飞秒激光烧蚀仿真的激光源模型的建立方法，其特征在于：

第一步，建立激光源模型初始状态下直角坐标系，以初始加工表面为xoy平面，激光传输方向为z轴正方向，以激光焦点中心为坐标系原点；

第二步，针对激光能量在空间上的高斯分布情况，建立激光在空间上分布的表达式：

其中：R为反射率，δ为材料光学穿透深度，δ_b为电子弹道长度，J为激光单脉冲能量，Z_s为加工平面的位置，ω_d(z,t)为带有焦点下移的光束传输方程，其表达式为：

式中：v为焦点下移速度，t为加工时间，Z_R为光束的瑞利长度；

式(1)将激光在空间上的分布根据加工平面位置z_s分为两段，在加工平面以外，即空气中激光能量分布无需使用项进行调控，而在加工平面以内，即材料内部，激光能量在项的作用下迅速衰减，有效作用深度不超过光学穿透深度δ和电子弹道长度δ_b之和；

第三步，针对激光能量在时间上的高斯分布情况，建立激光在时间上分布的表达式：

其中：t_p为激光脉冲宽度，f为激光重复频率，

式(3)以t＝4t_p为分段点，表示在0≤t≤4t_p时有激光输出，且激光在该时间段内呈高斯分布，而在t＝4t_p之后至下一脉冲开始这一时间段内，无激光输出，这一设定符合实际加工，且将式(3)以脉冲周期1/f为周期进行周期化后，即可用于描述多脉冲光源，

第四步，根据式(1)和式(3)，即可得出带有焦点下移的三维激光源模型：

S(x,y,z,t)＝Q(x,y,z,t)·T(t) (4)

进一步地，在所提出的激光源模型中，加工平面位置z_s会随着材料的去除而改变，因此z_s实际上为孔的轮廓位置，根据公式：