飞秒激光烧蚀硅的分子动力学模拟

论文摘要

本文基于三维“x-分区”模型和SW势,编写了可以处理晶体硅的飞秒激光烧蚀过程的分子动力学程序,在国内首次开展了飞秒激光烧蚀晶体硅的分子动力学模拟;通过与实验结果和其它分子动力学模拟结果的比较,证明了分子动力学模拟是一种很有价值的研究方法。对比研究了硅的五种经验势函数,考察了原子间距、键角对系统总能量的影响。结果表明,SW势由于截断半径适中、参数较少、形式简单且具有一定的物理基础,因而应用广泛。本文选择了SW势进行分子动力学模拟,并推导出基于SW势的受力计算公式。模拟了给定系统向NVT系综和NVE系综演化的过程以及系统自由演化的过程,以便调试程序和考察各趋衡过程的性质。其中,FREE过程能很好地保持系统的总能量守恒,并驱动系统很快达到合理的平衡,通常用于动力学加载后的趋衡过程;NVT模拟可以保持温度恒定,适用于描述系统在特定温度下的趋衡过程。在激光烧蚀过程的模拟中,将会用到这两种平衡态分子动力学模拟。发展了用于描述激光能量沉积过程的三维“x-分区”模型,研究了飞秒激光光斑完全覆盖Si（100）表面和小于Si（100）表面两种情况下的烧蚀现象,得到了飞秒激光烧蚀现象的一般特征。烧蚀过程自材料内部气泡的产生开始,由气泡的发展最终导致。烧蚀材料可分成晶体区、熔化区和烧蚀区三部分,三个区域中原子的运动分别具有固体、液体和气体粒子的运动特征。观察到烧蚀过程中激光诱导应力波的产生与传播。熔化区的应力波是由原子的飞散引起的稀疏波。晶体区的应力波以声速传播。系统地分析了激光参数和激光加载方式对烧蚀现象的影响。结果表明:对于能通量相同的短脉冲和长脉冲激光,短脉冲的烧蚀现象比长脉冲剧烈,热效应比长脉冲小;脉宽一定的情况下,随着激光能通量的增加,烧蚀现象加剧,存在一个能恰好使材料烧蚀的能通量,即烧蚀阈值;空间谱决定激光能量的空间分布,不同的空间分布将会产生不同的烧蚀现象;随着波长的增加,光子能量降低,相应激光在晶体硅中的吸收系数减小,烧蚀过程的热损伤和热影响区域大大增加。激光加载有长时间加载和瞬时加载两种方式,两者的区别在于激光能量沉积过程是否伴随系统的趋衡过程。瞬时加载和长时间加载对飞秒激光烧蚀现象的影响差别很小,因此可以用瞬时加载代替长时间加载以简化计算。但是瞬时加载在很大程度上夸大了皮秒激光的烧蚀现象,故不能用瞬时加载简化皮秒激光的作用过程,可以采用将长脉冲激光离散为飞秒激光的方法来简化计算。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 飞秒激光烧蚀的应用
• 1.1.1 军用
• 1.1.2 民用
• 1.2 飞秒激光的烧蚀机理
• 1.3 激光烧蚀的研究方法
• 1.3.1 实验研究
• 1.3.2 数值模拟
• 1.4 飞秒激光烧蚀硅的分子动力学研究进展
• 1.4.1 激光-硅相互作用模型
• 1.4.2 研究结果
• 1.5 本文的主要研究内容
• 参考文献
• 第二章 分子动力学模拟技术
• 2.1 基本原理
• 2.1.1 适用范围
• 2.1.2 模拟步骤
• 2.2 硅的经验势
• 2.3 受力计算的优化方法
• 2.3.1 近邻列表算法
• 2.3.2 细分单元法
• 2.4 初始条件和边界条件
• 2.4.1 初始条件
• 2.4.2 边界条件
• 2.5 运动方程的差分方法
• 2.5.1 Verlet 算法
• 2.5.2 Adams 算法
• 2.6 感兴趣量的提取
• 2.6.1 能量
• 2.6.2 温度
• 2.6.3 压力
• 2.7 平衡过程的控制
• 2.7.1 NVT EMD 模拟
• 2.7.2 NVE EMD 模拟
• 2.8 程序的实现
• 2.8.1 并行方案
• 2.8.2 单位制
• 2.8.3 程序流程
• 2.9 本章小结
• 参考文献
• 第三章 硅的经验势函数对比与平衡态分子动力学模拟
• 3.1 硅的经验势的对比研究
• 3.1.1 经验势的形式
• 3.1.2 经验势的对比研究
• 3.1.3 由SW 势导出的原子间相互作用力
• 3.2 平衡态分子动力学模拟
• 3.2.1 初始条件
• 3.2.2 FREE EMD 模拟
• 3.2.3 NVT EMD 模拟
• 3.2.4 NVE EMD 模拟
• 3.2.5 模拟时间
• 3.3 本章小结
• 参考文献
• 第四章 飞秒激光烧蚀现象
• 4.1 物理模型
• 4.1.1 三维“x-分区”模型的具体实现
• 4.1.2 能量转化的具体实现
• 4.1.3 算例简介
• 4.2 烧蚀现象
• 4.2.1 光斑完全覆盖材料表面
• 4.2.2 光斑面积小于材料表面积
• 4.3 应力波现象
• 4.3.1 激光影响区的应力波
• 4.3.2 晶体区的应力波
• 4.4 SI（100）与SI（111）烧蚀现象的对比
• 4.4.1 烧蚀形貌
• 4.4.2 应力波速度
• 4.5 本章小结
• 参考文献
• 第五章 激光参数对烧蚀现象的影响
• 5.1 脉宽和光强的影响
• 5.1.1 烧蚀现象
• 5.1.2 阈值效应
• 5.2 激光空间谱的影响
• 5.2.1 高斯激光
• 5.2.2 高斯激光的烧蚀现象
• 5.3 波长的影响
• 5.4 加载方式的影响
• 5.5 本章小结
• 参考文献
• 第六章 全文总结
• 6.1 本文创新点
• 6.2 本文主要结论
• 6.3 研究展望
• 致谢
• 作者在学期间取得的学术成果
• 附录A 基本物理常量
• 附录B Maxwell-Boltzmann 速度分布
• 附录C 算例列表