高能脉冲激光作用下材料表面温度场

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.2000.05.020 第22卷第5期 北京科技大学学报 Vol.22 No.5 2000年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0ct2000 高能脉冲激光作用下材料表面温度场 崔晓鸣 刘登瀛淮秀兰 中国科学院工程热物理研究所，北京100080 摘要以激光材料处理为背景，通过在高能脉冲激光照射下材料表面温度变化的实验研究， 测量了在这种高能量、短脉冲、温度变化率极大的情况下材料表面的温升速率和温度变化规 律，并且结合实验条件对2种不同的导热模型进行了数值模拟.实验结果显示当激光脉冲宽度 较大时，实验结果和傅立叶导热模型的计算结果很吻合，随着激光脉冲宽度的减小，实验结果 逐渐偏离傅立叶导热模型，而与双曲导热模型比较接近，同时出现了“二次升温”等非常规现象. 关键词激光：表面处理脉冲加热：导热模型：数值模拟 分类号TK311 文献标识码：A 由于激光加热是一种高度非平衡过程，因 Nd-YAG激光加热器 此不能用常规傅立叶导热模型计算其加热过程 中的温度场变化，特别是对于加热热松弛时间 示波器 比较大的材料.在这种情况下，采用双曲导热模 型比傅立叶导热模型更接近于实际过程.目前， 连接电缆 国内外对这种非常规加热的研究主要集中在理 实验件 信号处理器 论研究和数值计算-，而相应的实验研究比较 激光器主 少.本文通过系统的实验研究，得到了高能脉冲 控计算机 激光加热下材料表面温度的变化曲线，并结合 图1实验系统图 实验条件对2种导热模型分别进行了数值模拟， Fig.1 Schematical diagram of experimental apparatus 从而得到了一些比较有价值的结果.这些结果 对于激光表面处理、材料表面温度的测量有较 铂薄膜电阻 为重要的意义， 实验件 连接导线 1实验原理与实验系统 绝热材料 外接电缆 本实验利用波长为1.O6m的Nd-YAG固 体激光器发出的高能激光脉冲为加热源，利用 铂薄膜电阻作为测温元件来测量材料表面温度 图2实验件结构图 场的瞬态变化，利用信号处理器将铂薄膜电阻 Fig.2 Schematical diagram of experimental sensor 由于温度变化引起的电阻变化信号转变为电压 变化信号，然后利用日本DL2700高速示波器记 为了验证此实验系统的可靠性，通过数值 录电压信号的变化.如图1所示.在实验中，激 计算，得到了在激光脉冲热流作用下材料表面 光脉冲直接冲击在由陶瓷制成的实验件表面， 温度变化（傅立叶模型）的计算与实验结果（如 但是避免冲击在铂薄膜电阻之上，通过镀在材 图3所示).实验结果和理论计算结果符合得很 料表面上的铂薄膜电阻测量表面温度在激光脉 好.此外，还利用红外辐射加热方式（加热时间 冲照射下的瞬态变化过程.实验件的结构如图 为25$)获得在秒量级时间尺度内材料表面温 2所示. 度的变化曲线（傅立叶导热），如图4所示.可以 2000-04-07收稿崔晓鸣男，24岁，硕士研究生、 看出，在不同的加热方式和加热时间下，材料表 *国家自然科学基金资助课题(No.59736130) 面温度的变化趋势都符合数值计算结果，这说

第 22 卷 第 5期 2 0 0 年 10 月 北 京 科 技 大 学 学 报 OJ u nr a lOf U n vi e sr iyt o f歇 i e. e e a o d l’ e c h o o】o yg Be ij ni g V bL 2 2 O C L N 0 . 5 20 0 高能脉冲激光作用下材料表面温度场 崔晓鸣 刘登流 淮秀兰 中国科学院工程热物理研究所 , 北京 10 0 0 80 摘 要 以激光 材料 处 理为 背景 , 通过 在 高能脉 冲激 光照射 下 材料 表 面温度 变 化 的实验 研究 , 测量 了在 这种 高能 量 、 短 脉 冲 、 温 度变 化率 极大 的情 况下 材料 表面 的温升速 率和 温 度变 化规 律 , 并 且结合 实验 条件 对 2 种不 同 的导热模 型进 行 了数 值模 拟 . 实验结 果显 示 当激光 脉冲 宽度 较 大 时 , 实验 结果和 傅立 叶导热 模型 的计算 结果很 吻合 , 随 着激光脉 冲 宽度 的减 小 , 实验 结果 逐 渐偏 离傅立 叶导热模 型 , 而与 双 曲导热 模型 比 较接近 , 同时 出现 了 “ 二次升 温 ” 等非 常规现象 . 关键词 激 光 ; 表面 处理 脉 冲加 热 ; 导 热模 型 ; 数 值模拟 分类号 T K 31 1 文献 标 识码 : A 由于 激光 加热是 一 种高度 非平衡过程 , 因 此不 能用 常规傅立叶导热模型计算 其加热过程 中的温度场 变化 , 特 别是对 于加热 热 松弛 时间 比较 大的材料 . 在这种情 况下 , 采用 双 曲导 热模 型 比傅立叶导热模型更接近于实 际过程 . 目前 , 国 内外对这种非常规加热 的研究主 要集中在理 论研 究和 数值计算 【网 , 而 相 应 的实验研 究 比较 少 . 本文通过 系统 的 实验研 究 , 得 到 了 高能 脉冲 激 光加热 下 材料表面温 度 的 变化 曲线 , 并 结合 实验 条件对 2 种导热模型分别进行 了 数值模拟 , 从而得 到了 一些 比较 有价值 的结果 . 这些 结果 对 于激光表 面 处 理 、 材料表 面温度 的测 量有较 为重要 的意义 . N d石Y A G 激光加热器 连接 电缆 信号处理器 激光器主 控计算机 示波器 图 1 实验系统 图 R g . 1 S e b e m a t i c a l d抽 gr a m o f e x ep ir ln e n at l a P P a ar 加s 1 实验原理 与实验系统 本实验利 用 波长 为 1 . 06 林m 的 N d - YA G 固 体 激光器发 出 的高 能 激光脉冲 为加 热 源 , 利用 铂 薄膜 电 阻作 为 测温 元件来测 量材料表面温度 场 的瞬态变化 , 利用 信号 处理器将铂 薄膜 电 阻 由于温度 变化 引起的 电阻 变化信号转变 为电压 变化信 号 , 然 后利用 日本 D L 2 7 0 高速示波器记 录 电压信号 的变化 . 如 图 1 所示 . 在实验 中 , 激 光脉 冲直 接冲击 在 由 陶瓷制 成 的实验 件表面 , 但 是避免冲击 在铂 薄膜 电阻之 上 , 通 过镀在材 料表 面上的铂 薄膜 电阻 测量表面温度在激光脉 冲照 射下 的瞬态变化 过程 . 实验件 的结 构 如 图 2 所 示 . 2 0 0 0 一 04 一 0 7 收稿 崔晓鸣 男 , 24 岁 , 硕 士研 究生 、 * 国家 自然科 学基 金资助 课题 ( N o . 5 9 73 6 13 0) 铂薄膜电阻 实验件 连接 导线 绝热材料 外接 电缆 图 2 实验件结构 图 F 啥 · 2 S e h e m a it c a l d is g ar m o f e x P e ir m e n at l s e n s o r 为了 验证此 实验系 统的可靠性 , 通 过数值 计算 , 得 到 了在激 光脉冲热 流作用下 材 料表面 温度 变化 ( 傅 立叶模 型 ) 的计 算与实验 结果 ( 如 图 3 所示 ) . 实验结果和 理论计算 结果 符合得很 好 . 此外 , 还 利用 红外 辐射加热 方式 ( 加 热时 间 为 2 5 5) 获得 在秒量级 时 间 尺度 内材料 表面温 度 的变化 曲线 ( 傅立叶导热 ) , 如图 4 所示 . 可 以 看 出 , 在不 同 的加热方式和 加热时 间下 , 材料表 面温度 的变化趋 势都符合 数值计算 结果 , 这说 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2000. 05. 020

Vol.22 No.5 崔晓鸣等：高能脉冲激光作用下材料表面温度场 ·471· 16 激光脉冲照射到材料表面时会产生很大的 实验曲线 光压，当脉冲结束时，此压力会有剧烈的变化 1 理论计算结果 如果材料表面与温度传感器的接触不紧密，光 压的变化会导致传感器和实验件的机械震动， 这种震动可能对传感器的温度信号产生影响. 4 为了防止这种影响，采用真空电子溅射工艺将 0 铂薄膜镀在材料表面上，使铂薄膜与材料表面 -2 紧密接触， 0 20 40 60 80 1.22种导热模型 tlμm 根据实验条件，分别用傅立叶、双曲型2种 图3数值计算及相应的试验结果 导热模型，并考虑激光器漏光的影响，可写出2 Fig.3 Numerical simulation and corresponding experi- 个数学模型：傅立叶导热模型，如方程组(1)：双 mental results 曲导热模型，如方程组(2) 12 职第 0<x<L,p0 10 [0t≤0 8 9w10≤1K4a1 6 9aia≤tKa (1) 102 2 Tx,tlo=T0≤x≤L 0 01020304050 设=00s1 ∂T0Ta2T 时间s r+f=a吃 0<r<L,0 图4红外辐射情况下傅立叶温度分布 0t≤0 Fig.4 Fourier temperature profiles under infrared ray ir- qw10≤t41 radiated 9w2ih1≤tKt 明，这套实验系统可以得到正确的实验结果. 0t≥ (2) 11实验系统干扰及相应的措施 Tx,tlo=T,0≤x≤L (1)电磁干扰对温度信号影响及相应的消除 措施. 7-0 0≤x≤L 1)使用金属外壳消除外界电磁干扰.根据 静电屏蔽原理将实验件和信号转换装置放入金 腰0 0≤t 其中，a,一不同材料的导温系数，t一材料的热 属壳内，并接地，达到屏蔽外界电磁波的效果. 松弛时间（根据文献[7]得到），L一材料厚度，9w一 2)使用屏蔽线.在信号处理器的内部线路 激光的热流密度，T。一材料的初始热力学温度， 连接中采用屏蔽线连接，将这种干扰减到最小， 一激光的加热时间. 薄膜电阻的温度信号经过信号处理器处理后， 如果不考虑到激光器的漏光，只需将边界 送到示波器记录.为了免受外界电磁波的干扰， 条件中9的取值改为0即可. 采取了：将经过信号处理器的信号通过高频屏 在进行数值计算过程中，将以上方程组用 蔽线输入示波器：在信号线的两端采用有屏蔽 隐式差分格式离散化，并采用高斯-赛德尔迭代 作用的接头.这样可以最大程度地减少各种电 法进行求解. 磁杂波对处理器中输出信号的干扰， 3)使用稳定的电源.采用碱性电池和稳压 2实验结果和数值计算结果的分析 管电路获得稳定性较好电源，使电路获得了稳 定的电压，消除了由于电源不稳定带来的干扰. 研究陶瓷材料在遭受高能激光脉冲作用时 (2)机械震动的影响及采取的相应措施. 表面温度的变化规律，以期得到材料表面温度

V bl . 2 2 N 0 . 5 崔 晓鸣 等 : 高能脉 冲激 光作 用下材 料 表面 温度 场 一 7 4 1 . l 6 l 4 l 2 l 0 ~ 实验 曲线 — 理论计算结果 半 8 ` , 6 0 一 2 图 3 F电 . 3 N u m e ir ca l m e n at ! r e , u 】st 2 0 4 0 60 80 t/ 林m 数值计算及相应 的试验 结果 s恤 u 肠 iot n a n d e o r n 洲 op n din g e l ep i-r 激光脉冲照射 到材 料表面 时会产 生很大 的 光压 , 当脉冲 结束 时 , 此压力会有剧烈 的变化 15] . 如果材料 表面与温 度传 感器 的接触 不紧 密 , 光 压 的变化会 导致传感 器和 实验件 的机 械震动 , 这种 震动可 能对传感 器 的温 度信 号产 生影 响 . 为 了 防 止这种 影响 , 采 用 真 空 电子溅射 工艺将 铂 薄 膜镀在材料 表面上 , 使铂 薄膜与材 料表 面 紧 密接触 . 1 · 2 2 种导热模型 根据 实验条件 , 分 别用傅立 叶 、 双 曲型 2 种 导热模型 , 并考虑激 光器漏 光 的影 响 , 可写 出 2 个 数学模 型 : 傅立叶导热 模型 , 如 方程组 ( 1) ; 双 曲导热 模 型 , 如方程 组 ( 2) . l 2 l 0 磷 一 祭 0 ~ , 户。 { 0 “ 0 一 漂 }, 一 } qwl ” ` “ ` ilt O 图 4 红外辐射情况下傅立叶温度分布 F i g . 4 F o u ier r t e m ep r a ut 代 P m川es u n d e r in fr a er d ar y i-r r a d i a t ed 明 , 这套实验 系统可 以得到 正确 的实验结 果 . 1 . 1 实验 系统干扰及相 应的措施 ( l) 电磁干扰对温 度信号影响及相应的消除 措施 . l) 使用金属 外壳 消除外 界 电磁 干扰 . 根据 静 电屏 蔽原理将实验件和 信号转换装置 放入金 属 壳 内 , 并接地 , 达 到 屏 蔽外 界 电磁波 的 效果 . 2 )使用 屏 蔽线 . 在信号 处 理器 的 内部 线路 连接 中采用 屏 蔽线连接 , 将这种干扰减到 最小 . 薄膜 电阻 的温 度信 号经 过信号 处理器处 理后 , 送 到示波器记录 . 为 了免受外界 电磁波 的干扰 , 采 取 了 : 将 经过信 号处理器 的信号通过 高频屏 蔽线输入 示波 器 ; 在 信号线 的两端采用 有屏蔽 作 用 的接 头 . 这样可 以最 大程度地减 少各种 电 磁 杂波对 处理器 中输 出信号 的干扰 . 3) 使 用 稳 定 的 电源 . 采用 碱性 电 池和 稳压 管 电路获 得稳定性 较好 电源 , 使 电路获得 了稳 定的 电压 , 消除 了 由于 电源不 稳定带来的干扰 . (2 )机械震 动 的影响及采取 的相应措施 . 一嚼一碟 }一 { 0 t 5 0 q , , 0 ` 杯几l q 蛇 lt 三 卜姚2 o t 之 人 ( 2 ) 爪 , t)I ` = oT o ` x ` L 祭}问 一 ” 0 ` x 、 妥味一 ” 0 到 其 中 , a 沫一不 同 材料 的 导 温 系数 , 卜材 料 的热 松弛时间 (根据文献 [ 7 ]得到 ) , L一材料厚度 , q一 激光 的热流密度 , 兀一材 料 的初始热 力学温度 , 汽一激 光 的加热 时 间 . 如 果 不 考虑 到激光器 的漏光 , 只 需将边 界 条件 中 qw , 的取值 改为 O 即可 . 在进 行数值 计算过程 中 , 将 以上 方程组用 隐式差 分格式离散化 , 并采用 高斯一赛德 尔迭代 法进 行求解 . 2 实验结果和数值计算结果 的分析 研 究陶瓷材料在遭 受高能激光脉冲作用 时 表 面温度 的变化规 律 , 以 期得到材料表 面温度

·472· 北京科技大学学报 2000年第5期 变化与激光参数及其他外界条件之间的关系. 均能量密度为6.8kJm2,光斑直径为2mm,脉宽 21激光脉冲能量对表面温度的影响 分别为1,2,3,4,5,10,15m 采用激光脉冲宽度为5μs,当激光脉冲功率 12 10 无漏光 密度为3887MWm,激光光斑直径为1mm时， 一有漏光 得到图5中温度曲线1.通过计算，曲线1温升 14 大激光功率 小激光功率 10 8 6 0 40 80120160200 t/us 漏光部分 图6数值计算的结果 -2 0 40 80120160200 Fig.6 Numerical simulation results t/us 从图7可以发现：当t=20s时，由于激光 器的漏光造成了材料表面温度的局部上升：当 图5材料表面温度变化 Fig.5 Temperature profiles of materials surface t=40μs时，激光器开始正式出光，当激光加热 脉冲结束后，材料表面的温度就立即开始下降， 为13.7K.然后激光脉冲功率密度减小到1258 激光脉冲宽度(pd)的大小对材料表面温度变化 MWm时，其他条件不变，得到材料表面的温 有着非常大的影响.当pd=1m时，在激光脉冲 升为3.8K,如图5中的曲线2.详细实验结果如 表1所示.图中画圈部分是由于激光器漏光造 4.0 3.2 表1实验结果 Table 1 Experimental results 功率密 脉冲宽光斑直 温升 温升速 1.6 度/MW·m2度/s 径/mm TK 率Ks 0.8 1 激光脉宽为1 3887 5 1 13.7 2.76×10° 煮光脉宽为2s 3 激光脉宽为3S 1258 3.8 7.6×10 0.0 4激光脉宽为45 0 40 80 120 160 成的温升，计算温升时可以不予考虑.由图中可 t/us 以看出，在激光器加热结束后，材料表面的温度 图7短脉宽情况下表面温度的变化曲线 开始波动，随时间逐渐减小直至消失.此外，根 Fig.7 Temperature profiles of materials surface in short 据傅立叶热扩散模型，分别作了激光器无漏光 pulse duration 和有漏光2种情况下材料表面温升的数值模拟， 加热结束后，材料表面的温度会立即下降：在下 其结果如图6所示. 降过程中，当=48s时，材料表面的温度突然 可以看出，当激光功率密度不同时，将影响 开始波动上升：在t=84s时达到最高点，然后 材料表面温度的上升幅度和温升速率，对其激 温度又开始下降，其中最高点的温度几乎等于 光加热后温度的变化趋势并无很大的影响.同 第一次加热结束时的温度.这与基于傅立叶导 时从图6可以看出，如果基于傅立叶导热模型， 热模型所作的理论计算和数值模拟的结果完全 激光器漏光对材料表面温度的影响只是增加了 不同.当激光加热的脉宽pd为2,3,4μs时，随 材料表面温度上升幅度，对激光器正式出光后 着脉宽的增大，这种升温幅度也逐渐减小.如图 的温度变化并没有影响. 7所示.从图中可以发现明显的规律性：在激光 2.2脉冲宽度对温度曲线的影响 加热结束后材料表面的降温过程中，总有一区 在本实验中，将激光束直接冲击材料表面， 利用薄膜电阻测量材料表面温度的变化，激光 域t=48~84μs材料的表面温度不是常规的降温 器的基本参数平均功率密度为100MWm,平 过程：当脉宽较小时(pdk5s),这个区域的温度 不降反升；随着脉宽的增大，这个区域逐渐消

北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 0 年 第 5 期 变化 与激光参 数及 其他 外界 条件之 间 的关 系 . 2. 1 激光脉冲能量对表面温度 的影响 采用激 光脉冲 宽度为 5 娜 , 当激光脉冲功率 密度 为 3 8 8 7 M W /m Z , 激光光斑直径 为 1 ~ 时 , 得 到 图 5 中温 度 曲线 1 . 通 过计算 , 曲线 1 温升 均能量密度为 .6 s k J /m Z , 光斑直径 为 Z r n r 。 , 脉 宽 分别 为 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 10 , 15 阿 . 12 } _ { — 无漏 光 一 有漏光 · · … 大激光功率 — 小激光功率 漏光 部分 4 0 80 120 1 60 2 X() 一… 1 1代阮一 42 o 一 U 0 ù 46 山八,U 一11 Z 出卜卜 t/娜 图 5 材料表面 温度变化 F i.g 5 eT m P e r a tU er P or 川. o f m a et iar is s u市 e e 为 13 . 7 K . 然 后 激 光脉冲功 率密度减 小到 1 2 5 8 M W /m Z 时 , 其 他条件 不变 , 得到 材料 表面 的温 升为 .3 8 K , 如 图 5 中的 曲线 2 . 详细 实验结果 如 表 1 所示 . 图中画 圈部分 是 由于激 光器漏光造 表 1 实验 结果 aT b l e 1 E x ep ir ln e n 加 1 esr u lst 功率密 脉冲宽 光斑直 温升 温升速 度 /WM · m 一 , 度 /娜 径 m/ T爪 率服 · s 一 , 3 8 8 7 5 1 1 3 . 7 2 . 7 6 x l 少 1 2 5 8 5 1 3 . 8 7 . 6 x l护 成 的温升 , 计算温升 时可 以不予考虑 . 由 图中可 以看 出 , 在激光器加热结束后 , 材料表面的 温度 开始波动 , 随时 间逐渐减 小直 至消失 . 此 外 , 根 据 傅立 叶热 扩散模型 , 分别 作 了激光器无 漏 光 和 有漏光 2 种情况下 材料 表面温升 的数值模拟 , 其结 果 如图 6 所示 . 可 以看 出 , 当 激光功率密度不 同 时 , 将影响 材料表 面温度 的上 升幅度和 温 升速率 , 对其激 光加 热 后 温度 的变 化趋势 并无 很大 的影响 . 同 时从 图 6 可 以看出 , 如果基于傅立 叶导热模 型 , 激光器漏光对材料表面温度 的影响只是增 加了 材料表 面温度上 升幅度 , 对激光器 正 式 出光后 的温度 变化并没有 影 响 . 2 .2 脉冲宽度对温度 曲线 的影响 在本 实验 中 , 将激 光束直接冲击材料表面 , 利用 薄膜 电阻测量 材料表 面温度 的变化 . 激光 器 的基本参数平 均功率 密度为 10 0 M W /m Z , 平 0 卜一 J : … } 0 4 0 80 1 20 160 2 0 0 t/ 哪 图 6 数值计算的结果 F啥 . 6 N u m e ir ca l s恤 u la iot n esr u lst 从 图 7 可 以发现 : 当 =t 20 娜 时 , 由 于激 光 器 的漏 光造 成了 材料表 面温度 的局 部上升 ; 当 =t 40 娜 时 , 激光 器开始正 式出 光 , 当激光 加热 脉冲结束后 , 材料表面 的温度就立 即开始下 降 . 激光 脉冲 宽度你心)的大小对材料 表面温度 变化 有着非 常大 的影响 . 当 dP = l p n l 时 , 在激光脉冲 一 、 碱》 、 . 、 之 !乏逻之 1 激光脉宽为 1 娜 2 激光脉 宽为 2 娜 3 激光脉 宽为 3 娜 4 激光脉宽为 4 娜 0 4 0 8 0 120 1 6 0 lt 畔 图 7 短脉宽情况下表面温度的变化 曲线 F啥.7 eT m eP ar tU 代 p or ifl es of m at e iar h su r fa ce in sb o rt P u 映 d u ar iot n 加 热结束后 , 材料表面 的温度会立即 下 降 ; 在下 降过 程 中 , 当 =t 48 娜 时 , 材料表 面的温度 突然 开始 波动上升 ; 在 =t 84 娜 时达到最 高点 , 然后 温度 又开始 下 降 , 其 中最高 点的温度几 乎等于 第 一次加热 结束时 的温 度 . 这 与基于 傅立叶导 热模 型所作 的理 论计算和数值模拟的结果完全 不 同 . 当激 光加热 的脉 宽 p d 为 2 , 3 , 4 娜 时 , 随 着 脉宽的增 大 , 这种 升温 幅度也逐渐减 小 . 如 图 7 所 示 . 从 图中可 以发现 明显 的规 律性 : 在激光 加 热结 束 后 材料表面 的 降温 过程 中 , 总 有一 区 域 =t 48 一 84 娜材 料的表面温度不是 常规 的 降温 过程 ; 当脉 宽较 小时 ( p d< 5 娜) , 这个 区域 的温度 不 降反升 ; 随着 脉宽 的增 大 , 这个 区 域逐渐消

Vol.22 No.5 崔晓鸣等：高能脉冲激光作用下材料表面温度场 ·473· 失，如图8所示.从以上结果来看，在t=48~84 经很弱，实验结果更接近于傅立叶导热模型的 s区域中，存在着一个二次温升的因素，使得 计算结果，如图10所示.以上实验结果和数值 这段区域的降温过程产生异常.我们暂称它为 模拟的结果说明，在较小脉宽的激光作用下，用 “二次温升现象”，这种现象对于材料的激光表 双曲型导热模型来预测材料的表面温度的变化 面处理以及材料表面温度的瞬态测量都会有很 规律比采用傅立叶导热模型更为精确，在较大 脉宽下，采用傅立叶导热模型更为精确. 10 …激光脉宽为10s 激光脉宽为20s 12 激光脉宽为305 10 一双曲模型 傅立叶模型 0 40 80120160200 tμs 0 40 80120160200 t/us 图8较长脉宽情况下表面温度的变化曲线 Fig.8 Temperature profiles of materials surface in long 图10较长激光脉宽的数值模拟结果 pulse duration Fig.10 Nunerical simulation of long laser pulse duration 大的影响.此外，本实验还发现在这种非常规加 3结论 热情况下，加热结束后材料表面的温度在某一 段时间区域内，有可能等于甚至高于其脉冲加 (1)在高能脉冲激光加热下，材料表面温度 热过程中的最高温度.如图7中激光脉宽为1m 的变化规律已经偏离基于傅立叶导热模型的结 的曲线.同时，在上述的区域中，温度曲线有一 果，因此它是一个高度非平衡态热力学问题. 列周期为10s的波动，随着脉宽的逐渐增大， (2)激光脉冲功率密度影响材料表面温度 这列波动逐渐衰减直至消失，根据以上的实验 的温升程度以及温升速率，但并不影响激光加 条件和实验步骤，分别用傅立叶导热模型和双 热后材料表面的温度变化规律 曲线性导热模型进行了数值模拟，计算结果如 (3)激光的脉宽对材料表面温度变化影响 图9、图10所示.从数值模拟的结果来看，在小 很大.在本实验中，当激光的脉宽小于5s时， 激光脉宽下，实验结果和双曲线导热模型计算 材料表面温度在降温过程中有一个突然升温的 的结果比较接近，并且计算结果中也出现了温 区域，当激光脉宽为1s时，这个突然升温的温 度的波动现象和“二次升温”现象，而与傅立叶 度甚至比激光脉冲加热结束时的温度还要高， 导热模型的计算结果相差较大，如图9所示：在 这是一个傅立叶模型所不能解释的现象，而与 大激光脉宽下，材料表面的温度的波动现象已 双曲导热模型的计算结果比较接近，当脉宽大 3.0 于5s时，这种突然升温的现象逐渐减弱直至 双曲模型 2.5 消失.这种现象在材料的激光表面处理以及表 傅立叶模型 2.0 面温度的测量中会产生很大的影响. (4)当激光脉宽较小时，采用双曲线导热模 1.5 型来预测材料的表面温度的变化规律比采用傅 1.0 立叶导热模型更为精确；在较大脉宽下，采用傅 0.5 立叶导热模型更为精确. 0.0 参考文献 40 80120 160 200 1 Joseph DD,Luigi Preziosi.Heat Waves.Reviews of Mod- s ern Physics,1989,61(1):4】 图9短激光脉宽的数值摸拟结果 2张浙，刘登漆.含对流与蒸发表面的有限厚度材料 Fig.9 Numerical simulation of short laser duration 的双曲型热传导分析，中国工程热物理学报，1999

V bl . 2 2 N O 一 5 崔 晓鸣 等 : 高 能脉 冲激光 作用 下材 料 表面 温度 场 一 4 7 3 - 失 , 如 图 8 所 示 . 从 以上 结果来 看 , 在 =t 48 一 84 娜 区域 中 , 存 在着 一 个二 次温 升 的因素 , 使得 这段 区域 的 降温过 程产 生异常 . 我们暂称 它为 “ 二 次温升 现象 ” . 这种 现象对 于 材料 的激 光表 面处理 以及材料表面温度 的 瞬态测 量都会有很 经很弱 , 实验 结果 更接 近于 傅立 叶导热模 型的 计算结 果 , 如 图 10 所示 . 以上 实验结果 和 数值 模拟的结果 说 明 , 在较小脉宽 的激光作用下 , 用 双 曲型导热模 型来预测材 料的表 面温度 的变化 规律 比 采用 傅立 叶导热 模型 更 为精 确 , 在较大 脉 宽下 , 采用 傅立 叶导 热 模型 更 为精 确 . 一,0 一拭ù`U 4 ,` 0 出食 10 - _ ! 燕 ’ “ “ 激光脉宽为 10 哪 - 一 激光脉宽为 加 泌 - 一 激光脉宽为 30 哪 价女砍 1 6 0 2X() — 双 曲模型 ~ 傅立 叶模型 尸尸、 一 0 l ù, 月盆. 0 l QO1 0 尹J4 " 多 t/ 娜 图 8 较长脉宽情况下表面温度的变化曲线 iF .g 8 eT m pe ar tU er p功m es of m a et iar ls su r af ce 加 ot n g P u ls e d u ar iot n 大 的影 响 . 此外 , 本实验还发现在这种非常规加 热情 况下 , 加热 结束后材料表 面的温度在 某一 段 时间 区域 内 , 有 可能等 于 甚至 高于其脉 冲加 热过程 中的最高温度 . 如 图 7 中激光脉宽为 1 卿 的 曲线 . 同 时 , 在 上述 的区域 中 , 温度 曲线有一 列 周 期 为 10 娜 的 波动 , 随 着脉 宽的 逐渐增 大 , 这 列波动 逐渐衰减 直至消 失 . 根据 以 上的实验 条件和 实验步骤 , 分别用 傅立 叶导热 模型和 双 曲线性 导 热模型进 行 了数值 模拟 , 计算结果如 图 9 、 图 10 所示 . 从数值 模拟 的结 果来看 , 在 小 激光脉 宽下 , 实验结果 和双 曲线 导热模型计算 的结果 比较接近 , 并且 计算结 果中也 出现 了温 度 的波 动现象和 “ 二 次 升温 ” 现象 , 而与傅 立叶 导热模 型 的计 算结 果 相差较 大 , 如图 9 所示 ; 在 大激 光脉宽下 , 材料 表面 的温度 的波动现 象 己 0 4 0 8 0 1 2 0 16 0 2 0 0 t/ 娜 图 1 0 较 长激 光脉 宽的数值模 拟结果 F电 · 10 N u n e ir c a 】s恤 u 肠 iot n o f ot n g l a s e r P n ls e d u ar iot n — 双曲模型 少0 4 0 80皿1 2 0 1 6 0 2 0 0 t/ 四 图 , 短激光脉宽的数值模拟结果 F哈 9 N u m e ir c a l s恤 u . iot n of s h o rt h se r d u ar iot n 3 结论 ( l) 在高 能脉冲激 光加 热下 , 材 料表面温度 的变化规律 已经 偏离基于傅立叶 导 热模 型 的 结 果 , 因 此它 是一个高度 非平衡态热 力学 问题 . (2 ) 激光脉冲 功率密度 影响材料 表面温度 的温 升程度 以及温升 速率 , 但并不影 响激光 加 热后 材料表 面 的温度 变化规 律 . (3 ) 激光 的脉宽对材料 表面温度 变化影 响 很大 . 在本 实验 中 , 当激 光的脉 宽小于 5 哪 时 , 材料表面温度在 降温过程 中有一个 突然 升温的 区 域 , 当激光脉 宽为 1 娜 时 , 这个突然升温 的温 度甚 至 比激 光脉冲 加热结束 时 的温 度还要 高 . 这是一个 傅立 叶模型 所不 能解释 的现象 , 而与 双 曲 导 热模型 的计算结 果 比较接近 . 当脉宽大 于 5 娜 时 , 这种突然 升温 的现象 逐渐减 弱 直至 消 失 . 这种 现象在材 料 的激光表 面处理 以及表 面温 度 的测量 中会产 生很大 的影 响 . (4 ) 当激 光脉宽较 小时 , 采用 双 曲线 导 热模 型来预测材料 的表面温度 的变化规律 比采用傅 立 叶导热模 型更为精 确 ; 在较 大脉 宽下 , 采用 傅 立 叶导 热模 型 更为精确 . 参 考 文 献 1 J o s eP h D D , L u i ig P r e 滋o s i . H e at W台v e s . eR v i ew s o f M do - e nr P hy s i e s , 1 9 89 , 6 1( l ) : 4 1 2 张 浙 , 刘登派 . 含 对 流与 蒸发 表面 的有 限厚 度 材料 的双 曲型热 传 导分析 . 中 国工程 热物 理学 报 , 1 99 9

·474· 北京科技大学学报 2000年第5期 20(5:618 a Nonhomogeneous Inner Structure.ASME Journal of 3崔晓鸣，刘登瀛.在脉冲激光作用下物体表面非傅 Heat Transfer,1990,117:26 立叶效应的实验研究。见：中国工程热物理学会传 5曾传相，周业为，谢建等.脉冲激光在陶瓷片中产 热传质学学术会议论文集.中国苏州，1999 生的奇异冲击波性，激光杂志，1999,20(1)：47 4 Kaminsk K.Heat Conduction Equation for Materials with Temperature Fields on Materials Surface under High-Energy Pulse Laser Irradiation CUI Xiaoming,LIU Dengying, HUAI Xiulan Institution of Engineering Thermophysics,Chinese Academy of Sciences,Beijing100080,China ABSTRACT An experimental investigation and numerical simulations of temperature fields on materials surface under high-energy pulse laser irradiation were described.Through experiments the effect of tempera- ture increasing rate and the temperature profiles on materials surface under laser irradiation were obtained,and with corresponding experimental condition some numerical simulations with two different heat conduct mod- els were done.By comparing the experimental results and simulation results,when pulse duration of laser is long enough,the experimental results agree the numerical simulation results based on Fourier'Law.With de- creasing of pulse duration,the experimental results gradually defer from the numerical simulation results based on Fourier Heat Conduct Model,but approach simulation results based on Hyperbolic Heat Conduct Model. When pulse duration is short enough,some unconventional phenomena appear,such as "the second heating". KEY WORDS laser;surface processing pulsed heating;heat conduct model;numerical simulations

. 7 4 4 . 北 京 科 技 大 学 学 报 年0 第0 期 2 5 0 2 ( 5 ) : 8 6 1 崔 晓鸣 3 , 刘 登滚 . 在 脉冲 激光 作用 下物 体表 面非 傅 立 叶效 应 的实验研 究 . 见 : 中国 工程热 物理 学会传 热 传质 学学 术会 议论 文集 . 中国苏 州 , 1 9 9 4 K aj m ir 巧 k K . H e at C 0 n d u c ti on qE aut i on fo r M a t e ir ia s w iht a N o hn o m o g en o u s I n n er S tZ 刀 c tL 叮 e . A SM E J o u m a l o f H e at T 邝nL s fe f, 19 0 , 117 : 26 5 曾 传相 , 周业 为 , 谢 建等 . 脉 冲激 光在 陶瓷 片 中产 生的 奇异 冲击波 性 , 激 光杂 志 , 1 99 9 , 20 ( l ) : 4 7 eT m P e r 别比ir e F i e ld s o n M aet ir a l s S u r af e e un d e r H igh 一 nE e gr y P u 1S e L a s e r h T a d i a t i o n C UI XI O O m ign , IL U D e n 舒 , ign , H UA I iX “ 勿” I n s tltU t ion of E n g in e e n 口 g hT ~ 叩hy s i cs , C h 泊坎记 A 以川eln y of sc i e n c e s , B iej in gl o X() 80 c, h 山 a A B S T R A C T An e x Pe找m e n at l in v e ist g iat o n an d n切 m ier e a l s i m u l at ion s o f t em Pe r a tL止 e if e ld s on m a t e ir a l s s ur af e e un d e r ih hg 一 en r gy Pu l s e las er 让ar d i iat on w er ds cs ibr e d . 卫比。 u hg e x pe d m e n st ht e e fe ct o f et m Pe ar - 仪止 e 1 n c r e as in g r at e an d het t e m Pe r at ur e Pr o if1 se on m a t e ir al s s ur af c e un d e r 1as er 1r a id iat on w er o b at in e .d an d w iht e oer s Po n d in g e x Pe ir m e n at l e o n d lt lon s om e n u比 n ier e a l s il n u l at ion s w iht wt o d i月笼r e n t he at e o n d u c t m do - le s w er d o n e . B y c o m Pa ir n g het e x pe r u n e n at l er slu st an d s lm u l iat on er slu st , w h e n P u l s e id 叮a t ion o fl as er is fo gn en ou hg, ht e e x Pe r im e ln at l er s u】st a gr e e ht e n U工 n ier c al s iln lu iat o n er s lut s b as e d on Fo u ir er , L .aw W lt h de - c er as in g o f Pu l s e id 叮a t ion , ht e e xP e r im e n at l er s ul st g] 滋 d ua l ly ds fer fr o m ht e n u 匡n ier c al s 加ul iat on er su lst b as e d o n F o u ir e r H e at C o n du e t M o de l , b u t aP Por ac h s加ul iat on er su it s b as e d o n H yP e r bo li e H e at C o n d u e t M o de l . W h en Pu l s e du r a t ion 1 5 s h ort e n o u hg , s om e un e o n v e int on a l P h en o m ean a PP e ar, s cu h as ” ht e s e e o n d h e at in g , , . K E Y W O R D S l a s er : s ur fa e e Pr OC e s s in g Pul s e d he at in g ; h e at e o n d u e t m o de l: n U比n e n e al s 五n u l iat o sn