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Multiphysics modeling of femtosecond laser–copper interaction: From electron dynamics to plasma eruption

多物理 传热 飞秒 等离子体 激光器 库仑爆炸 材料科学 物理 机械 光学 热力学 电离 离子 量子力学 有限元法
作者
Ningwei Zhan,Baoshan Guo,Lan Jiang,Tianyong Zhang,Meiling Chen,Gen Lin
出处
期刊:Physics of Fluids [American Institute of Physics]
卷期号:35 (1) 被引量:26
标识
DOI:10.1063/5.0131001
摘要

The femtosecond laser ablation of metals is a complex and violent nonequilibrium process, and numerous studies have sought to reveal the evolution of a single physical phenomenon, such as laser-induced periodic surface micro-nanostructures or plasma eruptions. By considering the multiphysics scenarios of energy and heat transfer, structural mechanics, hydrodynamics, and nucleation dynamics, a femto-nanosecond and nano-micrometer multiscale framework combining electron–phonon-coupled heat transfer, lattice deformation, phase transition, and plasma eruption was constructed to describe the heat and mass transfer mechanism of femtosecond laser–copper interaction. A multiphysics model was proposed in this study to simulate the ablation process with different laser fluences. Ablation occurs at low near-threshold fluences primarily via a combination of the thermal phase transition process of melting and thermoplastic deformation coupled with the nonthermal phase transition process of hot electron explosion. Marangoni convection and non-uniform nucleation at the solid–liquid interface create micro-nano structures on the surface of the ablation crater. At a high laser fluence, plasma plumes are emitted via gasification and eruption, and as the material is heated to decrease its density, the surface is broken into a micro-column structure, and then the micro-columns fracture and erupt to form micro-nano structures and plasma plumes. Numerical results offer a better understanding of surface topography modifications and plasma plume evolution and promote the application of femtosecond laser precision fabrication in the fields of aviation, mechanics, electronics, and materials engineering.
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