Πειραματική και θεωρητική ανάλυση με τη χρήση μοριακής δυναμικής του μηχανισμού φωτοαποδόμησης μεταλλικών υλικών προκαλούμενης από ακτίνες laser

Abstract

The objective of the present thesis is the experimental and theoretical investigation, using Molecular Dynamics, of the mechanisms leading to ablation of metallic materials due to Laser radiation. Laser micro machining is an emerging technology capable of producing parts in the micro and submicron scale. For such application Lasers with pulse duration in the femptosecond range are widely used. A phenomenon called “Laser ablation” is involved in the Laser micromachining. Laser Ablation is the process of material removal after the irradiation of a Laser beam onto the material and causes a combination of sublimation, vaporization and melting. It is commonly characterized by small temporal and spatial scales and extremely high material temperature and pressure. Molecular Dynamics (MD) is a deterministic simulation method. It is based on the solution of Newton’s second law and aims on the monitoring of the movements of an atom within a system. The present work has employed MD models for describing the characteristics and output of the process, i.e. the crystal structure of the metallic material prior to Laser irradiation, the temporal and spatial distribution of the photons produced by the Laser beam and the behavior of the material particles after irradiation. These models when coupled allow the estimation of the ablation depth caused in a metallic material when irradiated with femptosecond Laser pulses, produced temperatures field and the temporal evolution of temperature within the material. Experimental results affirm theoretical MD results and drive to the illustration of the ablation mechanisms. The computational code developed uses parallel processing techniques and is based on the structure of the developed methodology. The main conclusion of this work is that the ablation depth, as well as its mechanisms, are strongly depended to the Laser fluence (J/cm2) of the femptosecond pulse. Process characteristics can be predicted and used for a more efficient process programming.

Το αντικείμενο της παρούσας διατριβής είναι η πειραματική και θεωρητική ανάλυση με τη χρήση Μοριακής Δυναμικής του μηχανισμού φωτοαποδόμησης μεταλλικών υλικών που προκαλείται από την επίδραση ακτίνων Laser. Η τεχνολογία των μικρο-κατεργασιών με Laser είναι μια νέα τεχνολογία που επιτρέπει τη δημιουργία εξαρτημάτων σε κλίματα μικρομέτρου. Για την υλοποίηση των μικρο-κατεργασιών με Laser χρησιμοποιούνται συστήματα Laser υπερβραχέων παλμών. Φωτοαποδόμηση είναι η διαδικασία αφαίρεσης υλικού, που ακολουθεί την εφαρμογή δέσμης Laser σε αυτό και ουσιαστικά αποτελεί συνδυασμό εξάχνωσης, εξάτμισης και τήξης. Χαρακτηρίζεται από ιδιαίτερα μικρά χρονικά και χωρικά μεγέθη, καθώς και από ακραίες τιμές θερμοκρασίας και πίεσης. Η Μοριακή Δυναμική (ΜΔ) είναι μια αιτιοκρατική μέθοδος προσομοίωσης. Βασίζεται στην επίλυση του δευτέρου νόμου του Νεύτωνα με σκοπό την παρακολούθηση της κίνησης κάθε σωματιδίου σε ένα σύστημα. Η παρούσα διατριβή επικεντρώνεται στην ανάπτυξη μαθηματικών μοντέλων ΜΔ ικανών να προβλέψουν τα διάφορα χαρακτηριστικά της διεργασίας όπως είναι η κρυσταλλική δομή του υλικού πριν την επίδραση της δέσμης Laser, την χρονική και χωρική κατανομή των φωτονίων που μεταφέρονται από τη δέσμη Laser και τη συμπεριφορά των ακτινοβολούμενων σωματιδίων. Τα μοντέλα αυτά συνδυαζόμενα επιτρέπουν τον προσδιορισμό του βάθους φωτοαποδόμησης που προκαλείται σε ένα μεταλλικό υλικό, το οποίο έχει υποστεί ακτινοβολία με υπερβραχείς παλμούς Laser, το παραγόμενο θερμοκρασιακό πεδίο, καθώς και τη χρονική εξέλιξη της θερμοκρασιακής κατανομής. Μετά την πειραματική επιβεβαίωση των θεωρητικών αποτελεσμάτων και της μεθόδου ΜΔ αναλύονται οι μηχανισμοί που οδηγούν στην φωτοαποδόμηση των μεταλλικών υλικών. Ο υπολογιστικός κώδικας παράλληλης επεξεργασίας που αναπτύχθηκε βασίσθηκε πλήρως στη δομή της μεθοδολογίας. Το σημαντικότερο συμπέρασμα που προκύπτει από την συγκεκριμένη διατριβή είναι ότι το βάθος φωτοαποδόμησης καθώς και ο μηχανισμός αυτής εξαρτώνται κυρίως από την πυκνότητα ενέργειας του υπερβραχέου παλμού (J/cm2) που επιδρά στο μεταλλικό υλικό. Τα διάφορα χαρακτηριστικά της διεργασίας μπορούν να προβλεφθούν και να χρησιμοποιηθούν για τον αποδοτικότερο προγραμματισμό της.