1. Введення в Моделювання Взаємодії Лазерного Випромінювання з речовиною
2. Поверхневі Джерела Тепла
3. Об'ємні Джерела Тепла
4. геометрична Оптика
5. Закон Бугера - Ламберта - Бера
6. Метод огинає Пучка
7. Повнохвильова Підхід
8. Моделювання Теплопередачі, Конвекції і перевипромінювання Всередині і Навколо Матеріалу
9. висновок

Питання, який нам весь час задають: чи можна промоделювати в середовищі COMSOL Multiphysics нагрів речовин через їх взаємодії з лазерним випромінюванням? Відповідь, зрозуміло, залежить від того, яку саме задачу ви збираєтеся вирішувати, так як різні методи моделювання підходять до різних завдань. Сьогодні, ми обговоримо різні підходи для моделювання нагріву речовин, освітлених лазерним випромінюванням.

Введення в Моделювання Взаємодії Лазерного Випромінювання з речовиною

Незважаючи на те, що існує безліч різних типів джерел лазерного випромінювання, всі вони схожі між собою, якщо розглядати їх з точки зору того, що вони видають на виході. Лазерне випромінювання сконцентровано поблизу однієї довжини хвилі і когерентно. Як правило, вихідний випромінювання сфокусовано також у вузький сколлімірованний пучок. Цей сколлімірованний, когерентний і монохроматичне джерело світла може бути використаний, як надзвичайно точний джерело тепла в широкому діапазоні застосувань, включаючи лікування раку , зварювання , отжиг , дослідженні матеріалів , і обробці напівпровідників .

Коли лазерне випромінювання потрапляє в тверде тіло, частина його енергії поглинається, приводячи до локального нагрівання. Рідини і гази (і плазма), зрозуміло, також можуть розігріватися лазерами, але нагрівання рідин практично завжди супроводжується сильними конвекційними ефектами. У цій статті, ми ігноруємо конвекцію і зосередимося на розгляді нагріву твердих тіл.

Тверді тіла можуть бути частково або повністю непрозорими для випромінювання на довжині хвилі лазера. Залежно від ступеня прозорості, різні підходи будуть застосовними для моделювання лазерного джерела тепла. Крім того, необхідно пам'ятати про те, що все масштаби повинні порівнюватися з довжиною хвилі випромінювання. Різні підходи потрібні для опису сфокусованого випромінювання і для щодо широкого пучка. Якщо в матеріалі, взаємодіючому з падаючим пучком, є геометричні особливості можна порівняти з довжиною хвилі, необхідно додатково розглянути, як саме пучок буде взаємодіяти з цими дрібними структурами.

Перш ніж почати моделювання будь-яких взаємодій лазерного випромінювання з речовиною, ви повинні спочатку визначити оптичні властивості матеріалу, як на довжині індійські лазера, так і в інфрачервоному діапазоні. Ви також повинні знати, як відносні розміри об'єктів, які піддаються нагріванню, так і довжину хвилі лазера і параметри пучка. Ця інформація стане в нагоді вам при виборі відповідного підходу для моделювання вашого завдання.

Поверхневі Джерела Тепла

У разі непрозорих на лазерної довжині хвилі матеріалів, або близьких до цього, можна розглядати лазерне випромінювання в якості поверхневого джерела тепла. Найпростіше це зробити за допомогою функції Deposited Beam Power (Виділяється Потужність Пучка) (показано нижче), яка є доступною в Модулі Теплопередача (Heat Transfer Module) версії 5.1 пакета COMSOL Multiphysics. Крім цього, також просто можна поставити поверхневий джерело тепла вручну використовуючи тільки ядро ​​пакету COMSOL Multiphysics, як показано в цьому прикладі .

Поверхневий джерело тепла передбачає, що енергія пучка поглинається в шарі можна знехтувати малої товщини в порівнянні з розмірами нагрівається об'єкта. Крок розбиття кінцево-елементної сітки повинен бути достатнім тільки для того, щоб врахувати зміни температурного поля і розміри лазерної плями. Саме лазерне випромінювання не моделюється в явному вигляді, і передбачається, що відбита від матеріалу частина лазерного випромінювання; не повертається назад. При використанні поверхневого джерела тепла, вам необхідно вручну задати коефіцієнт поглинання матеріалу на лазерної довжині хвилі і, відповідним чином отмасштабовані виділяється потужність пучка.

Функція Deposited Beam Power (Виділяється Потужність Пучка) в Модулі Теплопередачі, використовувана для моделювання двох схрещених лазерних пучків. Показаний результуючий поверхневий джерело тепла.

Об'ємні Джерела Тепла

У разі частково прозорих матеріалів, основна частина енергії лазерного випромінювання буде виділятися всередині області, а не на поверхні, і, будь-який підхід повинен бути відповідним чином прив'язаний до відносних геометричних розмірів об'єктів і довжині хвилі.

геометрична Оптика

Якщо розмір нагріваються об'єктів багато більше довжини хвилі, але при цьому лазерне випромінювання сходиться і розходиться при поширенні через ряд оптичних елементів і, можливо, відбивається дзеркалами, тоді найкращим вибором стане функціональність модуля Геометрична Оптика (Ray Optics Module) . У цьому підході, світло розглядається, як промінь, що поширюється через яка поглинає, однорідну і неоднорідну середу.
У міру поширення випромінювання через поглинаючі матеріали (тобто оптичне скло) і перетину поверхонь розділу, частина енергії буде витрачатися на нагрів матеріалу. Поглинання в обсязі області моделюється за допомогою комплексного показника заломлення. На поверхні розділу, можна використовувати коефіцієнт відбиття або поглинання. Всі ці властивості можуть бути температурнозавісімимі. Для зацікавлених цим підходом, ця навчальна модель з нашої Галереї Додатків, забезпечить хорошу відправну точку.

Лазерний пучок сфокусований системою з двох лінз. Нагрівання лінз через поширення лазерного випромінювання великої інтенсивності, зрушує точку фокусування.

Закон Бугера - Ламберта - Бера

Якщо розмір нагріваються об'єктів і лазерного плями багато більше довжини хвилі, тоді для моделювання поглинання випромінювання в матеріалі підходить закон Бугера - Ламберта - Бера. Цей підхід передбачає, що пучок лазерного випромінювання є повністю паралельним і односпрямованим.

При використанні закону Бугера - Ламберта - Бера, коефіцієнт поглинання матеріалу і коефіцієнт відбиття від поверхні повинні бути відомі. Обидва цих коефіцієнта можуть бути функціями температури. Відповідна настройка параметрів такої моделі описана раніше в нашій блог-статті "Моделювання Взаємодії Лазерного Випромінювання з речовиною на Основі Закону Бугера - Ламберта - Бера ".

Ви можете використовувати підхід на основі закону Бугера - Ламберта - Бера, якщо відома інтенсивність падаючого лазерного випромінювання і відсутні відбиття світла всередині матеріалу і / або від меж об'єкта.

Лазерний нагрів напівпрозорих твердих тіл змодельований за допомогою закону Бугера - Ламберта - Бера.

Метод огинає Пучка

Якщо нагрівається область велика, але лазерний пучок різко фокусується всередині її, ні геометрична оптика, ні підхід на основі закону Бугера - Ламберта- Бера не можуть акуратно розрахувати поля і енергетичні втрати поблизу фокусу. Ці методи не вирішують безпосередньо рівняння Максвелла, а трактують світло як сукупність променів. Метод обвідної пучка , Наявний в Модулі Хвильовий Оптики , Є найбільш підходящим вибором в цьому випадку.

Метод обвідної пучка вирішує систему рівнянь Максвелла для випадку, коли амплітуда хвильового пакета є повільно змінюється функцією координат. Підхід працює, якщо приблизно відомо значення хвильового вектора в моделюється середовищі і наближене напрям поширення випромінювання. Цей випадок відповідає моделюванню сфокусованого лазерного випромінювання , А також хвилеводних структур, таких як модулятор Маха-Цендера або кільцевої резонатор. Так як напрямок пучка відомо, сітка кінцевих елементів може бути досить грубій в напрямку поширення, зменшуючи тим самим обчислювальні витрати.

Сфокусований лазерний пучок, що поширюється в області речовини з циліндричної симетрією. Інтенсивність на вхідний поверхні і вздовж оптичної осі всередині області графічно відображається відповідно до сіткою розбиття.

Метод обвідної пучка може бути об'єднаний з інтерфейсом Heat Transfer in Solids (Теплопередачі в твердих тілах) за допомогою мультіфізіческого з'єднання Electromagnetic Heat Source (Електромагнітний Джерело Тепла). Це з'єднання встановлюється автоматично при додаванні інтерфейсу Laser Heating (Лазерний нагрів) в меню Add Physics (Додати Фізику).

Інтерфейс Laser Heating (Лазерний нагрів) додає інтерфейси Beam Envelopes (огинає Пучка) і Heat Transfer in Solids (Теплопередача в твердих тілах) і встановлює мультіфізіческое з'єднання між ними.

Повнохвильова Підхід

Нарешті, якщо нагрівається структура має розміри порівнянні з довжиною хвилі, необхідно вирішувати систему рівнянь Максвелла без будь-яких припущень щодо напрямку поширення лазерного випромінювання в моделируемом просторі. У цьому випадку нам знадобиться інтерфейс Electromagnetic Waves, Frequency Domain (Електромагнітні хвилі, Частотная Область), який є і в Модулі Хвильова Оптика (Wave Optics Module) і в модулі Радіочастоти (RF Module) . Крім цього, модуль Радіочастоти містить інтерфейс Microwave Heating (Мікрохвильовий Нагрівання) (подібний до інтерфейсу Laser Heating (Лазерний нагрів) описаного вище) і пов'язує інтерфейс Electromagnetic Waves, Frequency Domain (Електромагнітні хвилі, Частотная Область) з інтерфейсом Heat Transfer in Solids (Теплопередача в Твердих тілах). Незважаючи на найменування, модуль Радіочастоти і інтерфейс Microwave Heating (мікрохвильова Нагрівання) підходять для моделювання в широкій смузі частот .

Повнохвильова підхід вимагає розбиття кінцево-елементної сітки необхідного для вирішення довжини хвилі лазерного випромінювання. Так як пучок може розсіятися в будь-якому напрямку, сітка повинна бути досить однорідною щодо розмірів осередків. Хорошим прикладом використання інтерфейсу Electromagnetic Waves, Frequency Domain (Електромагнітні хвилі, Частотная Область) є: Моделювання втрат в золотий наносфер освітленій плоскої хвилею , Як продемонстровано нижче.

Нагрівання золотий наносфери лазерним випромінюванням. Втрати випромінювання в сфері та величині навколишнього електричного поля відображаються відповідно до сіткою розбиття.

Моделювання Теплопередачі, Конвекції і перевипромінювання Всередині і Навколо Матеріалу

Ви можете використовувати будь-який з п'яти попередніх підходів для моделювання виділення енергії від лазерного джерела в твердотільному матеріалі. Моделювання підвищення температури і потоку тепла всередині і навколо матеріалу додатково вимагає інтерфейс Heat Transfer in Solids (Теплопередачі в твердих тілах). Доступний в ядрі програмного пакета COMSOL Multiphysics , Цей інтерфейс призначений для моделювання теплопередачі в твердих тілах і завдання відповідних граничних умов: фіксована температура, термоізольована межа або наявність потоку тепла через неї. Інтерфейс також включає різні граничні умови для моделювання конвективного переносу тепла в навколишнє атмосферу або рідина, а також випромінювальні охолодження (за рахунок випромінювання) в навколишнє середовище з відомою температурою.

У деяких випадках, може виявитися, що в задачі присутній примусове охолодження або нагрівання рідиною, яка не може бути описано за допомогою завдання граничних умов. В цьому випадку, вам може знадобитися явне моделювання потоку рідини з використанням Модуля Теплопередача (Heat Transfer Module) або Модуля Обчислювальна Гідродинаміка (CFD Module) , Які можуть вирішити задачу для визначення полів температури і потоку. Обидва цих модуля здатні моделювати ламінарні і турбулентні потоки рідини. Однак, в Модулі Обчислювальної гідродинаміки є додаткові можливості по моделюванню турбулентних потоків, які докладно описані в цьому попередньому блог-повідомленні .

Для випадків, в яких присутній значний радіаційний теплообмін (за допомогою випромінювання) між нагрівається об'єктом і будь-якими навколишніми об'єктами з різними температурами, в Модулі Теплопередачі (Heat Transfer Module) є додаткова можливість для обчислення форм-фактора випромінювання «сірого тіла» (Сіре тіло - це таке тіло, коефіцієнт поглинання якого не залежить від частоти, а залежить тільки від температури) і радіаційного переносу тепла (за допомогою випромінювання). Це продемонстровано в нашій Навчальної Моделі Швидкого Термічного відпалу . У разі, коли можливі сильні зміни температури, ви можете також розглянути радіаційну здатність поверхні в залежності від довжини хвилі .

Якщо розглянутий матеріал є прозорим для лазерного випромінювання, то швидше за все, він також є частково прозорим для теплового випромінювання (інфрачервоного діапазону). Це інфрачервоне випромінювання не буде ні когерентним, ні сколлімірованним, тому ми не можемо використовувати будь-який з перерахованих вище підходів для опису переизлучения в напівпрозорих середовищах. Замість цього, ми можемо використовувати підхід для випромінювання в розподілених середовищах. Цей метод призначений для моделювання теплообміну в матеріалах, в яких є значний тепловий потік всередині матеріалу завдяки процесу випромінювання. Приклад такого підходу з нашої Галереї Додатків може бути знайдений тут .

висновок

У цій статті, ми розглянули різні методи, наявні в середовищі COMSOL Multiphysics, для моделювання лазерного нагріву твердотільних матеріалів. Були представлені підходи поверхневого і об'ємного нагрівання, поряд з коротким оглядом можливостей моделювання теплообміну. До сих пір, ми розглядали тільки нагрівання твердотільного матеріалу, який не зазнає зміна свого фазового стану. Нагрівання рідин і газів - і моделювання фазового переходу - будуть розглянуті в наступних статтях цього блогу. Слідкуйте за оновленнями!