本发明属于飞秒激光加工，具体涉及一种基于双温模型的invar合金飞秒激光加工温度场及形貌预测方法。
背景技术：
1、硅基有机发光二极管(organic light-emitting diode,oled)微显示器具有面积小、重量轻、亮度高、响应速度快、色域广以及分辨率高等优点，被广泛应用于虚拟现实、增强现实等领域的头戴式近眼显示设备。蒸镀是硅基oled微显示器生产中的关键环节，而精细金属掩膜板(fine metal mask,fmm)是蒸镀工艺中的重要消耗性部件。fmm的孔呈现阵列分布，尺寸需控制在微米甚至纳米级，并且孔与孔之间的间隔极小。由于invar合金(殷瓦合金)具有极低的热膨胀系数，对温度变化具有极高的机械稳定性，适宜作为fmm的制备材料。随着对硅基oled微显示器的分辨率要求越来越高，fmm必须具有更高的尺寸精度以及更小的开孔尺寸。
2、飞秒激光是脉冲宽度在飞秒(10-15s)量级的超快激光，具有脉冲宽度短、瞬时功率高和热影响区小等特点，能够保证较高的加工精度，被广泛应用于高精度、高分辨率的微加工，包括高精度表面和三维结构微加工。因此，可以利用飞秒激光加工invar合金以制备fmm。飞秒激光加工过程中的温度场和微观形貌直接影响飞秒激光加工fmm的尺寸精度以及加工质量。实现invar合金飞秒激光加工温度场及形貌的高精度预测为优化fmm制备工艺、揭示invar合金的飞秒激光加工机理以及提高fmm的加工质量奠定技术基础。
3、由于飞秒激光加工具有极高能量密度与极小空间尺度，能量传递复杂，伴随着激光、电子及晶格间的能量传递，在实验过程中难以对加工温度进行测量。有限元仿真方法利用有限元仿真软件，能够较为全面的模拟加工过程中的温度场以及材料变形，建模过程成本较低、简单有效，是invar合金飞秒激光加工温度场及形貌预测的理想方法。
4、众多学者通过有限元仿真法对金属材料飞秒激光加工过程展开了研究。学者anisimov等人提出了飞秒激光与金属材料作用的双温模型，分别对电子温度与晶格温度建立控制方程并进行耦合，能够很好的描述飞秒激光与金属材料相互作用的能量传递过程，常被学者用来模拟飞秒激光加工金属材料的温度场与变形行为。然而，对于不同的金属材料，建立双温模型所需的热物理参数均有差别。邵俊峰等人通过双温方程对飞秒激光加工金薄膜进行了计算模拟分析，得到了金薄膜的电子温度和晶格温度随着时间的变化规律。chen等人基于双温模型建立数值模拟模型，对超快激光脉冲与金薄膜的热效应进行研究，将激光能量处理为体热源，其中考虑了脉冲对材料深度方向的能量，计算了飞秒激光加工金薄膜的电子温度和晶格温度。li等人将双温模型与变形几何方法相结合，利用变形几何方法模拟了材料的瞬时去除过程，获得了ti6al4v飞秒激光加工的温度场与加工形貌。
5、不同的材料具有不同的特性以及热物理参数，目前未见基于双温模型的invar合金飞秒激光加工温度场及形貌预测方法研究。
技术实现思路
1、为解决上述问题，本发明提出一种基于双温模型的invar合金飞秒激光加工温度场及形貌预测方法。基于双温模型，建立有限元仿真模型，实现invar合金飞秒激光加工温度场及形貌的高精度预测，具有实际应用价值。
2、本发明的技术方案：
3、一种基于双温模型的invar合金飞秒激光加工温度场及形貌预测方法，基于comsol软件建立工件的二维轴对称模型，并进行网格划分；计算invar合金相关材料参数，建立飞秒激光体热源模型，通过comsol软件中的固体传热模块构建双温模型；根据invar合金相爆炸温度、升华潜热等参数计算仿真过程中材料的法向网格变形速度，写入到comsol软件中的变形几何模块中；最后在comsol仿真软件中进行invar飞秒激光加工过程仿真，实现温度场及形貌预测，方法的具体步骤如下：
4、步骤1：建立几何模型并划分网格。
5、在comsol中建立二维轴对称工件模型，即仿真完成后二维工件模型可绕z轴进行旋转得到对称的三维模型。采用自由三角形网格对工件模型进行网格划分，选定飞秒激光作用区域，并对飞秒激光作用区域进行网格局部加密。
6、步骤2：计算invar合金相关热物理材料参数。
7、定义invar合金的材料特性参数以及所使用的物理常数，包括相爆炸温度tv、升华潜热lv、密度ρ、玻尔兹曼常数kb、普朗克常数h以及阿伏伽德罗常数na等，根据材料特性参数及所使用的物理常数计算构建双温模型所需要的invar合金相关热物性参数，包括电子热容ce、晶格热容cl、电子-晶格耦合系数g、电子热导率ke以及晶格热导率kl，从而准确模拟飞秒激光加工过程中invar合金电子温度与晶格温度的变化规律。
8、步骤3：构建飞秒激光热源模型。
9、根据实际实验条件，定义飞秒激光工艺参数，包括脉冲能量密度f、脉冲宽度tp以及光斑半径r0等，并通过飞秒激光工艺参数构建考虑材料反射率r以及激光有效穿透深度α的飞秒激光高斯体热源分布模型。
10、步骤4：建立双温模型。
11、在comsol软件中添加固体传热模块，将计算得到的invar合金相关热物理参数输入到固体传热模块的“固体”中，将所构建的飞秒激光高斯体热源模型输入到固体传热模块的“热源”中，以建立双温模型，实现invar合金飞秒激光加工温度场预测。
12、步骤5：计算考虑invar合金升华潜热的法向网格变形速度，模拟加工形貌。
13、通过斜坡函数定义invar合金的有效传热系数h，根据晶格温度tl、相爆炸温度tv、升华潜热lv以及密度ρ计算invar合金飞秒激光加工过程仿真中的法向网格变形速度vvap，并将法向网格变形速度vvap输入到comsol软件的变形几何模块中，以在invar合金飞秒激光加工过程中模拟加工形貌。
14、步骤6：运行仿真，实现温度场及形貌预测。
15、对工件模型的整个域添加域探针，分别测量仿真过程中电子温度与晶格温度的峰值，得到电子峰值温度与晶格峰值温度的变化曲线，以便分析飞秒激光的作用过程与机理。在comsol软件中添加“瞬态”研究，对时间单位与输出时步进行设置。为保证comsol求解过程的收敛性，瞬态求解器中求解器采用的步长设置为“精确”。运行仿真，从而实现invar合金飞秒激光加工温度场及形貌预测。
16、本发明的有益效果：本发明所述的一种基于双温模型的invar合金飞秒激光加工温度场及形貌预测方法无需大量实验，通过有限元仿真的方法，基于comsol软件建立invar合金飞秒激光加工过程仿真模型，能够适用于invar合金飞秒激光加工温度场以及形貌预测，本发明为后续优化fmm制备工艺、揭示invar合金的飞秒激光加工机理以及提高fmm的加工质量奠定技术基础，具有实用价值。
1.一种基于双温模型的invar合金飞秒激光加工温度场及形貌预测方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于双温模型的invar合金飞秒激光加工温度场及形貌预测方法，其特征在于，步骤2中，invar合金相关热物性参数的计算公式如下：
3.根据权利要求1所述的一种基于双温模型的invar合金飞秒激光加工温度场及形貌预测方法，其特征在于，步骤3中，飞秒激光高斯体热源分布模型如式(10)、(11)、(12)和(13)所示：
4.根据权利要求1所述的一种基于双温模型的invar合金飞秒激光加工温度场及形貌预测方法，其特征在于，步骤4具体如下：
5.根据权利要求1所述的一种基于双温模型的invar合金飞秒激光加工温度场及形貌预测方法，其特征在于，步骤5中，法向网格变形速度计算公式如式(16)、(17)所示：
