COMSOL Multiphysics中的激光材料相互作用188金宝搏优惠

一切都要求我们询问的问题是，如果COMSOL Multiphysics可以模拟激光材料相互作用和加热。188金宝搏优惠当然，答案取决于您想要解决的究竟是什么类型的问题，因为不同的建模技术适用于不同的问题。今天，我们将讨论各种方法，用于模拟激光照明的材料的加热。

建模激光物质相互作用介绍

虽然存在许多不同类型的激光源，但它们在其输出方面都非常相似。激光非常近单个频率（单波长）和相干。通常，激光的输出也集中成窄准直光束。这种准直，相干和单频光源可以用作广泛的应用中的非常精确的热源，包括癌症治疗那焊接那退火那材料研究， 和半导体加工。

当激光撞击固体材料时，部分能量被吸收，导致局部加热。当然，液体和气体（和等离子体）也可以通过激光加热，但流体的加热几乎总是导致显着的对流效应。在这个博客文章中，我们将忽视对流并担心自己的加热固体材料。

固体材料可以是激光波长处的部分透明或完全不透明的。根据透明度的程度，用于建模激光热源的不同方法是合适的。此外，与光的波长相比，我们必须与相对尺度相比。如果激光非常紧密，则与相对宽的光束相比，需要不同的方法。如果与光束相互作用的材料具有与波长相当的几何特征，则必须另外考虑光束将如何与这些小结构相互作用。

在开始模拟任何激光材料相互作用之前，您应该首先确定您在激光波长和红外方案中进行建模的材料的光学性质。您还应该知道要加热的对象的相对尺寸，以及激光波长和光束特性。此信息对于指导您迈向您建模需求的适当方法将是有用的。

表面热源

在材料是不透明的情况下，或者在激光波长处非常接近，适用于将激光视为表面热源。这是最容易完成的沉积梁功率具有COMSOL Multiphysics版本5.1的传热模块提供的功能（如下所示）。188金宝搏优惠然而，只有使用COMSOL Multiphysics Core封装也很容易手动设置这种表面热负荷，如188金宝搏优惠在这里示出了。

表面热源假设光束中的能量在相对于被加热物体的尺寸的尺寸上被忽略的小距离吸收到材料中。有限元网只需要足够精细地解析温度场以及激光光斑尺寸。激光本身未明确建模，并且假设从材料上反射的激光的分数永远不会反射回来。当使用表面热负荷时，必须手动地占据激光波长以激光波长的吸收率，并适当地缩放沉积的梁功率。

传热模块中的沉积光束功率特征用于模拟两个交叉的激光束。示出了所得到的表面热源。

体积热源

在材料部分透明的情况下，激光功率将沉积在域内，而不是在表面，并且任何不同的方法可以基于相对几何尺寸和波长来适合。

射线光学

如果加热物体比波长大得多，但激光本身正在通过一系列光学元件会聚和发散，并且可能反映在镜子中，然后是镜子中的功能射线光学模块是最好的选择。在这种方法中，光被视为通过均匀，不均匀和有损材料追踪的光线。

随着光通过有损材料（例如，光学眼镜）和撞击表面，一些功率沉积将加热材料。结构域内的吸收通过复值折射率进行建模。在表面上，您可以使用反射或吸收系数。这些属性中的任何一个都可以是温度依赖性的。对于有兴趣使用这种方法的人，本教程模型从我们的应用程序画廊提供了一个很棒的起点。

激光束聚焦到两个镜片。由于高强度激光，镜片升温，换档焦点。

啤酒兰伯特法

如果加热的物体和激光的光斑尺寸远大于波长，则适合使用Beer-Lambert Lave来模拟材料内光的吸收。该方法假设激光光束是完全平行和单向的。

当使用啤酒兰伯特法律方法时，必须知道材料表面的材料和反射的吸收系数。这两种材料特性都可以是温度的函数。在我们之前的博客条目中描述了设置这种模型的合适方法“与啤酒兰伯特法建模激光物质相互作用“。

如果您知道入射的激光强度，并且如果材料内或边界内没有光的反射，则可以使用Beer-Lambert法律方法。

用啤酒兰伯特法建模的半透明固体激光加热。

光束包络方法

如果加热畴大，但激光束在其内部紧密聚焦，射线光学器件和啤酒兰伯特法律建模方法都不能够准确地解决焦点附近的田间和损失。这些技术不直接解决麦克斯韦方程，而是将光线视为光线。这光束包络方法，可用波光光学模块，是在这种情况下最合适的选择。

当场包络缓慢变化时，光束包络方法解决了全麦克斯韦方程。如果波向量在整个建模领域中大致已知，并且每当您了解光线行驶的方向时，该方法是合适的。在建模A时就是这种情况聚焦激光以及像一个这样的波导结构Mach-Zehnder调制器或者环谐振器。由于众所周知，所以光束方向，有限元网格可以在传播方向上非常粗糙，从而降低计算成本。

激光束聚焦在圆柱形材料域中。入射侧和材料内的强度与网格一起绘制。

光束包络方法可以与之相结合固体热传递通过界面通过电磁热源多士联轴器。添加时，会自动设置这些耦合激光加热接口下添加物理学。

这激光加热接口添加了梁信封和固体热传递接口和它们之间的多体轴联轴器。

全波

最后，如果加热结构具有与波长相当的尺寸，则必须解决全麦克斯韦方程，而不假设模型空间内的激光的任何传播方向。在这里，我们需要使用电磁波，频域接口，可在波光光学模块中提供RF模块。此外，RF模块提供了一个微波加热界面（类似于激光加热上面描述的界面）和夫妻电磁波，频域界面到固体热传递界面。尽管是命名法，但RF模块和微波加热界面是合适的宽频段。

全波方法需要有限元啮合，这足以解析激光的波长。由于光束可以在所有方向上散射，因此网格必须合理均匀。使用它的一个很好的例子电磁波，频域界面：通过平面波照亮的金纳米球中的损失建模如下所示。

激光加热金纳米圈。绘制球体和周围电场幅度的损失以及网格。

在材料内和周围建模传热，对流和重新分析

您可以使用前五种方法中的任何一种方法以在固体材料中从激光源模拟电力沉积。在材料内和周围的温度升高和热通量建模另外需要固体热传递界面。可用于核心188金宝搏优惠COMSOL Multiphysics.包装，该界面适用于在固体中建模和具有固定温度，绝缘和热通量边界条件的传热。该界面还包括用于对周围气氛或流体的对流热传递建模的各种边界条件，以及在已知温度下建模到环境温度。

在某些情况下，您可能期望还有一种流体，该流体为问题提供了显着的加热或冷却，并且不能与边界条件近似。为此，您将想明确模拟使用流体流量的模拟传热模块或者CFD模块，可以解决温度和流动场。两个模块都可以解决层状和湍流流体流动。然而，CFD模块具有一定的额外湍流模型能力，详细描述以前的博客文章。

对于您预期加热物体与不同温度的任何周围物体之间的显着辐射的情况，传热模块具有计算灰色体辐射视图因子和辐射传热的额外能力。这是在我们的快速热退火辅导模型。当您希望温度变化很重要时，您也可能需要考虑波长依赖性表面发射率。

如果所考虑的材料对激光透明，则它们可能对热（红外带）辐射也是部分透明的。这种红外线既不是连贯也不准确的，所以我们不能使用上述任何方法来描述半透明媒体内的雷击。相反，我们可以使用参与媒体方法的辐射。该技术适用于在材料内建模热传递，其中由于辐射引起的材料内部存在显着的热通量。从我们的应用程序库中的这种方法的示例可以是在这里找到。

概括

在本博文中，我们研究了COMSOL多发性环境中可用的各种建模技术，用于建模固体材料的激光加热。188金宝搏优惠提出了表面加热和体积加热方法，以及传热建模能力的简要概述。到目前为止，我们仅考虑了不改变阶段的固体材料的加热。液体和气体的加热 - 以及相变的建模 - 将在未来的博文中涵盖。敬请关注！