超快激光与金属相互作用模型
1 ， 双温模型
为了研究超短脉冲激光与金属之间的相互作用 ， Anisimov等人于1974年提出了一个经典的研究模型 。 该模型主要分析了电子温度Te和晶格温度Tl随时间的变化 ， 因此称为双温度模型 。
双温模型揭示了光子-电子和电子-晶格温度从fs到ps的演变过程 。 然而 ， 以前的双温模型有很大的局限性 ， 即仅当被烧蚀材料的电子温度低于费米温度时才能使用 ， 这限制了高激光能量金属材料的烧蚀 。 为了使双温模型适用于高激光能量 ， Jiang等人改进了双温模型 ， 使双温模型可以用于估计高电子温度条件下的材料性质：1）通过费米-狄拉克分布 ， 计算自由电子的热容；2）通过玻尔兹曼方程建立等离子体的量子模型 ， 然后计算弛豫时间和电导率值；3）通过改进的Drude模型 ， 通过详细计算得到反射系数和吸收系数 。 通过将该模型与已发表专著中的数据进行比较 ， 发现改进的双温模型比传统的双温模型更准确地估计损伤通量 。
图5显示了fs激光与Ni–Ti合金相互作用期间电子和晶格温度随时间的演变过程 。 当脉冲宽度为200 fs时 ， 电子温度上升最快并迅速达到峰值 ， 而此时晶格仍处于“冷态” 。 这也表明 ， 当激光与金属材料相互作用时 ， 它主要通过自由电子吸收大量激光能量 ， 并在加热后去除材料 。 当辐射结束时 ， 电子和晶格通过耦合过程达到平衡温度 。
图5不同激光能量（a和b）的单脉冲下电子和晶格的温度分布；不同脉宽（c和d）的单脉冲下电子和晶格的温度分布 。 （图片已重新组装）
2 ， 分子动力学模型
为了描述分子动力学 ， 建立了基于统计物理的分子动力学模型 。 该模型通过记录粒子的动态轨迹 ， 准确分析整个系统的变化 。 分子动力学模型非常适合描述物质的激光烧蚀过程 ， 因为该方法非常成熟 ， 可以直接描述粒子在纳米空间尺度上的运动 。 因此 ， 许多研究人员在实验中使用分子动力学模型来准确观察系统的变化 。 一般来说 ， 分子动力学方法旨在通过建立模型定量模拟所有系统中粒子的变化轨迹 ， 其中每个原子的运动都受到其他粒子的影响 。
超快激光微加工功能化金属表面的研究进展
材料表面的物理和化学特性 ， 特别是材料表面对外部能量（如光、电、磁、热、声、力和化学）的响应 ， 对实现材料的许多功能和特性起着决定性的作用 ， 例如光吸收/反射性能、流体力学性能、摩擦学性能、界面结合/吸附性能、化学/电化学催化性能 。 利用超快激光微纳加工技术 ， 在材料表面加工出不同类型的微纳结构 ， 赋予材料表面一些特殊功能 。
微型纹理
通过超快激光加工得到的微织构种类繁多 。 基本上 ， 它分为1)沟槽和柱 ， 2)立方体和网格 ， 3)坑 。 其形成机理是辐射到材料表面的激光能量密度高于材料的烧蚀阈值 ， 导致表面材料的去除 。 在不同的激光烧蚀路径和扫描时间条件下 ， 可形成不同的微结构 。 在这一部分中 ， 我们将重点讨论微织构的形貌和加工参数 。
凹槽和列
当超快激光作用于材料表面时 ， 材料的微纳结构形貌与入射激光的参数 ， 尤其是能量密度和脉冲数量直接相关 。
随着激光能量密度的增加 ， 表面形成微沟槽 。 凹槽的深度和宽度逐渐增大 。 随着激光能量的增加 ， 首先形成的微纳结构会导致后续激光作用过程中的能量吸收不均匀 ， 激光能量的不均匀吸收会导致部分材料表面的快速熔化、表面张力下的强迫流动和表面毛细波 。 随着扫描时间的增加 ， 激光能量沉积增加 ， 毛细波无序化 。 然后熔化的物质凝固成凹凸不平的驼峰状凸起 。 随着扫描时间的增加 ， 柱状驼峰结构数量增加 ， 分布趋于均匀 。
Qin等人使用fs绿色激光在Ti表面制备了不同的微纳结构 。 实验中使用的fs激光器的脉冲宽度为800 fs ， 重复频率为600 kHz ， 最大平均输出功率为75 W ， 波长为515 nm 。 通过激光扫描制备了微槽形貌和柱状驼峰结构 ， 然后通过研究扫描次数、能量密度和有效脉冲数研究了柱状驼峰结构的影响因素（图6和7） 。 微槽和微柱改变了材料表面的润湿性 ， 这对于实现超亲水性和疏水性等特殊功能非常重要 。
图6当单位点有效脉冲数为40时 ， 不同激光通量对Ti表面微结构的扫描电镜图像:(a) 11.30 J/cm?1;(b) 10.17 J/cm?1;(c) 9.04 J/cm?1;(d) 7.91 J/cm?1
图7 激光辐照量为5.56 J/cm2时 ， 不同扫描次数诱导Ti表面微结构的SEM图像：(a) 1; (b) 5; (c) 8; (d) 10; (e) 20; (f) 40
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