因此 ， 纳秒激光器适用于具有足够光吸收的各种材料的球形SMP；皮秒激光器也可用于具有足够脉冲功率的金属和半导体的PLML加工 。 在这两种情况下 ， 最好使用低频脉冲激光 ， 因为一个激光脉冲可以提供足以熔化粒子的能量 。
在波长为532 nm的平面偏光激发下 ， 浸在水中直径为50 nm (a)、100 nm (b)和400 nm (c)的Au球的电场(?E?/?Ei?)分布 。
3.4.周围液体介质的颗粒冷却过程
对于球形SMP制造 ， 绝热假设相当正确 。 然而 ， 对于长脉冲激光照射和较小颗粒尺寸的情况 ， 发现无法用绝热假设解释的实验结果 。 这表明 ， 在激光加热和冷却过程中 ， 散热会影响粒子的形成过程 。 因此 ， 基于热工方面 ， 开发了一种新的依赖时间的粒子加热-冷却模型来解释与粒子加热-熔化模型的差异 。
在初始加热阶段 ， 颗粒与液体直接接触并冷却 。 当粒子通过激光照射快速加热时 ， 粒子会瞬间熔化 ， 超过熔点形成球形粒子 。 在这一阶段 ， 粒子周围的液体应通过脉冲激光能量输入引起的液体快速加热蒸发 。 当周围的液体介质为水时 ， 这种从液体到蒸汽的相变会导致导热系数κm从水的导热系数变成蒸汽的导热系数 ， 从而形成瞬态热阻蒸汽层 。 这种热障进一步导致快速加热 。 据报道 ， 这种相变发生在573 K的旋节温度下 ， 加热粒子在超过573 K汽化液体中开始冷却（图19） 。
图19脉冲激光照射到分散在水中的颗粒时的相位变化示意图 。
假设在PLML过程中形成的蒸汽层与研究得很好的空化气泡形成过程的部分不一致 ， 因为形成的气泡的大小和时间尺度相差很大 。 相反 ， 它类似于为具有高光学吸收的激光辐照Au NP提出的等离子体纳米气泡形成过程 。 在PLML中 ， NP不必是等离子体金 ， 而是具有足够光学吸收的各种材料 。 因此 ， PLML中形成的蒸汽层应称为热诱导纳米气泡 。
3.5.温度和最高温度的时间分布
图20显示了不同激光注量的355 nm激光（8 ns脉冲宽度）辐照的Pd（直径40、60、80 nm）和ZnO（直径180、210、240 nm）粒子的时间温度分布的计算结果 。
图20 经355 nm激光（8 ns脉冲宽度）照射的Pd粒子（直径40、60、80 nm）和ZnO粒子（直径180、210、240 nm）的计算时间温度分布 。
当粒子的材料和尺寸、激光波长和注量固定时 ， 可以根据时间温度分布计算得到最高温度 。 换句话说 ， 可以计算出达到特定温度（如熔点）所需的激光注量 ， 作为颗粒尺寸的函数 。 图21（a）显示了考虑散热过程的Pd修正尺寸注量图 ， 并与绝热计算情况进行了比较 。 气泡形成所需的通量与粒径的函数也绘制在图21（a）中的虚线曲线上 。 由于液体的大比表面积效应和高热传导性 ， 较小的颗粒容易消散 ， 因此需要较大的注量来补偿向周围消散的能量 ， 以便在颗粒周围形成气泡 ， 然后熔化颗粒 。 在图21（a）中 ， 对于小于60 nm的颗粒 ， 这种影响很明显 ， 并且观察到 ， 即使对于金属NP ， 也存在熔化颗粒的明显最小注量 。
图21 （a）考虑和不考虑散热过程的钯的尺寸注量图 。 考虑到热耗散效应 ， 熔化钯颗粒所需的激光注量在较小颗粒一侧变得更大 。 还绘制了气泡形成所需的注量 。 （b）考虑到热耗散过程 ， ZnO在绝热条件下的尺寸注量图以及7和70 ns的激光脉冲宽度 。 标记为红色钻石的实验数据由准分子激光产生（248 nm ， 70 ns脉冲宽度） 。 假设粒子保持与水接触而不形成蒸汽层 ， 则所需通量也绘制为绿色虚线 。
3.6 能效
当加热较小的颗粒或使用长激光脉冲进行加热时 ， 由于加热过程中周围的散热作用 ， 达到的温度会降低 。 激光照射到颗粒的能量不能有效地用于加热 ， 并浪费在周围的液体上 。 然后 ， 能量效率可以通过加热过程中带电粒子的最高能量与通过光学吸收过程施加给粒子的能量之比来计算 。 图22显示了针对不同粒径计算的能量效率的脉冲宽度依赖性 。 皮秒激光辐照对于球形SMP的形成是节能的 。 对于相同脉冲宽度的激光 ， 较小的粒子效率较低 。 对于脉冲宽度为10–100毫微秒的激光器 ， 这种效应很明显 。
图22 能量效率的脉冲宽度依赖性 ， 通过加热过程中带电粒子的最高能量与通过不同粒径的光学吸收过程施加给粒子的能量之比计算得出 。
通过快速形成蒸汽层来诱导准绝热加热条件 ， 可以提高能源效率 。 如果与散热率相比 ， 颗粒被缓慢加热 ， 或者从颗粒表面耗散的一部分能量较大 ， 则颗粒温度不会迅速升高 ， 形成蒸汽层所需的时间也会延长 。 因此 ， 激光加热过程效率较低 ， 而且在不形成蒸汽层的情况下 ， 无论是否有足够的能量输入 ， 粒子温度都不会轻易达到熔点 。
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