微纳米薄膜材料中激光皮秒超声的数值模拟
1.江苏大学 理学院, 江苏 镇江 212013; 2.江苏大学 机械工程学院, 江苏 镇江 212013
Numerical modeling of laser-induced picosecond ultrasound in micro-nano thin films
1.Faculty of Science, Jiangsu University, Zhenjiang, Jiangsu 212013, China; 2.School of Mechanical Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang, Jiangsu 212013, China
摘要 基于双温模型和热弹性耦合理论,采用有限元方法,针对Al／Si3N4和Al／Si3N4／Si两种层状薄膜材料中激励皮秒超声,建立激光飞秒超声的有限元数值模型,得到Al薄膜中电子和晶格的温度场,进而分析薄膜内部的应变和表面位移响应.对比研究了双温模型理论和傅里叶热传导理论的计算,结果表明皮秒超声研究采用双温模型求解温度场更为合适,数值分析得到应变具有幅值较小且波形展宽的结果.表面位移响应峰的形成是超声波在薄膜材料界面处发生反射引起的.
关键词 ：
,
薄膜 ,
双温模型 ,
皮秒超声 ,
有限元 ,
数值模拟
Abstract ：Based on two temperature model(TTM) and thermalelastic theory, finite element numerical model of femtosecond laser-induced picosecond ultrasound was applied in investigating laser interaction of Al/Si3N4 and Al/Si3N4/Si multilayer thin films. The temperature fields of electron and lattice in Al film were caculated by the finite element method to analyze the surface displacement response and strain in thin films. The computational result from TTM theory was compared with that from classical fourier heat transfer theory. The comparison indicates that TTM theory is suitable for picosecond ultrasonic investigation. According to numerical analysis, the strain amplitude is small with wide waveform. The peaks of displacement response spectrum on Al surface are induced by ultrasound reflection within the interface of films.
Key words ：
thin film
two temperature model
picosecond ultrasound
finite element method
numerical model
基金资助: 国家自然科学基金资助项目(11172114); 江苏省高校自然科学研究重大项目(10KJA140006)
作者简介 : 许伯强(1963—)，男，江苏宜兴人，教授(bqxu@ujs.edu.cn)，主要从事激光超声与无损检测研究．
张子国(1985—)，男，江苏盐城人，硕士研究生(zg30018@163.com)，主要从事激光超声与无损检测研究.
引用本文:
许伯强, 张子国, 徐晨光, 徐桂东, 杨小平. 微纳米薄膜材料中激光皮秒超声的数值模拟[J]. 江苏大学学报（自然科学版）, 2012, 33(1): 83-87.
XU Boqiang, ZHANG Ziguo, XU Chenguang, XU Guidong, YANG Xiaoping. Numerical modeling of laser-induced picosecond ultrasound in micro-nano thin films[J]. Journal of Jiangsu University(Natural Science Eidtion)
, 2012, 33(1): 83-87.
链接本文:
http://zzs.ujs.edu.cn/xbzkb/CN/ 10.3969/j.issn.1671-7775.2012.01.017 或 http://zzs.ujs.edu.cn/xbzkb/CN/Y2012/V33/I1/83
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