Temperaturfeldberechnung

Die Berechnung des Temperaturfeldes erfolgt durch numerische Lösung einer Wärmeleitungsgleichung. Dies kann zum einen durch die klassische Wärmeleitungsgleichung nach Fourier und zum anderen durch Anwendung des Zwei-Temperatur-Modells für ultrakurze Laserpulse realisiert werden. Nachfolgend sollen daher kurz verschiedene Beispiele und Berechnungsmöglichkeiten, der am Laserinstitut Hochschule Mittweida verfügbaren Berechnungsmodule, dargelegt werden.

Klassische Wärmeleitungsgleichung

Die klassische Wärmeleitungsgleichung beruht auf der Annahme, dass die Elektronen ihre absorbierte Energie bereits an das Atomgitter abgegeben haben, wodurch die Elektronen- und Phononensystem thermalisiert und die gleiche Temperatur aufweisen. Beide Systeme werden somit durch eine einzige Wärmeleitungsgleichung

beschrieben.   

Alle beinhalteten Größen können temperaturabhängig eingebunden werden. Die Wärmequelle wird, je nach Anwendungsfall, analytisch oder aus dem Modul zur Berechnung der Laserstrahlpropagation implementiert. Letztere Möglichkeit bietet die Möglichkeit Mehrfachreflexionen und dabei auftretende Interferenzen während des Bearbeitungsprozesses zu berücksichtigen. Ebenfalls kann die Laserstrahlung gepulst oder kontinuierlich implementiert werden.

 Zwei-Temperatur-Modell (TTM)

 

Bei Verwendung von ultrakurz gepulster Laserstrahlung mit einer Pulsdauer von mehreren 10 Femtosekunden bis zu wenigen Pikosekunden, kann die Wechselwirkung der Laserstrahlung mit dem Material nicht mehr mit der klassischen Wärmeleitungsgleichung beschrieben werden, sondern eine separate Betrachtung des Elektronen- und Phononensystems muss erfolgen.

 

 

 

 

 

M. Olbrich, E. Punzel, P. Lickschat, S. Weißmantel, A. Horn:
Investigation on the Ablation of thin Metal Films with Femtosecond to Picosecond-pulsed Laser Radiation,
In: Physics Procedia 83 (2016), S. 93-103

M. Olbrich, E. Punzel, R. Roesch, R. Oettking, B. Muhsin, H. Hoppe, A. Horn:
Case study on the ultrafast laser ablation of thin aluminum films: dependence on laser parameters and film thickness,
In: Applied Physics A 122 (2016), Nr. 3, S. 215

M. Olbrich, P. Lickschat, L. Schneider, J. Schille, U. Löschner, S. Weißmantel, A. Horn:
Simulation der Temperaturverteilung in Gold und Platin infolge der Bestrahlung mit ultrakurzen Pulsen,
In: Scientific Reports, Journal of the University of Applied Sciences Mittweida 4/2015, S. 175-178

A. Streek, P. Regenfuss, H. Exner:
Fundamentals of Energy Conversion and Dissipation in Powder Layers during Laser Micro Sintering,
In: Physics Procedia 41 (2013), S. 851-862

A. Fischer, P. Lickschat:
Simulation der Temperaturfelder in Festkörpern infolge der Bestrahlung mit ultrakurzen Laserpulsen im Piko- und Femtosekundenbereich,
In: Scientific Reports, Journal of the University of Applied Sciences Mittweida 2/2012, S. 58-61

A. Fischer, I. Belev:
Simulation von laserinduzierten 3D Temperatur- und Spannungsfeldern,
In: Scientific Reports, Journal of the University of Applied Sciences Mittweida 4/2009, S. 127-130

U. Löschner, H. Exner:
FEM calculations on laser bending of silicon with a moving laser source,
In: Proceedings of SPIE 5455 (2004), S. 407-414

M. Sachs, A. -M. Nagel, H. Exner:
Modellierung von Temperatur- und Spannungsfeldern zum Laserschweißen von Keramik,
In: Lasermagazin 6/1999, S. 17

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