纳米金颗粒可以有效增强激光诱导光学击穿效应,但不同脉冲激光下激光诱导光学击穿的机理不同。为了从微观角度揭示纳秒和飞秒激光照射纳米金颗粒过程中颗粒内部的光热转换和环境介质的变化,建立了脉冲激光加热水介质中纳米金棒的电子-声子双温度模型,结合实验研究,分析了不同激光能量密度和脉冲宽度对光热转换过程的影响,以及纳米金棒微观熔化特性的差异。结果显示,纳秒和飞秒激光照射下纳米金棒内部的电子和晶格温度的变化趋势基本一致。飞秒激光照射时纳米金棒的熔化阈值约为纳秒激光照射时的1%,纳秒激光照射时纳米金棒周围的水温更高。飞秒激光照射时纳米金棒形貌的改变主要以机械碎裂为主,而纳秒激光作用下则主要以热致纳米金棒熔化为主。

本文采用有限元软件COMSOL结合双温度模型模拟了含金纳米颗粒复合介质的光热效应和温度分布,分析了金纳米颗粒非独立散射的影响,讨论了发生光热效应时复合介质内能量的传递方式。结果表明: 将双温度模型与Fourier导热定律结合可以描述纳米颗粒及周围介质的温度变化; 与独立散射的颗粒相比,非独立散射情况下光热效应与颗粒间的耦合现象有关,并且这种耦合效应与颗粒间的距离相关。v

考虑到激光加热过程中电子和晶格之间的不平衡传热特性，将格子波尔兹曼方法(LBM)和双温度模型结合起来，建立了1个两步LBM方程，并用此方法对纳米薄膜在短脉冲激光照射过程中的热响应特性进行了模拟研究。分析了照射过程中薄膜内温度随时间及空间的变化规律；探讨了激光强度以及薄膜厚度对金属薄膜热响应的影响。研究结果表明，在照射过程中晶格温度的改变相对于电子温度的变化有明显的滞后效应，并且计算得到的电子温度响应及破坏阈值和实验结果吻合较好，说明所提出的两步LBM方程能够较好地描述激光照射过程中电子和晶格的不平衡传热现象。通过研究还发现，随着激光能量的增强以及薄膜厚度的减小，薄膜表面电子和晶格温度都有明显的升高，且电子和晶格温度达到稳定的时间均有所延迟。