90年代以来,微/纳米技术发展迅速,随着器件结构尺寸的减小,加工特征时间的缩短,都进一步对传统的流体力学和传热学提出了挑战。为了弄清空间和时间微尺度条件下流动和传热的特点和规律,国际上正在逐渐形成一个微尺度传热的新的分支学科。飞秒脉冲激光加工技术就是微尺度传热学中一个非常典型的应用。与传统的加工制造方法相比,飞秒激光具有实现“无热”加工,超高速熔化凝固,以及能在透明材料内部加工等诸多优点。并且飞秒激光已经被广泛应用到了材料科学,生物科学,医学,航空航天技术等各个领域当中。虽然飞秒激光加工技术的优点诸多,其应用前景也非常广泛,然而要精确地控制飞秒激光的加工过程是一个难度很大的课题,它是一个同时涉及到“微空间”和“微时间”的综合性微尺度传热问题。另外,在微尺度传热学中涉及到许多现代物理学的理论和方法,如何从海量的信息中寻找到恰当的线索,从而建立发展成一套完整的知识结构体系,这对于发展理论科学至关重要。论文分别从宏观传热理论、介观传热理论、微观传热理论,以及微尺度辐射的角度对飞秒激光加工过程进行了研究。介绍了不同理论的一些进展,建立、发展、推导了在不同理论下所对应的一些数值计算方法。论文的工作可以分为以下四个部分:(1)宏观传热理论方面我们介绍了宏观传热理论在飞秒激光加工过程中的应用。细致比较了两种主要的连续介质模型——抛物线两步(PTS)模型和双曲线两步(DHTS)模型。研究内容包括:在未发生熔化前的温度分布;热波效应;熔化凝固过程。结果表明DHTS模型的模拟结果更符合实验数据。并且发现DHTS模型描述的传热过程会产生热波叠加、反弹的现象。在此基础上论文还推导出了一个基于DHTS模型的新的界面方程。(2)介观传热理论方面我们采用介观方法对于激光加工过程的进行描述,介绍了波尔兹曼输运方程的由来,以及格子波尔兹曼方法(LBM)。将经典的LBM应用到激光加工技术中,提出了一个含有电子晶格碰撞项的两步波尔兹曼方程。并将两步波尔兹曼方程预测结果与实验结果进行了比对,结果表明当脉冲宽度大于电子弛豫时间时,两步波尔兹曼方程的预测结果与实验结果较为吻合。其次,我们推导出了一个新的碰撞项,并提出了一种拓展格子波尔兹曼方法,并将其与双延迟模型的解析解进行了比对。(3)微观传热理论方面我们采用微观方法对于纳米材料的熔化特性进行描述。用分子动力学方法分别对金块和纳米金箔进行了模拟。在金块模拟过程中,发现由于熔化潜热的释放,金的平均内能会在1300 K时发生突变,这一点与实验测量结果较为吻合(实验测量的熔点为1336 K)。当温度处于1200 K以下时,金原子的晶格结构基本能够保持得比较完好,而当温度达到1300 K时,金原子的空间分布呈现出无序的排列形式。在纳米金箔的研究中,发现随着厚度的减小,分子的平均内能也会随之增加,金箔的熔点会减小。对于厚度约为1.2 nm的金箔,其熔点温度降至900 K左右。(4)微尺度辐射方面我们介绍了激光烧结过程中的微尺度辐射效应以及散射问题对激光烧结的影响。论文引入了一个分部函数,根据Mie散射理论提出了一个计算分布函数的Monte Carlo方法。对于黑体颗粒(不考虑散射效应),激光源项的分布中存在3个峰值,颗粒底部附近的吸收光强趋向于0。同时我们得到了在黑体假设下的一个近似的解析解。如果考虑颗粒的散射影响,颗粒底部的光强要大于黑体颗粒底部的光强。论文的研究为飞秒激光加工技术提供一定的理论指导,同时也为发展微尺度传热的理论体系提供一定的帮助。最后需要指出的是,我们在各个理论方面的研究仅仅处于入门阶段,其发展潜力是非常巨大的。我们还需要作出更多的努力,以及更多从事微尺度传热研究的学者们的指导与帮助。