《Computer Physics Communications》：A lumped particle direct simulation Monte-Carlo method combined with the collisional-radiative model for simulations of non-equilibrium laser-induced plasma plumes
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本文提出了一种创新的混合计算框架lDSMC-CRM，将用于中性气体流动的直接模拟蒙特卡罗（DSMC）方法与碰撞辐射模型（CRM）相耦合。该框架采用集总粒子方法和原子谱粗粒化技术，旨在解决激光诱导等离子体羽流在密度、温度和电离度剧烈变化条件下的非平衡效应模拟难题。研究通过与局域热力学平衡（LTE）模型进行点对点对比，证实了所提方法在模拟纳秒激光脉冲烧蚀铜靶产生的等离子体羽流（包括空间均匀弛豫及一维、二维膨胀）时，能显著提升对激光辐射吸收（即等离子体屏蔽效应）的预测精度。本文强调，在激光与材料相互作用、激光制造等领域，忽略非平衡效应将导致对羽流结构与能量吸收的严重误判。
重要发现
（原文内容对应“Section snippets”中的部分，此处根据摘要和引言部分信息，以生动专业的语言阐述其主要思想）
在典型技术应用（如激光烧蚀）中，低温碰撞等离子体具有极其广泛的时空流场条件变化。其数密度变化范围可从零至~1021cm-3，温度可从室温以下跨越至数万开尔文，电离度（离子与总密度之比）可在0到1之间变化。这种高度的变异性导致激发、电离、热弛豫和平移弛豫的特征时间尺度从飞秒到毫秒不等，且可能与羽流膨胀和激光照射的特征时间（如纳秒激光脉冲的持续时间）相当或更长。因此，平衡与强非平衡区域可以在同一等离子体流中共存，这使得使用最先进的动力学和流体力学等离子体模型来研究非平衡激光诱导等离子体羽流变得不可行甚至不可能。
现有的多数计算研究使用基于Navier-Stokes方程的流体力学模型，这些模型结合了不同的电离和激发模型。然而，流体力学模型无法解释平移非平衡效应（例如，在低密度羽流区域）。因此，它们不能用于模拟羽流向真空或低密度背景气体的膨胀，而这种情况对于脉冲激光沉积（PLD）等应用非常重要。尽管激光烧蚀领域普遍认为激光诱导羽流是在强电离和激发非平衡条件下演化的，但最近发表的大多数计算研究仍基于平衡等离子体模型。
主要假设
本研究开发的计算模型旨在高保真度地预测短激光脉冲期间羽流对激光辐射的吸收以及脉冲期间和脉冲后不久的羽流膨胀动力学。该模型基于碰撞辐射模型（CRM）常用的假设。此外，还假设：
- 1.
烧蚀羽流和背景气体由单原子物种组成。
- 2.
等离子体是局域中性的。
- 3.
激光辐射的散射和辐射俘获过程可以忽略不计。这允许将辐射场视为单向光束，其强度仅因吸收和受激发射而衰减。
结论与展望
（原文内容对应“Conclusions and outlook”部分）
本研究提出了一种新颖的混合计算方法，它将用于中性气体流动的直接模拟蒙特卡罗（DSMC）方法与碰撞辐射模型（lDSMC-CRM）或平衡模型（lDSMC-EQM）相结合。该方法利用集总模拟粒子，允许准确表示处于高能电子态的微小粒子份额，同时保持模拟粒子的恒定统计权重。lDSMC-CRM框架旨在解决复杂原子谱（如铜和氩）带来的数值挑战，通过特殊的粗粒化技术，在降低计算成本的同时确保数值收敛。
研究通过纳秒激光脉冲在真空或背景气体中辐照铜靶诱导产生的等离子体羽流的空间均匀弛豫以及一维和二维膨胀模拟，对新方法进行了验证。与非平衡模型的直接对比表明，非平衡效应对定量准确预测等离子体屏蔽效应至关重要。研究表明，广泛使用的基于Saha电离方程的模型，在纳秒激光烧蚀金属靶的典型条件下，无法用于研究激光-等离子体相互作用。
这项工作开发的模型已集成到等离子体模拟与随机并行动力学代码PlaSMoSParKC中。该代码包含了用于一般用途的MPI并行DSMC求解器、碰撞辐射模型求解器、平衡电离模型求解器以及用于激光辐照材料靶的热模型的求解器。
