脉冲激光对类金刚石（DLC）薄膜的热冲击效应研究

强激光辐照红外热像系统时，可造成系统的干扰和破坏，激光的波长不同，对系统的破坏效果也不同.为了保护红外系统窗口以及提高窗口的透过率，红外窗口广泛沉淀类金刚石（DLC）薄膜.当入射的激光波长位于红外系统响应波段外时，激光对系统的破坏首先是激光对DLC薄膜的破坏.以波长为1.06μm的激光为例，研究了脉冲激光对DLC薄膜的损伤机理，建立了DLC薄膜的热冲击效应模型，并通过求解热传导和应力平衡方程，得出了薄膜的温度场和应力场分布.理论分析表明，热应力破坏在脉冲强激光对DLC膜的损伤机理中占主导地位.当 辐照能量密度为E₀=100mJ·cm^-2时，在薄膜表面距光斑中心约 40μm区域内的压应 力明显超出其断裂强度，将造成膜层的剥离、脱落.理论分析与实验结果基本相符，表明建 立热冲击效应模型的正确性. 关键词： 激光辐照 类金刚石（DLC）薄膜 热冲击效应     

连续激光辐照锗材料损伤的数值模拟研究

 以热传导理论和热弹应力理论为基础,建立了连续平顶激光辐照锗材料的二维非稳态物理模型。对受辐照锗材料的热-力场分布进行数值模拟,比较了激光辐照时间对靶材热-力场分布的影响,探讨了温度场及应力场空间梯度随半径的分布以及激光辐照时间对热-力场空间梯度的影响。计算结果表明,靶材中心温升效应最大,而应力最大值出现在光斑半径外侧;光斑边缘处温度场和应力场梯度绝对值均达到最大,随着辐照时间的延长,材料同一点温度场和应力场梯度均增大。在给定条件下,计算了靶材的损伤时间,应力损伤域值最先达到。     

0.53 μm毫秒脉冲激光对GaAs热分解损伤特性

针对波长0.53 m的毫秒脉冲激光辐照GaAs的表面热分解损伤问题,建立了二维轴对称热传导模型,在考虑材料的热物性参数随温度变化的基础上,采用有限元法模拟了材料的瞬态温度场,得到了温度场分布特征及其随时间的变化规律,给出了材料表面发生热分解损伤阈值曲线。数值结果表明:毫秒脉冲激光对GaAs作用时,热传导影响着激光作用全过程,对应的损伤机理主要为热损伤;在激光作用下,被作用表面中心处温度最高,并且首先发生热分解损伤;随着作用激光能量密度的增加,GaAs表面发生热分解损伤的时刻不断提前。     

飞秒脉冲激光作用下金属薄膜的热弹性研究

利用双曲-双温两步热传导和热电子崩力模型,考虑到晶格温度与应变速率的耦合效应,得到了用于描述飞秒激光作用下金属薄膜热力效应的超快热弹性模型。以飞秒脉冲激光辐照金属铜薄膜为例,运用具有人工粘性和自适应步长的有限差分算法,对不同能量密度和脉冲宽度条件下薄膜体内温度场和应力场的变化规律进行了数值模拟,对比分析了电子晶格耦合系数对超快加热过程的影响。结果表明,飞秒脉冲激光辐照早期为明显的非平衡加热过程,电子温度迅速升高,而晶格温度的升高却相对较慢;激光辐照早期的热力耦合效应导致薄膜前表面附近的热应力表现为压应力,随着时间的推移,热应力由压应力转变为张应力,为激光加工和激光对抗提供了理论参考。     

超快脉冲激光辐照金属薄膜热-力效应的模拟研究

基于双曲双温两步热传导和热电子崩力模型,考虑到超快脉冲激光辐照金属薄膜材料过程中的热-力耦合效应,得到了完全耦合的、非线性的超快热弹性模型.运用具有人工粘性和自适应步长的有限差分算法,以脉宽为100 fs的脉冲激光辐照200 nm厚金膜为例,对薄膜体内的电子-晶格温度及温度梯度、热应力和电子热流进行了数值模拟研究.结果表明：脉冲辐照早期为明显的非平衡加热阶段,同时形成较大的热电子崩力;电子热流出现双峰现象;超快加热引起的热应力是导致薄膜力学损伤的主要原因.     

激光对半导体材料损伤的机理研究

研究了半导体材料对激光的吸收机制。运用一维热传导方程以及载流子耦合扩散方程研究了激光与半导体材料相互作用的热输运、自由载流子输运过程。分析了半导体材料的热学损伤、力学损伤,以及光电探测器的击穿损伤机制。应用数值模拟的方法对Nd:YAG脉冲激光(1.06μm)辐照下感兴趣的半导体材料PbS内部瞬时温度场分布进行了模拟。     

复合脉冲激光辐照下三结GaAs电池的损伤特性

根据傅里叶热传导理论和热应力场理论,利用COMSOL仿真软件和Matlab软件构建了复合激光辐照下三结GaAs太阳能电池的复合损伤模型,计算了单毫秒激光和复合脉冲激光辐照下太阳能电池的温度和应力场分布。结果表明,相比单毫秒激光,复合激光辐照会产生更大范围的熔化损伤并且伴随出现明显的应力损伤,损伤面积和深度会随着纳秒脉冲激光能量密度和作用时间延时的增加而增加。能量密度增加到0.5 J/cm~2时,熔化损伤半径增大到2 mm,深度增大到1.5μm;时间延时增加到0.5 ms时,熔化损伤半径增大到1.4 mm,深度增大到1μm。     

脉冲强激光辐照下材料响应的非傅里叶效应

 研究了在多脉冲强激光辐照下靶材的热传导与热冲击特性。基于非傅里叶导热定律和热弹性理论,推导出多脉冲激光辐照下靶材温度场和热应力场的解析式;结合适当的边界条件,以不锈钢靶材为例,利用有限差分法和Matlab计算得到了多脉冲强激光辐照下靶材内部过余温度随时间和深度演化情况以及内部热应力的演化规律。计算结果表明：多脉冲激光辐照下靶材热响应在离边界不同截面处温度波形变化出现延迟性,其滞后性能与弛豫时间有关;非傅里叶解中应力波的波前十分陡峭,具有明显的热冲击性。     

重复脉冲激光辐照光学材料的热力效应

在建立高斯型重复脉冲激光辐照光学材料模型的基础上,得到了圆柱型光学材料的二维温度场和热应力的解析解.以K9玻璃为例,通过数值计算得到同条件下重复脉冲激光对光学材料的损伤阈值.研究表明：在高斯型重复脉冲激光辐照下,损伤阈值受到脉冲数目、宽度、重复频率以及脉冲激光光斑半径的影响,多数情况下K9玻璃会发生热应力损伤.     

光学窗口材料激光辐照热-力效应的解析计算研究

建立了高功率连续激光辐照透明光学材料的热力学模型,通过积分变换方法求解三维热传导方程,得出了激光辐照引起的瞬态温度场分布的精确解析解,并在此基础上进一步求得热应力场的瞬态分布。以1.315μm的高能氧碘激光辐照熔石英玻璃为例,计算了熔石英在激光辐照下的温度场与热应力场分布,分析了其激光损伤机理。研究结果表明由于熔石英具有优良的热稳定性,温度不均匀分布所产生的热应力相对较小,激光损伤主要是受辐照区域温度值超过材料熔点发生熔融破坏。理论分析结果与相关的实验结论一致,说明所建立激光辐照效应模型的合理性。     

准分子激光辐照K9玻璃的热力效应分析

基于传热学理论, 利用有限元法对KrF准分子激光辐照K9玻璃样品中的热力效应进行了数值分析, 并比较了脉冲数目和重频对损伤效果的影响。研究表明, 较低的准分子激光能量就能够使K9玻璃在表面和体内产生热应力损伤, 热应力损伤在光斑区域内主要由压缩热应力控制, 在光斑边缘和材料内部则主要由拉伸热应力控制。在激光脉冲结束时刻, 产生的温度和热应力最大, 且热应力以热冲击波的形式在材料内传播, 随时间变化而来回振荡, 逐渐减弱。这种热应力的反复冲击会对材料产生持续的损伤增长效应, 增加了材料的损伤时间, 并使材料更容易断裂。脉冲数目和重复频率对损伤效果有着较大影响, 在高重复频率下, 损伤累积效应明显。     

激光辐照下卫星筒体部分多物理建模及毁伤效应分析

激光反卫星武器是干扰、破坏星载光电仪器设备或摧毁卫星平台的重要手段。基于Fourier的非稳态导热方程,结合靶材内部的实际结构和金属材料的高温特性,通过建模与数值仿真,实现了卫星筒体在激光辐照下毁伤的仿真过程,获得了典型工况下靶材的温度、熔化深度和内部应力分布等多物理变化规律。分析了不同功率密度的激光对靶材温度场和熔化速率的影响,以及靶材内部的应力耦合现象。分析结果表明:随着激光功率密度的不断升高,靶材的毁伤速率不断增加,但在相变处其熔化速率趋于稳定;同时,在典型工况下,由于应力耦合效应靶材会在极短的时间内超出许用应力值,发生损毁。     

K9玻璃在脉冲CO_2激光作用下的热应力分析

根据已建立的理论模型,计算得到了K9玻璃受脉冲CO_2激光辐照时产生的热应力分布,研究了热应力的时间特征,在分析样品尺寸对损伤结果影响的基础上,提出了K9玻璃抗激光损伤的最佳半径。结果表明:K9玻璃产生的热应力损伤主要由环向应力控制,热应力以热冲击波的形式在样品内传播,大小随时间变化而来回振荡,且激光脉冲结束后比激光作用时间内产生的热应力要大。这说明若样品在激光加热期间产生的热应力不足以造成材料破坏,则有可能会在其后的冷却过程中产生更大的热应力,材料将会在冷却过程中发生破裂。根据样品参数对损伤结果的影响,进一步验证了K9玻璃抗激光损伤最佳半径的通用性。     

毫秒脉冲激光致硅光电二极管电学损伤的有限元分析及实验研究

为了研究毫秒脉冲激光致硅基PIN光电二极管电学损伤,基于热传导及弹塑性力学理论,在光电二极管内部材料各向同性并且P-I-N三层结构之间满足温度连续和热流平衡条件下,建立毫秒脉冲激光辐照硅基PIN光电二极管二维轴对称模型,采用有限元方法模拟分析了1064 nm Nd:YAG毫秒量级脉冲激光辐照硅基PIN光电二极管的温度场与应力场分布,并实验测量了硅基PIN光电二极管实验前后的电学参数.结果表明,激光辐照硅基PIN光电二极管时,温升使材料表面熔融、烧蚀,并且在空间上存在温度梯度变化,即激光辐照产生的热与应力使光敏面及硅晶格晶键损伤,最终造成光电探测器的探测性能下降.研究结果可为毫秒脉冲激光辐照硅基PIN光电二极管电学损伤机理奠定基础.     

1064 nm激光致熔石英损伤的数值模拟研究

为了研究1064 nm激光对增透熔石英的热应力损伤机理以及等离子体分布等效应。基于热传导和气体动力学理论,探究了毫秒激光对增透熔石英的热应力损伤和致燃损伤的理论模型,利用comsol软件模拟了1064 nm激光作用增透熔石英时材料内部的热损伤、应力损伤以及激光支持燃烧波,模拟结果表明在激光光斑半径区域内,温升较为明显,形成较大的温度梯度,激光作用区域受热膨胀,其余区域会对膨胀发生抵制,因此材料内部产生应力,其中上表面的径向应力、环向应力在激光光斑边缘附近达到最大值,应力损伤应该先从辐照中心点或激光光斑边缘附近产生,同时发现等离子体的传播是稳态的,燃烧波的最大速度发生在最初时刻,并随着扩散时间逐渐变低。     

蒸气压对激光辐照靶材烧蚀速率的影响

研究了强激光辐照碳/碳复合材料靶材引起的烧蚀现象及蒸气压对烧蚀速率的影响。基于傅里叶定律,建立了强激光辐照靶材的热传导模型,模拟了忽略蒸气压影响时烧蚀速率随功率的变化;通过Mott-smith近似方法描述了Knudsen层间断区域,分析了间断两侧表面粒子状态参数;结合质量连续方程和蒸气压与温度关系方程,并由气体状态方程描述蒸气流状态,对蒸气压条件下激光烧蚀碳/碳复合材料靶材的速率随功率变化的关系进行了数值模拟。结果表明,在高能激光对靶材的烧蚀过程中,蒸气压力变化会导致靶材的饱和蒸气温度发生变化,进而影响烧蚀速率且使其随功率呈非线性变化,与忽略蒸气压作用时的线性变化规律相差较大,从理论上解释了忽略蒸气压导致的实验数据与理论结果的差异。