532nm长脉冲激光致GaAs热分解损伤的半解析法分析

考虑到GaAs具有受热分解的特性,采用热传导理论和半解析法研究了波长532nm的毫秒量级长脉冲激光致GaAs的表面热分解损伤．首先,建立了激光辐照GaAs的二维轴对称瞬态温度场及表面热分解损伤阈值的计算模型,模拟了吸收率不同时,GaAs的瞬态温度场分布及热分解损伤阈值．计算结果表明：较高的吸收率引起GaAs表面的温升较高,但所需的热分解损伤阈值较低;增加作用激光能量密度,GaAs表面发生热分解损伤随之提前．本文研究结果对激光与GaAs相互作用及其损伤机理的研究具有指导意义和实用价值．     

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.     

1.06μm连续与脉冲激光对GaAs材料的联合破坏效应

 通过1.06μm连续激光和脉冲激光联合破坏GaAs材料的实验研究, 给出了GaAs材料在三种不同的连续激光功率密度辐照下, 所需脉冲激光的破坏阈值, 结果表明, 联合破坏时所需脉冲激光的破坏阈值小于单独使用脉冲激光的破坏阈值。根据轴对称二维热模型, 计算了三种情况下连续激光辐照时GaAs材料的表面温度分布曲线及表面辐照中心处温升随辐照时间的关系, 并估算了其后作用的脉冲激光对材料的温升, 对实验及计算结果进行了分析, 并着重比较了联合破坏方式和单独破坏方式的优缺点。     

波段外脉冲激光对锗透镜热冲击效应的数值与实验研究

基于热传导及热弹性力学的基本关系式,建立了激光辐照锗透镜的热力耦合数学物理模型,对瞬态热传导方程和应力平衡方程进行有限元数值求解,得到了锗透镜的温度场和应力场分布,并利用波长1.06 μm,脉冲宽度10 ns的Nd∶YAG脉冲激光对锗透镜进行了热冲击实验研究.数值分析表明,热应力损伤在锗透镜的脉冲强激光损伤中占据主导地位,在短脉冲激光辐照下,锗透镜出现热应力损伤的激光能量密度小于出现熔融损伤的激光能量密度,热应力损伤主要集中在光斑中心区域并体现为压应力损伤,将使材料表面出现裂纹或剥落,实验结果与数值分析基本相符.     

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。     

1.06μm连续与脉冲激光对GaAs材料的联合破坏效应

通过1.06μm连续激光和脉冲激光联合破坏GaAs材料的实验研究, 给出了GaAs材料在三种不同的连续激光功率密度辐照下, 所需脉冲激光的破坏阈值, 结果表明, 联合破坏时所需脉冲激光的破坏阈值小于单独使用脉冲激光的破坏阈值。根据轴对称二维热模型, 计算了三种情况下连续激光辐照时GaAs材料的表面温度分布曲线及表面辐照中心处温升随辐照时间的关系, 并估算了其后作用的脉冲激光对材料的温升, 对实验及计算结果进行了分析, 并着重比较了联合破坏方式和单独破坏方式的优缺点。     

毫秒脉冲激光辐照硅基PIN的温度场应力场数值分析

为了研究毫秒脉冲激光辐照硅基PIN多层结构产生的温度场和应力场的特点,本文基于热传导理论和弹塑性力学理论,利用等效比热容法处理相变潜热,考虑多个热源,尤其是底层铝电极反射的影响,并考虑硅基PIN探测器每层材料参数的非线性影响,采用有限元模拟软件COMSOL Multiphysics,对毫秒脉冲激光辐照硅基PIN多层结构的过程进行了二维数值模拟,得到了材料表层及内部各层的瞬态温度场与应力场的时空分布和变化规律.结果表明,底层铝电极对激光的反射,使得在底层铝电极处及附近硅层的温度都略有升高.在此基础上,分析了毫秒脉冲激光辐照硅基PIN的硬破坏机理,即熔融前力学损伤导致硅基PIN探测器的功能失常.     

纳秒级脉冲激光诱导Zn掺杂过程中GaN/Al2O3 材料的温度分布及热形变解析分析

分析了纳秒级脉冲激光作用下GaN的激光诱导Zn的掺杂过程.利用简化的一维模型,给出一种比较直观的脉冲激光辐照下GaN/Al2O3材料温度分布的解析形式,得到了GaN材料表面温度与激光辐照时间的关系以及材料形变与深度的关系.在激光脉冲作用时,GaN材料表面的温度与辐照时间的平方根成正比.脉冲过后,材料温度分布梯度和热形变分布随深度发生变化,接近表面的温度梯度最大,热形变量也最大.而在连续脉冲作用时表面的温度呈锯齿状不断升高.     

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。     

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。     

纳秒级脉冲激光诱导Zn掺杂过程中GaN/Al2O3材料的温度分布及热形变解析分析

分析了纳秒级脉冲激光作用下GaN的激光诱导Zn的掺杂过程.利用简化的一维模型，给出一种比较直观的脉冲激光辐照下GaN/Al₂O₃材料温度分布的解析形式，得到了GaN材料表面温度与激光辐照时间的关系以及材料形变与深度的关系.在激光脉冲作用时，GaN材料表面的温度与辐照时间的平方根成正比.脉冲过后，材料温度分布梯度和热形变分布随深度发生变化，接近表面的温度梯度最大，热形变量也最大.而在连续脉冲作用时表面的温度呈锯齿状不断升高. 关键词： 激光诱导 2O₃')" href="#">GaN/Al₂O₃ 温度分布 热形变     

纳秒脉冲激光诱导CCD探测器铝层金属液-固相变时间特性研究

从理论仿真计算方面开展了脉冲激光诱导CCD探测器铝层金属温升变化的液-固相变时间特性研究。通过傅里叶热传导方程计算仿真了纳秒激光诱导CCD探测器铝层金属材料的温升曲线,获得了铝层金属材料液-固相变起始时刻和液-固相变时间长度随激光脉冲峰值功率和激光入射角度的变化规律。理论计算结果表明,随着入射激光脉冲峰值功率增加,激光诱导CCD探测器铝层表面的最高温度逐渐升高,铝层材料的液-固相变起始时刻往后延迟,且液-固相变时间长度增加;随激光入射角度的增大,铝层表面的最高温度逐渐降低,液-固相变起始时刻不断前移,而液-固相变时间长度逐渐变短。研究结果表明,激光脉冲峰值功率密度和激光入射角对激光诱导CCD探测器的液-固相变时间特性有重要影响,对揭示纳秒激光诱导CCD探测器的热损伤机制有重要的理论意义。     

连续激光辐照GaAs材料损伤的数值模拟计算

基于热传导理论,构建了高斯分布的连续激光辐照GaAs材料的二维轴对称非稳态物理模型,且利用多物理场直接耦合分析软件COMSOL Multiphysics求解热传导方程得到了材料表面温度分布曲线以及光斑中心处温度沿厚度方向分布曲线,并得出GaAs材料的分解损伤时间与入射光功率密度的关系曲线.研究表明,在连续激光辐照下,GaAs材料可能会发生分解损伤,激光功率越高,材料被破坏所需的时间越短.理论计算结果与相关的实验结论一致,说明所建立的激光辐照效应模型具有科学性.     

脉冲激光辐照GaAs材料热效应研究

为了研究脉冲激光辐照GaAs材料的热效应,采用软件COMSOL Multiphysics构建了高斯脉冲激光辐照半导体材料的温升物理模型,分析了1 064nm纳秒级脉冲激光辐照半导体材料GaAs的热效应.通过求解热传导方程计算了不同功率密度激光辐照GaAs材料的径向与纵向温度场分布,讨论了单光子吸收、双光子吸收及自由载流子吸收对辐照材料的温升贡献.计算结果表明:当激光功率密度升至1010 W/cm2,自由载流子对材料的温升贡献已超过单光子吸收对材料温升的贡献而占主导位置;当激光功率密度降至108 W/cm2以下时,两种非线性吸收对材料温升的贡献可以忽略.该结果与相关实验基本相符,表明了构建的物理模型具有科学性.     

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。     

物理参数变化对短脉冲激光激励温度场的影响

 为研究多物理参数（耦合系数、电子热导率、电子热容、晶格热容）同时随温度变化对短脉冲激光辐照金属材料产生温度场分布的影响,基于双温耦合理论,建立了短脉冲激光辐照金属材料金的加热过程的有限元求解模型。在同时考虑脉冲激光的空间、时间分布和多参数同时随温度变化的情况下,得到短脉冲激光辐照金属材料金激励产生的温度场二维瞬态分布,并进一步比较了多物理参数同时随温度变化和采用室温物理参数两种情况下温度场分布的区别。数值结果表明：多物理参数同时随温度变化使电子温度和晶格温度的上升变快,最大值变大,而且使得材料中激光穿透直接辐照到的区域温度变高。     

激光输出不稳定性对激光与物质热作用的影响

研究了激光与物质相互作用中激光输出不稳定性对材料中温度场颁的影响以及减少这种影响的途径。首次在激光热传导方程中引入噪声项,推导了噪声影响下该激光热传导方程的解。研究发现,温度场的分布受噪声的影响,材料表面温度的涨落较大,而材料的深处涨落较小;温度场的涨落还和激光加热的过程有关,随激光加热时间的增长,温度场的涨落增大。此外,材料的热传导系数、热扩散率和发射率均对温度场的涨落有影响。文中还提出了减小激     

长脉冲激光辐照下单层HfO2薄膜的温度场分析

激光系统中的光学薄膜极易受到高能激光的辐照而产生热损伤,因此研究长脉冲激光作用下光学薄膜的温度场非常重要。建立了二维轴对称杂质模型,使用有限元方法计算了单层HfO2薄膜材料的瞬态温度分布,进一步分析了铂金杂质粒子的吸收系数、填满深度对膜层及其基底最大温升的影响。结果表明：相比于纯净HfO2薄膜,当薄膜中杂质粒子深度为100 nm时,其表面最大温度增加1倍左右;当粒子深度大于750 nm时,基底温度高于薄膜表面温度,从而可以使热损伤从薄膜基底开始。研究结果对于长脉冲激光系统中的光学薄膜的制备和预处理,具有一定的指导意义。     

多脉冲激光对K9玻璃的表面损伤实验研究

 实验研究了波长为1 064 nm、脉宽为10 ns、重复频率为1 Hz的激光脉冲对K9玻璃的表面损伤特点,给出了脉冲透过能量随激光脉冲作用次数变化的规律。采用3维立体显微镜对损伤形貌进行观察,发现K9玻璃的损伤表面呈环状分布,分为烧蚀区、微裂纹区和断裂区。随着激光脉冲个数的增加,损伤由点状破坏演变为损伤区,微裂纹逐渐增长,损伤面积逐渐增大。基于激光支持的爆轰波理论分析,激光与脆性材料的相互作用可引起微裂纹的大量增长。在多脉冲激光的作用下,K9玻璃损伤的累积效应明显,表面损伤阈值明显降低,表面裂纹增长明显,损伤面积逐渐增大;但随着激光脉冲的继续增加,这种损伤趋于稳定。     

激光作用下的铝管热参数的变化对温度场的影响

用有限元方法数值模拟了脉冲激光作用于铝管时所产生的温升情况。比较了物理参数随温度变化和不随温度变化两种情况下的温度场的区别,分别给出了两种情况下的温度随角向的分布曲线。结果表明:物理参数随温度的变化对整个瞬态温度场的影响很大,为在热弹条件下在激光激发管状材料时的超声导波的研究提供了定量的基础。