脉冲激光辐照TiO2／SiO2薄膜的热效应

用1．06μm单脉冲激光辐照TiO2／SiO2薄膜，利用得到的综合参数K来计算不同能量下单脉冲激光辐照薄膜产生的温度场和热应力场，并对计算结果进行分析，获得了温度场和热应力场在激光辐照过程中的变化过程及热应力在脉冲激光辐照薄膜过程中起主导作用。     

1.06μm连续激光辐照TiO_2/SiO_2/K_9薄膜元件温升规律研究

利用1.06μm连续激光在不同强度下辐照TiO2/SiO2/K9薄膜元件,实验中用红外热像仪测量激光辐照在TiO2/SiO2/K9元件表面引起的温升随时间的变化,通过数据处理,获得激光辐照区域最高温度随辐照时间的增加而增加。同时,给出材料温升随材料发射率的变化关系。并用程序模拟不同激光强度下薄膜温度场的分布,通过实验测量数据校正数值模拟计算结果,给出TiO2/SiO2/K9薄膜元件温度随激光辐照强度和辐照时间的变化规律。并且获得在薄膜厚度方向:薄膜表面温度最高,基底与薄膜接触处温度最低;沿径向:激光辐照中心温度最高,边沿温度最低。     

1.06 μm连续激光辐照TiO2/SiO2/K9薄膜元件温升规律研究

利用1．06μm连续激光在不同强度下辐照TiO2／SiO2／K9薄膜元件，实验中用红外热像仪测量激光辐照在TiO2／SiO2／K9元件表面引起的温升随时间的变化，通过数据处理，获得激光辐照区域最高温度随辐照时间的增加而增加。同时，给出材料温升随材料发射率的变化关系。并用程序模拟不同激光强度下薄膜温度场的分布，通过实验测量数据校正数值模拟计算结果，给出TiO2／SiO2／K9薄膜元件温度随激光辐照强度和辐照时间的变化规律。并且获得在薄膜厚度方向：薄膜表面温度最高，基底与薄膜接触处温度最低；沿径向：激光辐照中心温度最高，边沿温度最低。     

强激光辐照下窗口材料靶传热及热应力破裂的解析分析

用有限Ｈａｎｋｅｌ积分变换法对轴对称强激光束辐照下平面薄靶（或薄膜）传热及热应力分布进行了解析推导，得到了随时间演变的温度场及相应的热应力场的解析解。对比有关实验，对强激光束辐照窗口材料（例如ＭｇＦ２晶体、Ｋ９玻璃）靶引起其脆性热应力破裂进行了分析，详细讨论了激光强度、激光－靶能量耦合系数、辐照时间及光斑尺寸等因素对靶的破坏的影响。     

表面杂质诱导薄膜元件的热应力损伤EI北大核心CSCD

基于薄膜元件的热力学理论,建立了强激光连续辐照下薄膜元件的热分析模型,模拟了薄膜元件表面杂质吸热后向周围薄膜进行热传递的过程,并讨论了表面洁净度等级和杂质尺寸对薄膜元件热应力损伤的影响。研究结果表明:强激光连续辐照下,表面杂质会吸收激光能量产生较大的温升,激光辐照时间越长,功率密度越大,杂质的温升也越大;吸热后,达到熔点的杂质和未达到熔点的杂质分别通过热传导和热辐射的方式向周围薄膜传递热量,通过热传导作用在薄膜元件表面引起的温升明显高于热辐射作用引起的;杂质向周围薄膜传递热量后会在薄膜元件上产生非均匀的温度梯度,进而产生热应力,热应力随着温度梯度的增加而增大,且处于一定尺寸范围内的杂质,更容易诱导薄膜元件热应力损伤;此外,薄膜元件的表面洁净度等级越高,杂质粒子的数目越多,越易于造成薄膜元件的热应力损伤。     

激光辐照VO2薄膜温度场分布及透射特性研究

为了探究VO₂薄膜受激光辐照的温度场分布,以及1 064 nm激光直接辐照100 s内至相变的激光功率密度阈值,并比较近红外和中红外波段透过率调制特性差异。首先基于COMSOL建立了薄膜受激光辐照的模型并进行了温度场仿真,然后分别测试了薄膜正反面被不同功率密度的1 064 nm激光辐照100 s内激光透过率随时间响应特性。实验中的VO₂薄膜利用分子束外延法在Al₂O₃基底上制备得到。仿真结果表明,激光功率密度为25 W·mm^-2时,50 nm厚薄膜在被辐照1 ms时间内即达到相变温度。经激光辐照实验发现:50 nm厚的VO₂薄膜正反面受1 064 nm激光直接辐照100 s内至相变的功率密度阈值分别为4.1 W·mm^-2和5.39 W·mm^-2。30 nm厚VO₂薄膜对1 064 nmn激光的透过率调制深度约为13%,对3 459 nm激光透过率调制深度约62%,说明VO₂薄膜对近红外透过率调制特性不明显。     

表面杂质诱导薄膜元件的热应力损伤

基于薄膜元件的热力学理论,建立了强激光连续辐照下薄膜元件的热分析模型,模拟了薄膜元件表面杂质吸热后向周围薄膜进行热传递的过程,并讨论了表面洁净度等级和杂质尺寸对薄膜元件热应力损伤的影响。研究结果表明:强激光连续辐照下,表面杂质会吸收激光能量产生较大的温升,激光辐照时间越长,功率密度越大,杂质的温升也越大;吸热后,达到熔点的杂质和未达到熔点的杂质分别通过热传导和热辐射的方式向周围薄膜传递热量,通过热传导作用在薄膜元件表面引起的温升明显高于热辐射作用引起的;杂质向周围薄膜传递热量后会在薄膜元件上产生非均匀的温度梯度,进而产生热应力,热应力随着温度梯度的增加而增大,且处于一定尺寸范围内的杂质,更容易诱导薄膜元件热应力损伤;此外,薄膜元件的表面洁净度等级越高,杂质粒子的数目越多,越易于造成薄膜元件的热应力损伤。     

HfO2/SiO2薄膜的激光预处理作用研究

对电子束蒸发方式镀制的HfO2/SiO2反射膜采用大口径激光进行辐照,采用激光量热计测量了激光辐射前后的弱吸收值。实验发现HfO2/SiO2反射膜在分别采用1 064 nm和532 nm的激光辐照前后薄膜吸收分别从5.4%和1.7%降低到1.4和1.2%。采用聚焦离子束技术分析了激光辐照后薄膜的损伤形态并探究了损伤原因,发现：薄膜在激光辐照下存在节瘤的地方容易出现薄膜损伤,具体表现为熔融、部分喷发、完全脱落3种形态,节瘤缺陷种子来源的差异是导致其损伤机理也存在着巨大差异的主要原因。同时这些节瘤缺陷种子来源也影响着激光预处理作用效果,激光预处理技术对于祛除位于基底上种子形成的节瘤是有效的,原因是激光辐射过后该节瘤进行了预喷发而不会对后续激光产生影响;而激光预处理技术对位于膜层中间的可能是镀膜过程中材料飞溅引起的缺陷是无效的,需要通过飞秒激光手段对该类节瘤进行祛除。     

1064 nm激光对中性密度滤光片的损伤机理研究

中性密度滤光片的典型结构是在K9玻璃上镀金属膜,来实现对激光的有效吸收.由于损伤阈值较低,严重限制了其在高能激光系统中的应用.实验研究了较高激光能量密度下滤光片的损伤形貌和损伤机理.损伤形貌的变化特征是:随着激光能量密度的增加,滤光片先出现损伤点,后以损伤点为中心产生裂纹,且裂纹长度逐渐变长,最终连接成线状和块状,导致大面积的薄膜脱落.建立了缺陷吸收激光能量升温致中性密度滤光片表面薄膜损伤的模型,计算了薄膜表面的温度和应力分布,讨论了薄膜表面不均匀温升造成的径向、环向和轴向热应力分布.理论分析显示:环向应力是造成薄膜沿径向产生裂纹的主要原因.当激光能量密度大于约2.2 J/cm²,杂质粒子半径大于140 nm且相邻杂质粒子之间的距离小于10 μ m时,裂纹才能大量连接起来引起薄膜的大面积脱落.     

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。     

热扩散效应在热声分离中的作用机理

在充满二元混合气体的声波谐振管中,振荡的气体会在径向上建立振荡的温度梯度,径向的温度梯度会引起两种组分的分子沿着不同方向进行扩散,在这种热扩散效应和热声效应的共同作用下,声波能够把混合气体中的两种组分分别带向谐振腔的速度节点和压力节点,使得混合气体在声波传播方向上逐渐分离。为了研究热声分离过程的机理,本文对一个半波长的声波谐振管进行了二维的建模,并基于可压缩的SIMPLE算法,通过求解He-Ar混合气体的速度场、温度场和一种组分的浓度场,对谐振腔内的传热传质过程进行了详细的数值模拟研究。数值模拟结果与文献的理论计算值进行了比较,结果符合良好。随后,通过研究一个周期内径向上的温度、速度和Ar的摩尔分数分布,揭示了径向上的热扩散过程,以及中间气体与边界层内气体之间的热质交换过程,完整地解释了热声分离过程的发生机理。     

基于MULTI2D-Z程序的Z箍缩动态黑腔形成过程模拟

对辐射流体力学程序MULTI-2D进行改造,增加磁场演化方程程序模块,自洽地在运动方程模块中增加洛伦兹力,在能量方程模块中增加欧姆加热,将它改造成辐射磁流体力学程序MULTI2D-Z.验证了新增磁场程序模块的可靠性,并发现温度和密度的增大会抑制磁场的扩散,负径向速度梯度的流体对流也会抑制磁场的扩散.利用改造好的MULTI2D-Z程序模拟了峰值为8 MA的脉冲电流驱动的钨丝阵Z箍缩动态黑腔形成过程.得到了X光功率(约30 TW)和能量(约300 k J)、泡沫辐射温度(约120 eV)、箍缩轨迹等模拟结果.在动态黑腔形成过程中,磁场主要分布在钨主体等离子体中;辐射向内传播,烧蚀泡沫柱而使它膨胀;辐射热波在被撞击的泡沫柱中传播,其传播速度比物质温度传播得快,当辐射热波传播到中心轴时泡沫柱中的辐射场变得比较均匀,并且除了冲击波处外辐射温度与物质温度基本上没有分离.这些模拟结果可增强人们对磁场扩散和对流规律以及动态黑腔形成机制的理解,同时表明了MULTI2D-Z程序可成为Z箍缩及其应用的新的程序模拟工具.     

新型二次电子倍增阴极构型设计与动力学过程

提出了一种可由脉冲功率驱动的新型二次电子倍增阴极构型,并对其进行了动力学过程的初步理论研究。首先,针对该二次电子倍增阴极,建立了动力学模型,获得了二次电子的位移和速度方程,讨论了电子初始出射速度对其轨迹、渡越时间和碰撞能量的影响,理论给出了渡越时间和碰撞能量的近似解析表达式。其次,通过动力学方程与Vaughan二次电子产额经验公式的耦合求解,获得了该二次电子倍增阴极的工作区间,并对其进行了细致讨论。结果表明:该新型二次电子倍增阴极二极管概念上是可行的,在涂敷高二次电子产额系数材料的圆柱形介质上施加合适的轴向和径向静电场(MV/m量级)以及轴向静磁场(T量级),可以达到电子沿阴极表面螺旋行进过程中实现二次电子倍增并最终获得电流沿轴向放大的设计目标。另外,讨论了正电荷沉积引发的二次电子倍增饱和现象,并对阴极发射电流密度进行了理论粗估,结果表明:阴极发射电流密度可达kA/cm2水平,具备强流发射特性;增加外加径向场强幅值可有效提升阴极发射电流密度。     

电子温度对霍尔推进器等离子体鞘层特性的影响

采用二维粒子模拟方法研究了霍尔推进器通道中电子温度对等离子体鞘层特性的影响, 讨论了不同电子温度下电子数密度、鞘层电势、电场及二次电子发射系数的变化规律. 结果表明: 当电子温度较低时, 鞘层中电子数密度沿径向方向呈指数下降, 在近壁处达到最小值, 鞘层电势降和电场径向分量变化均较大, 壁面电势维持一稳定值不变, 鞘层稳定性好; 当电子温度较高时, 鞘层区内与鞘层边界处电子数密度基本相等, 而在近壁面窄区域内迅速增加, 壁面处达到最大值, 鞘层电势变化缓慢, 电势降和电场径向分量变化均较小, 壁面电势近似维持等幅振荡, 鞘层稳定性降低; 电子温度对电场轴向分量影响较小; 随电子温度的增大, 壁面二次电子发射系数先增大后减少. 关键词： 霍尔推进器 等离子体鞘层 电子温度 粒子模拟     

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通过中平面活动10探针组、往复快速扫描4探针和低杂波天线口的固定4探针测量了主等离子体边缘的温度、密度、悬浮电位、径向和极向电场、雷诺协强、径向和极向等离子体流速及其径向分布。用偏滤器靶板上的14组嵌入式静电3探针阵列测量了同一环向截面的内外中性化板上的电子温度、密度、悬浮电位及其分布。比较了在孔栏位形和偏滤器位形下边缘等离子体特性的差异,特别是两种位形下边缘温度和密度衰减长度的变化。分析了在多脉冲超声分子束加料和低杂波注入条件下的边界等离子体特性,以及雷诺协强的径向梯度与极向流和径向电场梯度与湍流损失的相互关系。     

Thermal fluctuations in d-wave layered superconductors

We study the thermal fluctuations of anisotropic order parameters (OP) in layered superconductors. In particular, for copper oxides and a d-wave OP, we present some experimental consequences of fluctuations in the direction normal to the layers. It is shown that the c-axis penetration depth λ_c can have a “disorder-like” quadratic temperature dependence at low temperature. The fluctuations are analyzed in the framework of a Lawrence-Doniach model with an isotropic Fermi surface. Anisotropies pin the orientation of the OP to the crystallographic axes of the lattice. Then we study an extended t-J model that fits Fermi surface data of bilayers YBCO and BSCCO. This leads to a d-wave OP with two possible orientations and, including the thermal fluctuations, yields the announced temperature dependence of λ_c. Furthermore a reservoir layer is introduced. It implies a finite density of states at the Fermi energy which is successfully compared to conductance and specific heat measurements.     

Effects of drive current rise-time and initial load density distribution on Z-pinch characteristics

A two-dimensional, three-temperature radiation magneto-hydrodynamics model is applied to the investigation of evolutional trends in x-ray radiation power, energy, peak plasma temperature and density as functions of drive current rise-time and initial load density distribution by using the typical experimental parameters of tungsten wire-array Z-pinch on the Qiangguang-I generator. The numerical results show that as the drive current rise-time is shortened, x-ray radiation peak power, energy, peak plasma density and peak ion temperature increase approximately linearly, but among them the x-ray radiation peak power increases more quickly. As the initial plasma density distribution in the radial direction becomes gradually flattened, the peak radiation power and the peak ion-temperature almost exponentially increase, while the radiation energy and the peak plasma density change only a little. The main effect of shortening drive current rise-time is to enhance compression of plasma, and the effect of flattening initial load density distribution in the radial direction is to raise the plasma temperature. Both of the approaches elevate the x-ray peak radiation power.     

13.56 MHz/2 MHz柱状感性耦合等离子体参数的对比研究

通过Langmuir双探针和发射光谱诊断方法,对比研究了驱动频率为13.56 MHz和2 MHz柱状感性耦合等离子体中电子密度和电子温度的径向分布规律.结果表明:在高频和低频放电中,输入功率的增加对等离子体参数产生了不同的影响,高频放电中主要提升了电子密度,低频放电中则主要提升了电子温度.固定气压为10 Pa,分别由高频和低频驱动时,电子密度的径向分布均为"凸型".而电子温度的分布差异比较明显,高频驱动时,电子温度在腔室中心较为平坦,在边缘略有上升;低频驱动时,电子温度随径向距离的增加而逐渐下降.为了进一步分析造成这种差异的原因,在相同放电条件下采集了氩等离子体的发射光谱图,利用分支比法计算了亚稳态粒子的数密度,发现电子温度的径向分布始终与亚稳态粒子的径向分布相反.继续升高气压到100 Pa,发现不论高频还是低频放电,电子密度的径向分布均从"凸型"转变为"马鞍形",较低气压时电子密度的均匀性有了一定的提升,但低频的均匀性更好.