连续激光辐照对三结砷化镓电池散射光谱的特性影响

太阳能电池作为一种高效的光电转化器,被广泛地应用于光伏发电系统中。激光作为一种高亮度光源辐照电池时,会导致其出现损伤,可利用电池的表面散射光谱特性,对其损伤程度进行判别。通过目标表面散射光谱测量系统,对激光辐照后的三结砷化镓电池散射光谱进行测量,并计算双向反射分布函数(BRDF)。其中测量系统主要由FX 2000和NIR 17型光纤光谱仪组成,针对电池表面的强镜反射特性,在实验中采用了入射角和反射角为30°的测量几何模型。原始三结砷化镓太阳能电池的结构主要包括减反射膜DAR层、顶电池GaInP层、中电池GaAs层和底电池Ge层,其散射光谱特征包括可见光谱段(500～900 nm)的吸收特性及近红外谱段(900～1 200 nm)的类周期振荡特性,在对连续激光辐照损伤后电池的光谱特性进行实验测量后,得到了损伤电池光谱BRDF的变化,并结合基于薄膜干涉理论的电池散射光谱模型,对各膜层损伤后的特征进行了分析。结果表明：DAR层的主要作用是降低光谱反射能量,对光谱曲线的特性影响较小;Ge层对光谱曲线形状基本无影响;电池散射光谱吸收和干涉等特征主要由GaInP层和GaAs层所引起,其中,GaIn...     

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。     

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．     

多脉冲激光辐照下介质损伤理论研究

针对纳秒脉冲和飞秒脉冲不同的损伤机制,分别建立了两种多脉冲激光损伤模型。脉宽小于10 ps时,损伤是由于等离子体形成造成介质发生烧蚀所致,对此建立了基于电子密度演化方程的介质击穿模型;脉宽大于100 ps时,损伤是由于热沉积造成介质发生熔融所致,对此建立了基于傅里叶热传导方程的介质热损伤模型。通过计算两种模型下激光参数和材料参数对多脉冲损伤的影响,发现由于损伤机理不同,不同参数对单脉冲损伤阈值和多脉冲损伤阈值的影响趋势不完全一致,敏感程度也不同。通过计算得到了与实验结果一致的多脉冲损伤阈值与脉冲数间关系,使定量预估多脉冲损伤阈值和元件使用寿命成为可能。     

短脉冲激光辐照下金属镜面波纹损伤机理研究

用脉冲Nd：YAG激光(波长1．06μm、半高宽10ns)辐照了多种金属膜层镜面，用光学与原子力显微镜观察到某些样品损伤区或周围有规律的波纹图案，波纹周期从几微米到几十微米。通过分析实验结果，这里提出了波纹产生的光学模型，认为光路系统中某些元件的衍射或者强光与元件表面相互作用过程中产生的干涉可能会导致元件表面波纹状损伤图案。通过理论计算，初步解释了实验中波纹的周期和其他现象。     

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.     

光学材料的多脉冲激光损伤研究

研究了ＺＦ２玻璃多脉冲与单脉冲激光损伤，分析了多脉冲损伤阈值与脉冲数，脉冲间隔的关系，进行了多脉冲损伤机理的分析，得出多脉冲损伤是热和缺陷累积共同作用最终促成雪崩击穿的结果，并提出了提高抗多脉冲激光损伤的方法。     

脉冲激光原位辐照对InAs/GaAs(001)量子点生长的影响

在InAs/GaAs(001)量子点生长过程中, 当InAs沉积量为0.9 ML时, 利用紫外纳秒脉冲激光辐照浸润层表面, 由于高温下In原子的不稳定性, 激光诱导的原子脱附效应被放大, 样品表面出现了原子层移除和纳米孔. 原子力显微镜测试表明纳米孔呈现以[110]方向为长轴(尺寸: 20-50 nm)、[110]方向为短轴(尺寸: 15-40 nm)的表面椭圆开口形状, 孔的深度为0.5-3 nm. 纳米孔的密度与脉冲激光的能量密度正相关. 脉冲激光的辐照对量子点生长产生了显著的影响: 一方面由于纳米孔的表面自由能低, 沉积的InAs优先迁移到孔内, 纳米孔成为量子点优先成核的位置; 另一方面, 孔外的区域因为In原子的脱附, 量子点的成核被抑制. 由于带有纳米孔的浸润层表面具有类似于传统微纳加工技术制备的图形衬底对量子点选择性生长的功能, 该研究为量子点的可控生长提供了一种新的思路.     

氧化物薄膜抗1064nm脉冲激光损伤的特性研究

对向种氧化物介质膜料的单层膜、增透膜及高反膜的激光损伤特性进行了实验研究,分别测试了单脉冲和多脉冲１０６４ｎｍ激光的损伤阈值,分析和讨论了实验的物理现象及其结果。研究表明ＳｉＯ２、Ｇｄ２Ｏ３、Ｅｒ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３具有激光损伤阈值高、损伤程度轻的特点,特别对１０Ｈｚ激光而言,更是明显;增透膜及高反膜加λ／２层ＳｉＯ２对其激光损伤程度和损伤几率。     

多脉冲激光对光学薄膜的损伤

本文报道了1.06μm和0.35μm的多脉冲激光对光学薄膜损伤的积累效应,研究了损伤几率与激光能量和重复频率的关系。     

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。     

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。     

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。     

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.     

激光辐照下薄膜镜面波纹损伤机理研究

用透镜将脉冲激光束聚焦在铝膜镜面上,在部分样品的激光损伤边缘区,出现波纹状损伤形貌。大多数情况下,有多套波纹同时存在,在镜面形成花纹,或者其中有一两套波纹占优势。提出了脉冲激光辐照下光学元件损伤区边缘产生波纹的一种光干涉模型：认为样品表面本身存在微米级杂质颗粒或者表面缺陷点在激光辐照下首先产生鼓包变形,鼓包或杂质颗粒将激光反射（散射）在未发生变形的区域,与直接辐照在该区域的激光束产生干涉,使得变形区周围的光强呈周期性分布,当变形区进一步损伤后,则在损伤区周围留下了波纹状图案。模拟实验验证了这种设想。     

激光辐照下薄膜镜面波纹损伤机理研究

 用透镜将脉冲激光束聚焦在铝膜镜面上，在部分样品的激光损伤边缘区，出现波纹状损伤形貌。大多数情况下，有多套波纹同时存在，在镜面形成花纹，或者其中有一两套波纹占优势。提出了脉冲激光辐照下光学元件损伤区边缘产生波纹的一种光干涉模型：认为样品表面本身存在微米级杂质颗粒或者表面缺陷点在激光辐照下首先产生鼓包变形，鼓包或杂质颗粒将激光反射（散射）在未发生变形的区域，与直接辐照在该区域的激光束产生干涉，使得变形区周围的光强呈周期性分布，当变形区进一步损伤后，则在损伤区周围留下了波纹状图案。模拟实验验证了这种设想。     

激光辐照下杂质诱导光学玻璃损伤的两种机理

基于空间球对称热弹性理论,从热传导、热应力方程出发,计算了含强吸收杂质Pt的石英和K9玻璃在激光脉冲辐照下的温升场和应力分布,同时考虑杂质强吸收汽化相变行为,发现含强吸收杂质的光学玻璃的激光损伤,主要是由于温度梯度引起的热应力和杂质汽化蒸汽压的作用的结果。由于不同的热物理和力学性质,当杂质没有汽化时,石英玻璃中的热应力不会达到断裂强度,杂质汽化产生的压力是石英玻璃破坏的主要原因;对K9玻璃,即使杂质没有达到汽化温度,K9玻璃中的温度梯度产生的热应力也会超过其抗压强度而导致破裂,杂质汽化后的蒸汽压增大了破坏的程度。此外,分析了杂质颗粒大小对材料激光损伤阈值的影响,发现存在一个最有害的颗粒尺寸,含该颗粒尺寸杂质的材料激光损伤阈值最低。     

脉冲激光辐照光学薄膜的缺陷损伤模型

建立了缺陷吸收升温致薄膜激光损伤模型,该模型从热传导方程出发,考虑了缺陷内部的温度分布以及向薄膜的传导过程,通过引入散射系数简化了Mie散射理论得出的吸收截面.对电子束蒸发沉积的ZrO₂:Y₂O₃单层膜进行了激光破坏实验,薄膜样品的损伤是缺陷引起的,通过辉光放电质谱法对薄膜制备材料的纯度分析发现材料中的主要杂质元素为铂,其含量为0.9％.利用缺陷损伤模型对损伤过程进行了模拟,理论模型和实验结果取得了较好的一致性.     

不同功率密度1064 nm激光辐照下小鼠皮肤热损伤研究

通过实验和理论分析研究1064 nm激光不同输出功率对小鼠皮肤的热损伤规律。利用皮肤镜与光学相干断层成像(OCT)评估小鼠皮肤组织热损伤程度;参考Arrhenius热损伤方程进行理论分析,并与实验结果对比。结果显示,当激光连续辐照时间为400 ms时,激光输出功率密度小于958 W/cm²时,激光辐照处泛红;激光输出功率密度为958～1160 W/cm²时,损伤呈白色水疱状;激光输出功率密度为1160～1370 W/cm²时,损伤呈浅坑状焦黄斑,损伤斑周围伴一圈鼓起的白色皮肤水疱;激光的功率密度在1370～2190 W/cm²,损伤呈红色坑状斑,损伤斑周围伴黑黄色焦痂。