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。     

亚皮秒脉冲激光辐照硅薄膜热效应的模拟研究

基于Boltzmann方程,采用了Chen J K等人建立的自相关模型,考虑了Si薄膜的热容、热导率、弛豫时间等热力学参量随温度非线性变化的影响.采用有限差分法,数值求解了脉宽为500 fs的激光脉冲辐照2 μm厚硅膜的自相关模型.分析了膜表面载流子浓度、载流子温度、晶格温度等随入射激光功率和脉宽等的变化规律.结果表明：在脉冲辐照初期（t<0.68 ps）,载流子和晶格之间存在着明显的非热平衡性,之后通过相互之间的弛豫碰撞,逐渐达到热平衡,载流子热容是引起载流子温度在早期迅速上升的原因;载流子温度速率方程中单光子吸收、载流子-晶格能量交换和载流子能流变化率对载流子温升影响较大,而多光子吸收、双极能流和带隙能量变化率对载流子温升的影响较小,可以忽略;较高脉冲激光能量（Ф＞0.02 J·cm－2）辐照Si膜,会引起载流子密度方程中的俄歇复合项增大,从而使载流子密度下降率增大,导致载流子温度出现双峰.     

强激光脉冲与透明固体相互作用机制

本文论述了光学元件激光辐照损伤的标准,从光子与声子相互作用的机制出发,导出了固体材料的能量吸收速率;解热传导方程,求出材料温升及温升率,以SiO2为例,得出激光阈值功率密度随脉冲时间的变化规律。理论计算与实验基本符合。     

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。     

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.     

1 319 nm连续激光辐照皮肤组织的光热效应实验研究

实验测定了离体人皮肤组织在1 319 nm连续Nd:YAG激光辐照下径向和轴向不同位置的温度分布,研究了激光辐照功率密度和作用时间对皮肤组织温升分布的影响.结果表明,皮肤组织中的温度分布与探测位置、激光辐照功率密度以及作用时间密切相关;激光输出功率密度15.80 W/cm2时安全辐照时间阈值为120 s,功率密度48.92 W/cm2时安全辐照时间阈值为6 s.     

GaAs半导体中三光子吸收系数的光学测量

本文首次报道了采用非线性光透射技术(NLT)测量λ=2.06μm激光激发下GaAs本征半导体中三光子吸收的实验研究.观察到了三光子吸收及所伴随的自由载流子的激发态吸收,并测得了三光子吸收系数.实验测量结果与理论计算结果比较,符合较好.     

CWCO_2激光辐照下硅的光吸收特性

本文基于半导体材料硅(Si)中电子、空穴的费米统计分布,计算了Si对CO_2 激光的透射率随温度的变化,并用实验理论作了验证.说明在强CO_2激光辐照下,Si对CO_2激光能量有着强烈的吸收,其机理主要是自由载流子吸收.     

半导体激光无线传能中光伏电池转换效率

为选择合适的激光参量与光伏电池参量,以提高激光无线能量传输(LWPT)系统的能量转换效率,通过实验研究了LWPT系统中能量接收单元,也即光伏电池在半导体激光照射下的输出特性。通过波长为808 nm和915 nm的激光辐照GaAs和Si光伏电池,研究了不同激光功率密度、光伏电池温度、电池类型以及激光入射角度对光伏电池输出特性与能量转换效率的影响。实验中,在波长为808 nm的激光功率密度从0.06 W/cm2上升至0.37 W/cm2的过程中,Si电池的最大输出功率从0.12 W上升至0.32 W,能量转换效率从50.9%下降至21.2%;GaAs电池的最大输出功率从0.40 W上升到1.07 W,能量转换效率从57.9%下降至23.8%。随着激光功率密度的增加,光伏电池的输出功率先增加而后趋于饱和,但是高功率密度激光引起的电池温升会导致其光电转换效率的下降,所以激光功率密度的选择与光伏电池温度的控制是提高LWPT系统能量转换效率的关键因素。     

ZnS与SiO_2材料的短脉冲激光热损伤特性比较

对SiO2和ZnS这两种常用的红外光学材料在红外短脉冲激光辐照下的热损伤特性进行了研究,分析了相同激光辐照条件下两种材料的热效应,另外也针对同种材料不同辐照条件下的热效应进行比较。分析结果表明:红外激光作用下,SiO2材料的表面温升快于ZnS材料,而在材料内部,则后者快于前者。脉冲辐照结束时SiO2材料的表面峰值温度高于ZnS材料,但ZnS材料产生温升的深度大于SiO2材料。由于能量更为集中,材料在皮秒激光作用下温升高于纳秒激光作用下的温升。若材料的峰值温度达到熔点,则激光的单脉冲能量随脉冲宽度的减小呈非线性减小趋势,且变化率越来越大。     

光伏半导体器件对能量小于禁带宽度光子的响应机理研究

利用光子能量为0.12 eV的10.6 μm连续激光分别辐照了禁带宽度为0.91和0.33 eV的光伏碲镉汞探测器. 实验表明,激光辐照下禁带宽度为0.91 eV的探测器输出正电压,而禁带宽度为0.33 eV的探测器对激光的响应方向却与之相反. 为了研究此现象,利用功率密度一定的10.6 μm激光辐照不同开路电压状态下禁带宽度为0.91 eV的探测器,实验结果证实初始开路电压是产生输出电压反向现象的原因. 对这一机理进一步分析发现,光伏探测器在光子能量小于禁带宽度的激光辐照下,其开路电压是热激发载流子导致的热生电动势和自由载流子吸收导致的晶格热效应共同决定的. 关键词： 能量小于禁带宽度的光子 光伏碲镉汞探测器 热生电动势 晶格热效应     

GaAs在光通讯波段的超快非线性光学研究

采用Z-扫描和泵浦-探测技术,在光通讯波段对砷化镓(GaAs)单晶进行了非线性动力学以及非线性光学的实验研究.飞秒泵浦-探测实验结果表明,三阶非线性光学效应源于砷化镓单晶对飞秒激光的瞬态双光子吸收,而五阶非线性光学效应源于砷化镓单晶双光子吸收诱导的自由载流子吸收效应.通过Z扫描实验,得到了关于GaAs单晶所有的非线性光学参数,包括双光子吸收系数、三阶非线性折射系数、双光子吸收诱导的自由载流子吸收截面以及双光子吸收诱导的自由载流子折射截面.结果表明,砷化镓单晶在制造光限幅器件和光电探测器方面具有良好的发展前景.     

光伏型光电探测器的激光软损伤机制

 对激光辐照功率密度高于探测器饱和阈值而低于其破坏阈值（中等功率的激光）时光伏型光电探测器的软损伤进行了理论研究，提出了一种新机制。当激光辐照功率密度超过探测器的饱和阈值以后，载流子的带间跃迁达到深度饱和，在半导体内产生热载流子且热载流子的温度高于晶格的温度，从而导致了光伏型光电探测器的电压输出信号随着辐照光功率密度的增加而下降直到零压输出的现象。对激光辐照下光伏型HgCdTe探测器的输出信号进行了模拟计算，结果表明，辐照光功率密度处于一定范围内探测器的输出信号随着辐照光功率密度的增加而逐步下降，甚至接近于零，与实验结果相符合。     

光导型HgCdTe光电探测器对双波段组合激光辐照动态响应的数值模拟

采用数值方法,考虑波段内激光的本征载流子带间跃迁吸收和波段外激光的自由载流子带内跃迁吸收的光吸收机制,以及器件温升对载流子寿命、浓度、迁移率和光吸收系数等材料参数的影响,通过求解粒子数平衡方程和热传导方程的联立方程组,研究了PC型HgCdTe光电探测器在波段内和波段外双光束组合激光辐照下的动态响应过程.计算结果证实了探测器对波段内和波段外激光的电压响应方向相反;结果显示探测器对波段外激光的反向电压响应随波段外激光功率升高迅速增大,线性区间的波段内背景光辐照使波段外光响应迅速增大,随波段内激光使探测器趋于饱和,波段外光响应逐渐减小.     

双波长自由载流子吸收技术测量半导体载流子体寿命和表面复合速率

提出了采用双波长自由载流子吸收技术同时测量半导体材料载流子体寿命和前表面复合速率的方法.通过数值模拟,定性分析了不同载流子体寿命和前表面复合速率对信号的影响,同时对测量参数的可接受范围和不确定度进行计算并与传统频率扫描自由载流子吸收方法测量结果进行比较.结果表明：提出的双波长自由载流子吸收方法可明显减小载流子体寿命和前表面复合速率的测量不确定度,提高参数测量精度;表面杂质和缺陷越多的样品,其前表面复合速率测量不确定度越小.进一步分析表明,此现象与不同波长激光抽运产生的过剩载流子浓度分布不同有关.     

光斑尺寸对光学薄膜元件温升的影响

 实验测量了波长1 064 nm, 10 kHz高重复频率激光辐照下在白宝石、石英玻璃、K9基片上制备的Ta₂O₅/SiO₂高反膜的温度变化,有限元分析的结果与实验结果相一致。用ANSYS程序计算了不同光斑直径、相同功率激光和相同功率密度激光辐照下薄膜元件温升的变化。结果表明：相同功率激光辐照光学薄膜元件时,光斑大小只影响激光辐照点的温升,对基板温升没有影响。基板温升只与激光功率有关,激光功率越大,基板温升越大。相同功率密度激光辐照光学薄膜元件时,光斑越大,激光辐照点温度及基板温度均越高。从激光损伤的热效应考虑,小光斑激光辐照时,光学薄膜的激光损伤阈值较高。     

脉宽对中红外激光带内损伤HgCdTe材料的影响

研究了脉宽对于中红外脉冲激光带内损伤碲镉汞（HgCdTe）材料阈值的影响,使用一维自洽模型对激光辐照HgCdTe材料程中的载流子数密度,载流子对数目流,载流子对能流,载流子温度和材料晶格温度等相关参数进行仿真计算。仿真结果表明,波长2.85 μm,脉宽30 ps～10 ns单脉冲激光带内辐照HgCdTe材料的损伤阈值为200～500 mJ/cm2。其中,300 ps～3 ns脉冲激光的损伤阈值相近,均为200 mJ/cm2且低于其他脉宽激光的损伤阈值。搭建实验光路并进行相关实验验证仿真模型的正确性。实验发现,波长2.85 μm、脉宽300 ps的单脉冲激光带内辐照HgCdTe材料的损伤阈值在200 mJ/cm2左右。相同条件下,10 ns单脉冲激光带内辐照HgCdTe材料的损伤阈值约474 mJ/cm2。百皮秒脉冲激光对HgCdTe材料的损伤过程结合了热击穿和光学击穿效应,其独特的毁伤机理加剧了材料的损伤。     

光斑尺寸对连续激光辐照铝合金温度响应影响研究

为了探究不同光斑尺寸连续激光辐照6 061铝合金的温度响应及热致损伤问题,基于ANSYS有限元软件建立了激光辐照下的三维物理模型;使用不同的激光参数进行激光辐照实验,根据所采集的温度和前表面散射光强度数据,反演计算了靶材在激光辐照过程中吸收率的动态变化;最后,利用优化后的模型分析了不同光斑尺寸下,激光辐照靶材的温升特点。研究结果表明:在1 000 W/cm~2的激光辐照条件下,材料的吸收率随着温度的升高而升高;由于激光加载的局域化特征,横向热扩散影响纵向温升,光斑足够大时该影响变小,这与其热扩散长度有关;对于4 mm厚的6 061铝合金材料,当光斑尺寸大于10 cm时,光斑影响可以忽略,靶材背表面发生熔融损伤时间阈值保持2.6 s不变。     

强激光对典型激光制导光电探测器的干扰效应研究

为了达到对激光制导武器的有效干扰目的,需要分析强激光对典型激光制导光电探测器的干扰效应。理论分析和数值计算表明四象限光电二极管和成像型CCD的光学饱和阈值较低,很容易达到光学饱和。在功率密度10MW/cm2,脉冲宽度5ns的单脉冲激光辐照下即可产生300K的温升,在多脉冲温升的累积作用下,光电探测器的基底材料很容易达到熔点,从而造成不可逆的永久损伤。