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.     

长脉冲激光辐照Si-APD温度演化过程的数值模拟与实验研究

针对1064nm长脉冲激光辐照硅雪崩光电二极管(Si-APD)过程中所引起的温升变化规律进行了理论与实验研究。在考虑Si-APD多层结构的前提下,建立了二维轴对称热传导模型,据此进行了不同条件下的模拟仿真研究,并开展了长脉冲激光辐照Si-APD的温升实验研究。模拟仿真结果与实验结果相一致,均表明长脉冲激光与Si-APD相互作用引起的温升是由入射激光的能量密度和脉冲宽度共同决定的。     

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。     

基于激光不同加载方式下CCD损伤特性的时间演化规律

为了探究高功率连续激光作用下CCD的损伤特性随时间的演化规律,根据其结构特点和工作原理,建立了1.06μm连续激光辐照CCD的六层结构热力耦合三维模型。综合考虑了微透镜聚焦和铝膜开口率等因素的影响,通过改变CCD不同损伤阶段的激光辐照方式,数值模拟分析了CCD多层结构的层层损伤机理,研究了CCD各个损伤阶段的时间阈值,并与实验结果进行了对比。结果表明,微透镜聚焦光束阶段,微透镜由于熔点较低,发生熔融分解,CCD表现为点损伤;微透镜熔融阶段,失去聚光能力,在应力损伤和熔融损伤共同作用下,铝膜层熔融剥落,表现为纵向亮线损伤;铝膜层熔融剥落阶段,激光直接辐照在硅电极上,硅电极上表面熔融,造成布线电路的损伤,导致部分像元中的电荷无法转移,出现横向暗线损伤;最后,SiO_2绝缘层受剪切应力而断裂,使得硅电极和硅基底相互导通,造成完全损伤。实验与仿真结果趋势一致,误差较小,相互验证。     

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。     

基于相对运动的脉冲激光辐照探测器热效应数值分析

基于热传导理论,构建了相对运动情况下脉冲激光辐照HgCdTe探测器的理论模型,利用有限元法分析比较了不同重频、不同移动速度下探测器的热效应.结果表明,在相对静止情况下,重频脉冲激光辐照HgCdTe探测器时,激光能量主要被HgCdTe光敏层吸收,温度场高温区主要分布在HgCdTe层与CdZnTe层交界面附近;重频为1kHz、10kHz时几乎没有温度累积效应,当重频为100kHz时,随着脉冲数的增多,峰值温度不断增加,有明显的温度累积效应.在相对运动情况下,随着激光光斑的移动,温度峰值所在的位置逐渐向速度矢量方向偏移.从损伤的角度考虑,当每个温度峰值都大于HgCdTe熔融温度时便能达到损伤的空间区域累积效应,实现对多个探测像元的损伤.定性分析了汇聚到探测器焦平面单脉冲激光光斑在不同移动速度下的热效应,结果表明移动速度越快,脉冲结束时刻峰值温度越低,温升曲线的斜率越小,上升越慢.     

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。     

激光辐照引起的材料温度场和热应力场的瞬态分布

 光电探测器吸收激光后的温升以及因温升造成的各种现象,致使探测器遭受到不同程度的损伤。利用热弹性理论对CO2激光器辐照K9玻璃材料进行研究,建立激光辐照材料温升及热应力分布二维平面模型,通过解析计算得到由激光辐照半导体材料引起的温度场和应力场的瞬态分布。研究表明, K9玻璃材料的激光辐照损伤阀值与辐照时间和光斑半径相关。在同一条件下,造成的热应力损伤阀值较熔融损伤的低,故K9玻璃材料的破坏形态为热应力破坏。      

多脉冲激光对胶合透镜热破坏效应研究

具有一定强度的激光辐照胶合透镜时可造成透镜的破坏.建立了多脉冲激光与材料相互作用的一维非稳态温度场模型，计算了瞬态温度场分布，并对胶合透镜前表面的熔融和胶合材料的软化进行了数值模拟研究.利用频率为10Hz，脉冲宽度为200ns，峰值功率为20MW的CO₂激光对胶合透镜进行辐照实验研究.实验表明，当激光辐照时间为12s时，胶合透镜前表面发生熔融破坏；当照射时间为30s时，胶合材料发生软化并出现彩色斑纹，透镜完全破坏，理论分析与实验结果相符. 关键词： 胶合透镜 激光辐照 激光破坏     

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。     

The interaction and the surface crack of single-crystal silicon induced by a millisecond laser

When the silicon material is irradiated by laser, it absorbs the laser energy leading to the temperature rise and the thermal stress. The damage effect includes melting, vaporation and thermal stress damage. Once the thermal stress exceeds the stress strength the crack will initiate. The silicon surface cracks induced by a millisecond laser are investigated. The experimental results show that three types of cracks are generated including cleavage crack, radial crack and circumferential crack. The cleavage crack is located within the laser spot. The radial crack and circumferential crack are located outside the laser spot. A two-dimensional spatial axisymmetric model of silicon irradiated by a 1064 nm millisecond laser is established. To assess what stresses generate and explain the generation mechanism of the different cracks, the thermal stress fields during laser irradiation and the cooling process are obtained using finite element method. The radial stress and hoop stress within the laser spot are tensile stress after the laser irradiation. The temperature in the center is the highest but the thermal stress in the center is not always highest during the laser irradiation. The cleavage cracks are induced by the tensile stress after the laser irradiation. The radial crack and the circumferential crack are generated during the laser irradiation.     

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.     

铝靶激光热应力的实验研究

 用高温应变计和热偶计等诊断技术，研究连续波氧碘化学激光（CW/COIL）与铝合金板作用产生的激光热应力。当照射靶面激光强度约1 000 W/cm²时，激光热应力随靶厚的增加而快速减小。当激光辐照靶材厚度h＝1.00 mm、激光强度I＝640~980 W/cm²时，激光热应力随辐照靶面激光强度的增加而增大。两者的激光热应力－时间曲线随靶厚的减薄或随辐照靶面激光强度的增加而变得越来越复杂。当靶厚h≤2.50 mm，辐照靶面激光强度I≥800 W/cm²时，激光热应力强度超过激光辐照区材料断裂强度，萌生许多孔洞裂纹，引起材料断裂破坏。     

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。     

TA15钛合金激光沉积温度场数值模拟与检测

在综合考虑热源模型、对流辐射换热、相变潜热、材料非线性因素对激光沉积修复温度场影响前提下,建立了激光沉积修复的数学模型,采用有限元参数化设计语言(APDL)对多道多层激光沉积修复温度场进行了数值模拟。研究了激光沉积修复瞬时温度场及其中心高度上节点温度随时间变化情况,分析了修复件中心高度上温度梯度分布情况。搭建了激光沉积修复温度测量系统,对修复时表面温度进行了测量,并与模拟温度进行了比较,两者吻合较好。为控制激光沉积修复组织、提高修复质量提供有效手段。     

超短脉冲激光诱导单晶铜熔化的物理机制

 采用校正的分子动力学方法研究了超短脉冲熔化单晶铜的动力学微观机制,建模时将熔化潜热的消耗及自由电子的热传导均考虑在内,使熔化过程的模拟更加真实。皮秒激光熔化单晶铜是一种过热熔化,可归因于液相在固相中的均匀形核。熔沿传播的速度高达5.8 nm/ps ,高于铜中声速。熔化发生在热约束区域内部,导致温度分布不太复杂,且卸载波对应力波的影响与应力约束区域相比较弱。     

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。     

铝纳米颗粒的热物性及相变行为的分子动力学模拟

采用分子动力学方法模拟了纳米金属铝在粒径为0.8-3.2 nm 时的熔点、密度和声子热导率的变化, 研究了粒径为1.6 nm的铝纳米颗粒的密度、比热和声子热导率随温度的变化. 采用原子嵌入势较好地模拟了纳米金属铝的热物性及相变行为, 根据能量-温度曲线和比热容-温度曲线对铝纳米颗粒的相变温度进行了研究, 并利用表面能理论、尺寸效应理论对铝纳米颗粒熔点的变化进行了分析. 随着纳米粒径的不断增大, 铝纳米颗粒的熔点呈递增状态, 当粒径在2.2-3.2 nm时, 熔点的增幅减缓, 但仍处于递增趋势. 随着纳米粒径的增大, 铝纳米颗粒的密度呈单调递减, 热导率则呈线性单调递增, 且热导率的变化情况符合声子理论. 随着温度的升高, 粒径为1.6 nm的铝纳米颗粒的密度、热导率均减小. 该模拟从微观原子角度对纳米材料的热物性进行了研究, 对设计基于铝纳米颗粒的相变材料具有指导意义.