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     

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。     

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。     

纳秒脉冲激光沉积薄膜过程中的烧蚀特性研究

研究了高能短脉冲激光薄膜制备的整个烧蚀过程.首先建立了基于超热理论的烧蚀模型，然 后利用较为符合实际的高斯分布表示脉冲激光输入能量密度，给出了考虑蒸发效应不同阶段 的烧蚀状态方程.结合适当的边界条件，以Si靶材为例，利用有限差分法得到了靶材在各个 阶段温度随时间和烧蚀深度的演化分布规律及表面蒸发速度与烧蚀深度在不同激光辐照强度 下随时间的演化规律.结果表明，在脉冲激光辐照阶段，靶材表面的蒸发效应使得靶材表面 温度上升显著放缓；在激光辐照强度接近相爆炸能量阈值时，蒸发速度与蒸发厚度的变化由 于逆流现象将显著放缓.还得到了考虑了熔融弛豫时间及蒸发效应的固-液界面随时间的演化 方程，这一结论较先前工作更具有普适性. 关键词： 脉冲激光烧蚀 热流方程 温度演化 有限差分法     

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。     

皮秒激光烧蚀Al膜的理论分析与实验验证

为研究Al膜受短脉冲激光作用时的能量传输过程,建立了一维半经典双温热传导模型。根据材料加工过程的熔化现象,对模型的相变区域进行有效设置。通过有限元法求解,得到晶格温度随时间分布的规律。根据自由电子气理论优化了模型,得到Al膜表面反射率和热吸收系数随时间的分布图。得到了激光辐照所产生热电场的分布规律,并分析了电子温度梯度对其影响。描绘出电子漂移运动速度的分布规律,证实激光作用产生的热电场是电子漂移运动的主导因素,发现最大漂移速度位置随时间的延长而加深。对激光作用后的晶格温度进行了区域性分析,定义了过热加热区,并得到激光烧蚀深度随时间的变化关系。实验结果表明,不同功率皮秒激光烧蚀Al膜的深度接近于理论计算结果。     

连续激光辐照下的TiO_2薄膜热传导性质

热传导规律的研究在激光诱导薄膜材料改性等应用中有着重要的作用,本文针对二氧化碳激光器辐照下的二氧化钛(TiO_2)薄膜表面的热效应进行了理论仿真和实验研究。首先,对具有粗糙上表面的TiO_2薄膜,利用有限元法构建了连续激光作用下的TiO_2薄膜的立体模型并得到了其三维温度场分布。然后使用CO_2激光器进行辐照实验,分析了辐照时间和功率等参数对TiO_2薄膜形貌、晶相以及颜色的影响。仿真表明,连续激光辐照下TiO_2薄膜的瞬态温度场呈高斯分布,且与激光功率、光斑半径、辐照时间等因素有关。当表面温度小于分解温度时,薄膜上表面最大平均温度与激光功率满足线性关系,与光斑半径满足ExpAssoc非线性关系。实验结果表明,激光辐照引起TiO_2薄膜材料表面粗糙度降低且颜色变化。激光功率过小或辐照时间过短会导致有效作用面积小且不均匀,反之会产生热形变。结合仿真和实验可知使用功率为6 W,半径为3 mm的连续激光辐照TiO_2薄膜10 s时取得的处理效果最优。     

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。     

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。