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TN248 2005053347 半导体致冷复合相变硅镜光照热有限元模拟=Finite ele- ment simulating about laser radiation of semiconductor- cooled composite phase change silicon mirrot[刊,中]／刘倚 红(华中科技大学激光技术国家重点实验室．湖北,武汉 (430074)),余文峰…∥激光技术．-2005,29(1)．-9-10,17 为克服高能激光用相变致冷镜两次出光时间间隔长 的缺点,设计了一种新型半导体致冷复合相变硅镜,并采 用ANSYS有限元程度模拟了实心硅镜、相变镜和半导体 致冷镜的光照热行为。由最大温度-时间曲线可知,在净 吸收热量为100W、环境温度为20℃,制冷量为25W时, 半导体致冷复合相变硅镜只需5s就可使镜体的温度和弹 性变形恢复至初始形态。图3表1参4(杨妹清)     

半导体制冷对镜面热变形影响的数值研究

为了减小激光辐照下反射镜镜面的热变形问题,建立了反射镜热变形的有限元分析模型。对不同制冷功率时的镜面热变形进行分析,然后针对吸收功率为50 W、光斑半径为镜体半径1/3时的TEM00模高斯光束对镜体结构进行优化,对优化后的反射镜在不同参数的TEM00模高斯光束和TEM10、TEM11模厄米特-高斯光束辐照下的热变形进行了分析。仿真结果表明,当施加滞后于激光辐照且与吸收功率近似大小的制冷时,有利于减小镜面热变形,且镜体最终会趋于相对稳定的热平衡状态。此外,当镜体背部切去一厚度为1.4 mm、内径为25 mm的环状区域时,热变形峰谷(PV)值仅为0.005μm;同时,优化后的镜体也可在一定程度上减小其他参数激光辐照下的镜面热变形的PV值。对于TEM00模高斯光束和TEM10、TEM11模厄米特-高斯光束,均满足光学系统对热变形的要求。     

非晶Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9合金激光纳米化的超精细结构研究

在CO2激光功率为50-300W、扫描速度为20mm/s、激光散光斑为20mm照射条件下,诱导非晶Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9带中发生结构重组,产生定量纳米α-Fe(Si)晶相形成双相组织结构材料. 利用穆斯堡尔谱研究了非晶Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9合金激光纳米化的超精细结构. 实验结果表明,激光诱导非晶Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9纳米化后,其超精细磁场的分布随着激光功率变化由单峰向双峰变化,在高功率辐照时, 出现了双峰分布,并且峰位向高场移动. 高激光功率辐照非晶Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9合金纳米晶化相有四种超精细结构,即2个超精细磁场较小的初晶相和2个超精细磁场较大的纳米晶化相. 其中超精细磁场较大(17-25MA/m)的α-Fe(Si)相为DO3结构.     

强激光热管冷却镜的数值研究

 为消除强激光微沟道水冷镜冷却水压力和扰动对激光输出稳定性的影响和冷却水道对冷却水流量的限制,提出并设计了热管冷却镜。采用ANSYS有限元软件,模拟计算了相同结构下镜面热吸收为12 W/cm²,实心镜、微沟道水冷镜与热管冷却镜连续工作60 s下镜体温升和镜面变形量。计算结果表明：热管冷却镜镜面轴向位移最大峰谷值为0.109 4 μm,微沟道水冷镜最大峰谷值为0.845 μm,实心镜镜面最大峰谷值为1.33 μm,热管冷却镜对镜面变形改善显著。     

红外探测系统的激光辐照热效应仿真分析

为研究红外探测系统受激光辐照后的热效应与二次热辐射对探测器成像的影响,使用Ansys软件对红外探测器进行热辐射仿真和有限元结构仿真;采用黑体辐射定律和DO辐射计算模型模拟计算探测器内光学系统在不同激光辐照度下的温度随时间变化情况以及探测器内部温升对靶面成像的二次热辐射干扰情况;采用热弹性力学模型仿真计算探测器内部的热应力和热变形情况。结果表明:探测器受到1.06μm激光照射,矫正镜激光辐照度在50 W/cm²时,靶面受到二次热辐照度在0.6 s时达到100μW/cm²的量级,使红外探测器达到饱和;探测器受激光辐照后系统最高温度出现在矫正镜中心处,拟合得到系统最高温度与受照时间函数关系,可预测探测器升温结构破坏;最大热变形出现在矫正镜背面中心处,由外向内形成不等附加光程差,干扰探测器的成像效果;最大热应力出现在矫正镜前面中心处,得到最大热应力与激光辐照度间的线性关系曲线,为矫正镜热应力破坏提供预测参数。     

激光辐照下镀铬介质高吸收镜的热变形

为了分析激光辐照下反射镜热变形对光束质量的影响, 本文建立了激光光束45°角入射时镀铬介质高吸收镜的热固耦合模型, 对不同辐照光束下反射镜的热变形和镜体厚度对热变形的影响进行了分析, 并用哈特曼波前传感器对自由边界条件下的镜面热变形进行了检测。结果表明:吸收功率在0.085~0.185 W时, 镜面热变形随吸收功率的增加近似线性增加, 随辐照光斑的增加而减小;反射镜厚度在1~5 mm范围, 镜面热变形基本不变。在激光照射的初始阶段, 反射镜表面温度和热变形迅速增加, 在激光连续照射20 s后, 镜面温度增加量逐步变缓, 镜面热变形则在1 s以内就上升至0.27 μm, 之后变形量缓慢增加, 在100 s后达到相对稳定状态;关闭激光后, 镜面在120 s后恢复到初始状态。分析表明, 产生误差的因素主要为光斑大小和辐照光束入射角度。     

聚变堆第一镜材料块体金属玻璃表面特性

研究了块体金属玻璃（块体非晶合金）Zr65Al7.5Ni10Cu17.5, Co61.2B26.2Si7.8Ta4.8和金属多晶钼3种第一镜材料经低温等离子体H和Ar辐照后的表面特性变化。结果表明,两种块体金属玻璃的抗H等离子体溅射能力与其成分有关。随着等离子体辐照时间的增加,金属多晶钼和块体金属玻璃Zr65Al7.5Ni10Cu17.5的表面粗糙度增大,镜面反射率降低;而块体金属玻璃Co61.2B26.2Si7.8Ta4.8的表面粗糙度减小,镜面反射率升高。X射线衍射仪（XRD）分析表明,块体金属玻璃在离子体溅射过程中,表面微结构具有自修复性。     

变形镜结构参数对高功率激光相位特性的影响

在高功率连续激光辐照下,变形镜(DM)表面产生的热形变会对入射激光引入附加相位畸变,进而降低光束质量。利用有限元分析软件ANSYS建立了变形镜模型,分析比较了变形镜与高反镜热形变的特点,并讨论了变形镜结构参数对入射激光相位特性的影响。研究结果表明:与高反镜相比,变形镜的热形变更为明显;变形镜极头间距越小,热形变带来的高频相位畸变越多;极头长度对高频成分的影响较大,极头长度越短,热形变带来的高频成分越多,因而适当增加极头长度能够降低热形变带来的高频相位畸变;增大极头直径能使高频畸变所占比例有所降低,但会减弱变形镜的校正能力,因而在实际设计时应综合考虑。计算结果可为变形镜的参数优化设计提供一定参考价值。     

激光空间合束主镜优化设计与分析

本文对激光空间合束主镜进行优化设计与分析,以抑制强激光空间合束系统主镜热畸变,提高主镜面形精度。首先,对比分析了选择不同材料作为主镜基底的优缺点,从理论上初步确定了主镜材料、镜体厚度、支撑方式和轻量化结构形式;然后,利用有限元方法对空间合束主镜进行了热畸变分析,并结合热畸变结果对镜体结构形式进行拓扑优化设计;最后,对主镜进行重力、环境适应性和基频分析,验证设计的合理性。分析结果表明:6光合束主镜在单束10 kW激光辐照下,随着辐照时间的增加,镜面温升值和P-V值逐渐增大;辐照3 min后初设计主镜表面温度达83.4℃,P-V值为155 nm,受镜体结构影响,辐照区内热畸变值不一致,差值约占镜面P-V值的1/6;为改善热畸变的不一致性,提高镜体强度,对主镜进行拓扑优化设计,优化后主镜轻量化达54.5%,辐照区热畸变一致性好,镜面热畸变量减小了近1/3;不同俯仰姿态下,主镜重力变形值基本相同,不足10 nm;环境温度的改变会引起主镜的镜面畸变和平移,稳态温差值越大,主镜面形P-V值和镜面平移量越大;模态分析显示主镜基频满足系统要求。本文研究结果将对激光空间合束系统的设计提供依据。     

变形镜受热变形引起的波前畸变仿真及补偿

针对变形镜自身受强激光辐照后热变形问题,利用ANSYS的多物理模型建立了变形镜的热机械模型并进行了计算。针对受强激光辐照后变形镜吸收了部分热量并产生了0.9μm的变形量,根据该变形镜热畸变分布特征,提出了一种利用补偿镜对热畸变进行补偿的方法,即在一个薄型镜面背后用一些约束头固定构成补偿镜,放置在变形镜的后续光路中。约束头在补偿镜上的位置与极头在变形镜上的位置对应错开分布。对三种不同形状约束头的补偿镜进行了计算,补偿后综合变形量降低到0.35,0.32和0.40μm。利用光束传输因子(BPF)对理想光束通过补偿镜后的效果进行评价,结果表明通过三种补偿镜后BPF值从0.906提高到了0.966,0.971和0.957。进一步的计算表明,补偿效果受约束头尺寸的影响较小。     

Characteristics of thermal distortions of the laser mirror substrates filled with phase-change materials

Under irradiating of the laser power of 2 kW, the thermal deformations of the silicon mirror substrates with phase change materials are experimentally measured and numerically analyzed by using finite element methods, respectively. The experimental results show that when the absorbed laser power is 120 W and the laser irradiating time gets to three seconds, the thermal distortion of the silicon mirror substrates with paraffin/carbon powder is 0.25 μm, that of the paraffin/aluminum powder 0.33 μm, and that of the paraffin/copper powder 0.37 μm. The numerical calculation coincides with the experimental results.     

射流式水冷镜结构优化设计

 分析了影响射流式水冷镜形变的各种因素,利用ANSYS有限元分析软件,对各项结构参数对镜体形变的影响进行了数值模拟,探索出射流式水冷镜结构设计的一般规律,得到了镜体结构的优化设计方案。数值结果表明：在镜体直径80 mm、镜面净吸收功率100 W、光斑直径25 mm、使用硅作为镜体材料的情况下,射流式水冷镜镜面最大形变可低至0.07 μm,明显优于其它类型的水冷镜。     

Formation of hook-shaped and straight silica wires by a thermal vapor method

Hook-shaped and straight silica wires have been successfully synthesized on silicon wafer through a simple thermal vapor method with or without assistance of Al, respectively. The hook-shaped silica wires have amorphous structures with nearly 100 μm long and about 4 μm in average diameters, while the straight silica wires are hundreds of micrometers long and approximately 50–300 nm in diameters. The composition analysis revealed that larger Al/SiO_x islands can form on the silicon substrate with Al catalysts, whereas tiny silica clusters form without Al catalysts. They could act as the nucleation centers for the growth of silica wires with different shapes. The formation process of hook-shaped silica microwire results from a thermal gradient on the silicon substrate. The thermal gradient may be caused by the cold gas flowing during the process or other factors that lead to uneven temperature. On the contrary, straight growth of silica submicrowire is unacted on the thermal gradient factor due to the tiny silica clusters as nucleation centers. The present simple and low-cost process of producing hook-shaped and straight silica wires in bulk may lead to potential applications in catalysts, electrode materials, biosensing, etc.     

The oxidation characteristics of nitrogen-implanted silicon

The trapping of 5 keV deuterium in ～ 165 and ～ 4000 nm thick BeO films grown by thermal oxidation on Be substrates was investigated at different temperatures using the D(³He,H)⁴He nuclear reaction. The ratio of implanted D to BeO molecules obtained at saturation is 0.24 to 0.34. The D migrates from its end of range location and distributes itself uniformly in the BeO film. With increasing implant temperature the BeO layer flakes from the Be substrate. The distribution of D in BeO films at high concentrations is not consistent with diffusivity measurements at low concentrations of T in BeO.     

Half-metallic ferromagnetism and band gap reduction in Cu-doped zinc-blende BeO: First-principle study

In this paper, we report ferromagnetism in copper doped zinc-blende BeO. Our first-principles calculations based on spin density functional theory predicts a total magnetic moment of 1 μB per copper when copper substitutes beryllium in BeO, where 0.58 μB is localized at Cu atom. The results obtained show that the ferromagnetic state is 34 meV lower than the antiferromagnetic state. Calculations indicate an appreciable band gap reduction in BeO. The analysis of the partial density of states reveals that ferromagnetism and reduction of BeO band gap are principally due to the strong p–d coupling of О and Cu.     

20单元双压电片变形镜的性能测试与闭环校正实验研究

测试了20单元双压电片变形镜的影响函数、变形量-电压特性曲线、面形热稳定性和频率响应特性,并搭建基于20单元双压电片变形镜和13×13阵列哈特曼传感器的自适应光学系统,测试了该变形镜对自身初始面形和静态像差板的闭环校正效果.实验结果表明,各分立电极变形量对加载电压的平均灵敏度为0.57 μm/100 V,离焦电极的灵敏度为1.09 μm/100 V;各电极变形量-电压响应曲线均存在迟滞现象,滞后量在最大变形量的10%以内;在温度引起的双压电片变形镜面形变化中离焦项贡献最大,其变化对温度也最为敏感,在13℃ 关键词： 自适应光学 双压电片变形镜 特性分析 闭环校正     

Antireflection coating on germanium for dual channel (3–5 and 7.5–10.6 μm) thermal imagers

The dual channel thermal imager, operating in the 3–5 and 7.5–10.6 μm wavelength bands, is one of the latest achievements in instrumentation for target recognition and acquisition. While the 3–5 μm band is utilised for detecting hot objects such as engine exhausts of vehicles and fighter planes, the 7.5–10.6 μm band is employed for human bodies and objects at ambient temperatures. Many substrates are available which transmit in both these wavelength bands and their transmission can be enhanced by providing a suitable antireflection coating. In this paper, a broad band antireflection coating on germanium substrate is reported. The design approach involves achieving a continuously varying refractive index from that of the incident medium to the substrate. The continuously varying refractive index profile may be generated by using a sequence of thin layers of high and low refractive index materials. In this design a continuous refractive index profile is approximated by using a 13-layer stack of thorium fluoride and germanium as low and high index coating materials respectively. This coating conforms to environmental stability standards and shows an average transmission of 91% in 3–5 μm band and 94.5% in 7.5–10.6 μm band with a peak of 97% at 9 μm on 10 mm thick germanium substrate. Polycrystalline germanium has 2.5% absorption for a 10 mm thick substrate.     

Si衬底GaN基LED的结温特性

结温是发光二极管的重要参数之一,它对器件的内量子效率、输出功率、可靠性及LED的其他一些性能有很大的影响。首次报道Si衬底GaN基LED的结温特性。利用正向压降法测量Si衬底上GaN基LED的结温,通过与蓝宝石衬底上GaNLED的结温比较,发现Si衬底GaNLED有更低的结温,原因归结为Si有更好的导热性。同时也表明:用Si作GaNLED的衬底在大功率LED方面具有更大的应用潜力。     

GaN基发光二极管衬底材料的研究进展

GaN基发光二极管(LED)作为第三代照明器件在近年来发展迅猛.衬底材料作为LED制造的基础,对器件制备与应用具有极其重要的影响.本文分析综述了衬底材料影响LED器件设计与制造的关键特性(晶格结构、热胀系数、热导率、光学透过率、导电性),对比了几种常见衬底材料(蓝宝石、碳化硅、单晶硅、氮化镓、氧化镓)在高质量外延层生长、高性能器件设计和衬底材料制备方面的研究进展,并对几种材料的发展前景做出了展望.     

轻质碳化硅反射镜抛光过程镜面变形影响的研究

轻量化的碳化硅反射镜有自己独特的结构特点,加工中的变形与传统实体反射镜不同,对加工后的面形结果有独特的影响。对一直径为318mm的轻量化碳化硅反射镜进行了传统的研磨抛光,由于镜面变形对抛光结果带来了很大的影响,其面形误差的RMS值在0.048λ(λ=0.6328μma)左右就不再收敛。对抛光状态的镜体进行了有限元分析,探讨了减轻镜面变形对抛光结果影响的方法。采用计算机控制小磨头对该反射镜进行了确定性抛光,有效地降低了镜面形变的影响,使面形满足了精度的要求。