多层薄膜瞬态热弹反射光栅实验及其理论分析和有限元数值计算

多层薄膜/基片材料的热学性质受各层薄膜及基片的共同影响,因此同时评估各层材料的热学性质是非常重要的.激光诱导瞬态热栅技术是一种研究材料表面及亚表_面光声光热现象有效的方法,因此可用于研究多层材料的热学性质.本文利用瞬态热弹反射光栅方法研究多层薄膜/基片结构材料的热扩散率,首先对A1/ZnO/Si基片结构的多层材料进行激...     

激光热弹激发涂层/基底系统中声表面波的有限元数值模拟

激光激发声表面波提供了评价涂层或薄膜的弹性性质的有效手段。考虑激光作用过程中材料热物理参数随温度变化的实际情况,在研究网格大小和时间步长这二个重要参数和求解稳定性的基础上,建立了优化的有限元模型数值模拟两种典型涂层基底系统中声表面波的激光热弹激发和传播过程。数值模拟结果表明:除了掠面纵波外,在快基底慢涂层系统中得到了正常的色散表面波,而在慢基底快涂层系统中得到了反常色散表面波。进一步,采取减小激发激光光斑的办法,使激发出来的声表面波频率高于慢基底快涂层系统中的截止频率时,在慢基底快涂层系统中得到了伪表面波。     

固体中激光热弹超声的光穿透效应

本文从热弹性基本方程出发，理论上研究了非金属固体材料受激光热弹激励超声时，光穿透效应对所产生声波的影响。在一维模型中，通过求解热扩散方程和热弹性位移方程，得到弹性位移的一般表达式，分析了材料的光叩收性质与声波位移振幅的关系。在二维模型中，对于轴对称分布的情况，忽略热扩散的影响，采用积分变换法求解热弹性运动方程，推导出远场区中的位移解析表达式。给出了纵波和横波的指向性图案，讨论了光穿透效应对声源指向性的影响。     

用于铝板缺陷无损检测的激光超声有限元模拟研究

激光超声技术能够在材料表面形成超声波，是实现材料缺陷无损检测的重要环节。借助Abaqus有限元分析工具，基于激光超声热弹机制建立了轴对称铝板的表面缺陷模型，模拟了激光激发产生的表面波在材料中的传播特性及其与铝板缺陷的相互作用过程。数值模拟实验表明，铝板表面缺陷的分布深度值越大，反射波越强，并且当缺陷深度达到一定程度时，反射波的幅值趋于稳定；但缺陷的分布宽度对于反射波的影响则十分有限。所得结论为基于激光超声的材料缺陷的定量检测及识别提供有效的理论依据。     

在金属基片上激光沉积YBCO超导薄膜

介绍了在金属基片上激光沉积缓冲层和ＹＢａ２Ｃｕ３ｏ７－ｘ（ＹＢＣＯ）高温超导薄膜的研究结果。在带ｙｔｔｒｉａ－ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ－ｚｉｒｃｏｎｉａ（ＹＳＺ）缓冲层的ＮｉＣｒ合金基片上,激光原位沉积出ＹＢＣＯ超导薄膜,薄膜的零电阻转变温度度４８Ｋ,７７Ｋ时临界电流密度约为２００Ａ／ｃｍ＾２;缓冲层的取向可以通过选择适当的沉积参数来改善;用扫描隧道电子显微镜对ＹＢＣＯ薄膜的微观结构分析表明：完善的螺     

固体中脉冲激光激发声表面波的理论研究

本文运用本征函数展开的方法对固体材料中脉冲激光激发的声表面波进行了理论研究，在考虑热弹激发的条件下，利用三维的轴对称模型，得到了脉冲激光光源的脉冲宽度以及聚焦半径对固体材料中声表面波信号的时域及频域的影响，对进行超短脉冲激光激发超声的研究具有指导意义。     

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。     

利用光差分技术检测激光激发声表面波定征薄膜材料

利用激光激发声表面波及改进的光差分检测技术,研究沉积在基片表面的薄膜样品的特性和参量。根据实验获得的声色散曲线和基片已知参数,结合层状媒质中声表面波传播理论,拟合得到薄膜材料的弹性模量、密度和厚度等物理量。结合扫描电子显微镜和X光衍射结果分析,并与文献值比较,表明所采用的技术是定征薄膜材料的弹性模量和力学参量的有效方法。     

多层纳米薄膜结构热物性重构

基于谐波探测技术测量材料导热系数和热扩散系数的基本原理,给出3ω法用于多层纳米薄膜结构热物性实验表征的方法.考虑了层间接触热阻的作用,在频域内定义了热阻抗的概念.理论分析了各层纳米薄膜的导热系数、热扩散系数等热参数对加热膜温度波动影响的敏感性.将敏感系数与实验数据处理相结合,利用三次谐波的实部和虚部分量测量了ZrO2/SiO2增透膜多层膜结构中各层的导热系数和热扩散系数.该方法可用来有效表征其他微纳米结构的热性能.     

激光在近表面弹性性质梯度变化的材料中激发超声波的数值分析

激光激发超声波为评价材料近表面弹性性质提供了有效的手段. 考虑到由于冲击硬化、表面热处理、表面氧化等引起的金属材料近表面层弹性性质的变化，建立了一种激光在基底上的梯度材料中激发超声波的理论模型. 用有限元方法模拟了热弹条件下脉冲激光作用于材料上表面激发出的超声波及其传播过程，研究了近表面层离散的层数对超声波的产生和传播的影响，并分别讨论了表面层“变硬”和“变软”两种情况下声表面波的模式变化及用二维傅里叶变换得到各模式的色散曲线. 为进一步研究近表面层的弹性性质建立合理的计算模型及材料性质的反演提供了理论依 关键词： 超声波 有限元法 近表面弹性性质 色散     

激光激发黏弹表面波有限元数值模拟

研究黏弹性材料中激光激发的Rayleigh波的传播特征. 考虑到黏弹性材料的黏性特征,在频域内建立黏弹性材料中激光激发Rayleigh波的有限元数值模型. 在验证有限元频域数值模型正确性的基础上,模拟脉冲激光作用在黏弹性材料上激发出Rayleigh波,进而讨论激光激发的黏弹Rayleigh波的传播特征,并比较黏弹性材料与弹性材料中激光激发的Rayleigh波差异,同时分析了材料的黏性劲度参量变化对Rayleigh波特征的影响. 关键词： 表面波 激光超声 有限元方法 黏弹性     

双波长飞秒激光抽运-探测法测量纳米薄膜及界面热物性

建立了用来研究时间空间微尺度传热现象的双波长飞秒激光抽运-探测热反射系统,与常规的单波长飞秒激光抽运探测系统相比,双波长的光路设计方案可以大幅提高信噪比,并使共线的聚焦光路更易实现,从而提高测量的准确度。建立了与实验测量过程相应的多层膜热传导模型,并实现了多参数拟合,可用于对体材料或薄膜材料的热导率以及界面热导的准确测量。本文采用这种先进的测量方法测量了SiO₂纳米薄膜的热导率及其与Si之间的界面热导。     

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。     

高温超导薄膜及微波器件应用

介绍了高温超导薄膜制备方法（如磁控溅射、脉冲激光淀积、电子束共蒸发、化学气相沉积等）研究的进展和现状．对薄膜生长中的一些技术，如外延生长高质量的薄膜对基片的要求、常用的基片、为了减小像硅和蓝宝石一类的重要基片与高温超导薄膜间的扩散以及改善晶格匹配所采用的缓冲层技术等也作了简要的介绍，还介绍了薄膜的微波性质和用高温超导薄膜制备的微淡无源器件．     

溶胶-凝胶SiO2酸性膜与碱性膜的激光损伤行为

 采用溶胶-凝胶技术分别在K9基片上镀制了光学厚度相近的单层SiO₂酸性膜和碱性膜。测试了两类薄膜的激光损伤阈值;分别采用透射式光热透镜技术、椭偏仪、原子力显微镜、扫描电镜和光学显微镜研究了两类薄膜的热吸收、孔隙率、微观表面形貌、激光辐照前薄膜的杂质和缺陷状况以及激光辐照后薄膜的损伤形貌。实验结果表明：相对于碱性膜,酸性膜有更大的热吸收和更小的孔隙率,因此其激光损伤阈值较小;两类薄膜不同的损伤形貌与薄膜的热吸收系数与微观结构有关。     

光学材料连续波激光热—力破坏效应

着重研究连续波激光对光学窗口材料的热－力破坏，由于激光对光学材料的不均匀加热，造成材料内部产生热应力，而加热的进一步发展，可诱发材料宏观破坏，热－力破坏与激光辐照功率和材料本身热性质有关。文中还研究了玻璃钢化对材料抗激光损伤的影响。     

激光作用下的铝管热参数的变化对温度场的影响

用有限元方法数值模拟了脉冲激光作用于铝管时所产生的温升情况。比较了物理参数随温度变化和不随温度变化两种情况下的温度场的区别,分别给出了两种情况下的温度随角向的分布曲线。结果表明:物理参数随温度的变化对整个瞬态温度场的影响很大,为在热弹条件下在激光激发管状材料时的超声导波的研究提供了定量的基础。     

激光热弹激发超声脉冲的特性研究

由一维的热传导方程和Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程，对半无限媒质表面受脉宽为ｔ０的矩形激光脉冲激励时所形成的热弹超声应力脉冲作了理论研究。在媒质是强或弱吸收，表面是钳紧或自由的情况下所得到的超声应力脉冲表达式以及对强吸收试样的实验结果，都表明对于自由表面激光脉冲所激发的超声应力脉冲是双极性的，而在钳紧表面时则是单极性的。     

飞秒脉冲激光加热金属薄膜的理论和实验研究

超短脉冲激光加热可应用于研究材料中载能子之间的超快相互作用,同时也广泛应用于超快激光加工.此前人们提出的双温度模型和抛物一步模型都只能用于描述超短脉冲激光加热金属薄膜后热量传递过程的特定片段.基于双温度模型和傅里叶导热定律,提出普适的理论模型可用于完整描述飞秒激光加热金属薄膜/基底时的整个热量传递过程.同时在300 K温度下,采用背面抽运-表面探测瞬态热反射法实验研究了飞秒脉冲激光加热金属薄膜的热量传递过程,理论预测曲线和实验测量结果符合较好,验证了理论模型的正确性.基于此模型测量得到了金薄膜的电子-声子 关键词： 飞秒脉冲激光 电子-声子耦合 界面热导 瞬态热反射     

铜膜和铁膜污染物诱导熔石英表面损伤行为的对比研究

采用人工溅射的方式分别在熔石英基片上镀制了光学厚度相近的铜膜和铁膜污染物。研究了熔石英基底在355nm波长的激光损伤阈值。分别采用透射式光热透镜技术、椭偏仪、原子力显微镜和光学显微镜研究了两类薄膜的热吸收、膜层厚度、表面微观形貌以及激光辐照后薄膜的损伤形貌。实验结果表明：熔石英表面的金属膜状污染物均导致基片损伤阈值下降,位于前表面的污染物引起的损伤阈值下降更为严重,约为23％。两种污染物薄膜引起基底的损伤形貌、基底损伤阈值的下降幅度与薄膜的热吸收系数与微观结构有关。从热力学响应角度,结合损伤形貌对污染物诱导熔石英表面形貌的损伤机理进行了讨论。