半导体材料的激光辐照效应计算和损伤阈值分析

在激光对抗中,探测器容易受到激光损伤,为此研究了连续强激光对半导体材料的损伤机理,建立了氧碘化学激光器辐照InSb圆板型靶材的二维物理模型。在圆柱坐标系中利用积分变换法,求解热传导和热弹性力学方程组。得到由激光辐照引起的温度场和热应力场的瞬态分布。经过严格的理论分析,计算出InSb材料的激光破坏阈值,讨论了,不同的辐照时间和光斑半径对破坏阈值的影响。研究发现其破坏形态为熔融破坏,一般不会出现解理或炸裂现象,这一结果与相关实验报道一致。最后分析了与温度有关的非线性参量对损伤阈值的影响。     

连续激光辐照下光学材料损伤阈值的光斑效应

实验发现，光学材料的激光损伤阈值对激光光斑大小有强烈的依赖关系。研究了连续激光和匀质材料相互作用的机制，针对小光斑情形的材料响应和大光斑情形的结构响应分别提出各自不同的物理模型来解释光斑效应。研究表明，材料响应中的光斑效应基于热传导引起的光斑区热弥散，边界条件不同，破坏阈值与光斑大小的依赖关系也不尽相同。     

脉冲激光辐照GaAs材料热效应研究

为了研究脉冲激光辐照GaAs材料的热效应,采用软件COMSOL Multiphysics构建了高斯脉冲激光辐照半导体材料的温升物理模型,分析了1 064nm纳秒级脉冲激光辐照半导体材料GaAs的热效应.通过求解热传导方程计算了不同功率密度激光辐照GaAs材料的径向与纵向温度场分布,讨论了单光子吸收、双光子吸收及自由载流子吸收对辐照材料的温升贡献.计算结果表明:当激光功率密度升至1010 W/cm2,自由载流子对材料的温升贡献已超过单光子吸收对材料温升的贡献而占主导位置;当激光功率密度降至108 W/cm2以下时,两种非线性吸收对材料温升的贡献可以忽略.该结果与相关实验基本相符,表明了构建的物理模型具有科学性.     

ns激光辐照ZrO2薄膜剥落的理论研究

在ns激光辐照光学薄膜温度分布的基础上，利用最大剪应力理论建立了光学薄膜发生迎光剥落的理论模型，得到了发生损伤相应的应力分布和膜层剥落半径与入射激光能量关系．通过数值分析，验证了理论模型与实验结果基本保持一致，膜层临界损伤阈值与实验结论在数量级上保持一致；剥落半径与入射能量关系曲线与实验结果基本吻合．指出薄膜的损伤形态与其附着力强度有着密切关系，只有当附着力强度小于某一定值（～9．4×10^4N／cm^2）时，才会发生剥落．     

重复脉冲激光辐照光学材料的热力效应

在建立高斯型重复脉冲激光辐照光学材料模型的基础上,得到了圆柱型光学材料的二维温度场和热应力的解析解.以K9玻璃为例,通过数值计算得到同条件下重复脉冲激光对光学材料的损伤阈值.研究表明：在高斯型重复脉冲激光辐照下,损伤阈值受到脉冲数目、宽度、重复频率以及脉冲激光光斑半径的影响,多数情况下K9玻璃会发生热应力损伤.     

激光损伤阈值单脉冲激光测量方法

利用二元相位光栅的特点，设计一个具有特定相位分布的相位光栅，在单色波的照明下，使某些特定位置的菲涅耳像变成一个振幅光栅即光斑阵列。如果该光斑阵列的光强按照一定关系分布，将阵列光斑作用于实验样品上，能确定出各个光斑对应的损伤，就能从一次激光脉冲辐照中得出样品损伤阈值。激光光束为高斯光束，入射高斯光束通过二元相位光栅分解成类高斯分布的点阵并对样品进行辐照，研究衍射点阵中各点的一阶峰值能量密度分布和样品的损伤情况，可以单脉冲激光确定光学薄膜的损伤阈值。     

ns激光辐照ZrO_2薄膜剥落的理论研究

在ns激光辐照光学薄膜温度分布的基础上,利用最大剪应力理论建立了光学薄膜发生迎光剥落的理论模型,得到了发生损伤相应的应力分布和膜层剥落半径与入射激光能量关系.通过数值分析,验证了理论模型与实验结果基本保持一致,膜层临界损伤阈值与实验结论在数量级上保持一致;剥落半径与入射能量关系曲线与实验结果基本吻合.指出薄膜的损伤形态与其附着力强度有着密切关系,只有当附着力强度小于某一定值(～9.4×104N/cm2)时,才会发生剥落.     

ns激光辐照硅光电探测器的损伤阈值

以He-Ne激光作为参考光,采用反射光能量法,测量了ns激光辐照硅光电探测器的损伤阈值,并测量了不同功率密度的强激光辐照下探测器对参考光的反射率.实验结果表明,ns激光辐照硅光电探测器的损伤阈值为4.1×106W/cm2,在探测器被强激光损伤的初期阶段,探测器对参考光的反射率下降很快,继续增加入射激光的能量,探测器对参考光的反射率下降趋于平缓.     

光学窗口材料激光辐照热-力效应的解析计算研究

建立了高功率连续激光辐照透明光学材料的热力学模型,通过积分变换方法求解三维热传导方程,得出了激光辐照引起的瞬态温度场分布的精确解析解,并在此基础上进一步求得热应力场的瞬态分布。以1.315μm的高能氧碘激光辐照熔石英玻璃为例,计算了熔石英在激光辐照下的温度场与热应力场分布,分析了其激光损伤机理。研究结果表明由于熔石英具有优良的热稳定性,温度不均匀分布所产生的热应力相对较小,激光损伤主要是受辐照区域温度值超过材料熔点发生熔融破坏。理论分析结果与相关的实验结论一致,说明所建立激光辐照效应模型的合理性。     

激光辐照InSb(PV)型探测器的热损伤

 在建立高斯型连续激光辐照InSb(PV)型探测器物理模型的基础上,采用近似解析解的形式计算了圆柱形InSb靶板的2维温度场。通过数值分析得出了在激光辐照时,InSb(PV)型探测器的温升与时间的关系,并计算出相应的损伤阈值。研究表明：在强激光连续辐照下,半导体材料InSb会发生熔融损伤,且最早发生于迎光面的光斑中心,激光的功率密度越高,造成破坏所需要的时间越短;对于一定厚度胶层的InSb(PV)型探测器,只有强度大于一定阈值的连续激光辐照才可能发生熔融损伤,越薄的胶层对应的损伤阈值越大。为了增加InSb(PV)型探测器抗激光辐照能力,应该减小胶层厚度。采用该理论计算得到不同功率下的InSb熔融时间为1.57 s和4.54 s,与实验得到的2 s和 4~5 s基本吻合。     

平顶激光束诱导薄膜损伤阈值测量系统

为了满足快速、精确、定量地测量薄膜激光损伤阈值的要求,设计了平顶激光束诱导薄膜损伤阈值测量系统.介绍了损伤阈值测量的原理和方法,提出二分查找与顺序查找相结合的能量密度查找方式;根据分光镜的分光比及能量探测器示值求解辐照激光能量,用CCD成像法精密测量了作用在薄膜表面的激光光斑面积;基于小波变换法,通过图像处理精确识别了薄膜的损伤;建立能量密度与损伤几率坐标并进行最小二乘法拟合,对损伤阈值进行了标定.对45°高反射膜分别进行了高斯光束辐照和平顶光束辐照的测量实验,结果表明:高斯光束辐照测量的损伤阈值为9.95J/cm~2,平顶光束辐照测量的损伤阈值为13.98J/cm~2,平顶光束诱导比高斯光束诱导的损伤阈值高40.5%.     

强激光对星载光电探测系统的干扰与破坏研究

建立了激光辐照星载光电探测器的数学模型,对激光干扰和破坏星载光电系统的机理进行了研究,分析了激光光束与探测器光轴的偏角对干扰和破坏的影响.以CO2激光辐照HgCdTe探测器的实例,研究了强激光对探测单元的破坏,得到其损伤阈值曲线,并从理论上证明了强激光对星载光电探测系统干扰和破坏的可行性.     

多模激光束通过时间变化相位片变换的数值分析

根据衍射积分公式,对连续多模激光束通过随时间变化相位片的变换特性进行了数值模拟,详细地讨论了相位片单元尺寸和相位变化频率对多模光束光滑和能量分布的影响。数值模拟结果很好地解释了实验结果。     

Numerical calculations of temperature distribution of double layer metallic surface treated by laser beams

A mathematical model of laser beam treatment of double layer alloys (Ni/Fe, Al/Fe and Cr/Fe systems) describing the effect of laser beam on different physical and geometrical parameters of coated layer system has been adapted. The numerical solutions of the non-homogeneous heat-transport differential equation could estimate the temperature of the treated region.The suggested model allows investigation of the temperature distribution as a function of treated surface and laser parameters. The physical parameters of the treated materials were taken as functions of temperature due to the change in the temperature of the treated double layer materials.