组合激光对单晶硅热作用的数值分析

为了提高激光加工中单晶硅材料对激光能量的耦合效率,采用一个短脉冲激光和一个长脉冲激光形成组合激光辐照单晶硅,使用COMSOL软件对该过程进行模拟,得到了组合激光长短脉冲间的延迟时间和长脉冲激光能量密度的变化对作用效果的影响,并与总能量相等的毫秒激光单独作用的效果进行比较;实验测量得到的不同能量密度的激光作用单晶硅后损伤形貌,与数值计算结果的趋势吻合。结果表明,组合激光能提高材料对激光的耦合效率;不同的延迟时间会影响组合激光的作用效果,最佳延迟时间为0.1ms;组合激光中毫秒激光能量密度占比较低时,作用效能较明显,随着毫秒激光能量密度占比的提高,对作用效果的提升相对变缓。该研究结果可以为组合激光的应用提供理论和实验依据。     

毫秒/纳秒激光致碳纤维环氧树脂损伤形貌研究

为了研究碳纤维环氧树脂在不同脉宽激光辐照下的损伤形貌,采用全自动变焦测量技术进行了实验验证,测量了碳纤维环氧树脂在毫秒/纳秒脉冲激光辐照下,损伤面积、损伤深度以及损伤形貌随激光能量密度的变化。结果表明,在毫秒脉冲激光作用下,材料损伤区域中心会产生一定的温度积累,损伤区域有一定的热效应,出现熔融、热解等现象,当激光能量密度为20.5J/cm2时,材料的损伤深度达到了47.3μm,材料表面析出的碳化物的高度为157.1μm,损伤深度以及表面碳化物的高度都随着能量密度的增大而增大;在纳秒激光作用下,光斑周围有明显的热反应区域,当能量密度大于47.3J/cm2时,表面的热反应区尤为明显,损伤面积随激光能量密度的增大明显增大,由于作用时间较短,损伤主要为表层损伤;树脂热解的气体向外膨胀,导致纤维结构断裂。研究结果为激光对碳纤维环氧树脂的损伤效果提供了实验依据。     

不同延时的组合脉冲激光致硅表面损伤研究

为了研究组合脉冲激光与单晶硅材料的相互作用过程,采用两束脉宽分别为7ns和1ms的脉冲激光复合作用的方式,进行了单束毫秒脉冲激光和组合脉冲激光辐照硅片的实验研究,并结合数值计算对比了两种激光工作模式辐照造成的表面损伤形貌;根据组合脉冲激光延迟时间的不同将损伤形貌分为3类,对熔融深度和表面损伤半径做了进一步的研究。结果表明,组合脉冲激光的损伤效应更为严重,包括解理裂纹、烧蚀和皱褶,表面损伤半径主要取决于入射毫秒脉冲激光的能量密度,而熔融深度随延迟时间的增加而减小;毫秒脉冲激光的预加热以及纳秒脉冲激光造成的表面损伤与后续毫秒脉冲激光的相互作用,使得组合脉冲激光具有更好的损伤效果。该研究结果可为今后组合脉冲激光加工半导体材料提供参考。     

长脉冲致硅基 QPD损伤面积及形貌实验研究

为了研究硅基QPD在不同能量密度、不同脉宽激光辐照下的损伤面积、形貌,基于二维显微测量技术,测量了硅基QPD单一象限的损伤面积、形貌随激光能量密度和脉宽的变化。结果表明,在毫秒脉冲激光作用下,硅基QPD产生表面剥落、褶皱、裂纹、熔坑等损伤效果,且主要受入射激光功率密度影响,损伤面积随激光能量密度逐渐增加,随脉宽增加逐渐降低。通过实测分析,得出了不同激光脉宽下,硅基QPD表面形貌损伤阈值。激光脉宽为0.5 ms,能量密度为15.79 J/cm2时,硅基QPD出现熔融损伤;而脉宽为1.0、1.5、2.0、3.0 ms时,硅基QPD出现表面剥落的能量密度值为14.12、33.94、39.76、47.62 J/cm2。     

多脉冲激光辐照皮肤组织的光热效应实验研究

通过实验测定了离体乳猪皮肤组织在多脉冲Nd:YAG激光辐照下径向和轴向不同位置的温度分布,重点研究了激光辐照能量密度、脉冲重复频率以及波长对皮肤组织温升分布的影响.研究结果表明:皮肤组织中的温度分布与探测位置、激光辐照能量密度、脉冲激光的重复频率以及波长密切相关;在激光辐照时间为40 s的情况下,同一波长同一频率时组织温度随能量密度的增加而增大,波长1064 nm、霞复频率10 Hz时的安全光剂量阈值为1118.19 mJ/cm2;同一波长同一能量密度时,组织温度随脉冲激光重复频率的增加面增大;同一能量密度同一频率时,波长为1 064 nm的多脉冲激光辐照皮肤组织时的光热效应较532 nm波长明显.     

毫秒-纳秒组合脉冲激光辐照熔石英的温度场应力场数值分析

为了研究毫秒-纳秒组合脉冲激光辐照熔石英的温度场和应力场特征,基于热传导理论和弹塑性力学理论建立了二维轴对称几何模型,利用有限元分析软件对毫秒-纳秒组合脉冲激光辐照熔石英的过程进行了数值分析,得到了熔石英表面及内部的瞬态温度场和应力场的时空分布与变化规律.结果 表明:组合脉冲激光中,毫秒激光脉宽为1 ms、能量为120 J,纳秒激光脉宽为10 ns、能量为80 mJ,Δt=1.0 ms条件下毫秒-纳秒组合脉冲激光辐照熔石英出现温度最佳延时.观察总能量相同的组合脉冲激光与毫秒脉冲激光致熔石英的热损伤结果,得到最佳能量配比.研究结果表明,组合脉冲激光中,毫秒脉冲激光对熔石英产生热效应,纳秒脉冲激光对熔石英产生应力效应.     

毫秒脉冲激光损伤CCD探测器的实验研究

为了研究行间转移型彩色面阵CCD在毫秒脉冲激光辐照下的损伤效果,采用实验研究的方法,测量了不同能量密度的激光作用下,CCD表面中心点温度、受损区域面积、深度及CCD内部复位时钟信号和阻抗值的变化,结合CCD输出图像中出现不可恢复的焦斑及黑白雪花现象,对彩色面阵CCD在毫秒脉冲激光作用下的损伤效果进行了分析。结果表明,在毫秒脉冲激光的辐照作用下,行间转移型彩色面阵CCD内部结构会产生不同程度的烧蚀,当能量密度达到23.49J/cm2时,烧蚀深度直达基底层,致使CCD内部信号传输通道断开,漏电流增加,最终造成CCD无信号输出,完全损坏。该研究对CCD探测器在强激光作用下的损伤效果研究是有帮助的。     

超快激光诱导单晶硅瞬态光学性质演化机理

研究了从亚皮秒到皮秒范围内的不同脉宽和不同能量密度的激光作用下单晶硅材料表面瞬态光学性质的演化规律。这项工作基于考虑了相变潜热的双温方程、载流子数密度模型,通过计算激光辐照过程中的载流子温度、晶格温度和激发态载流子数密度和介电常数,模拟了光子到电子以及电子到声子的能量传递过程,最终得到了单晶硅表面折射率和消光系数的变化结果。有助于揭示亚皮秒到皮秒脉冲宽度范围的超短脉冲激光辐照下,单晶硅材料瞬态光学性质的演化机理。理论结果表明,若单个激光脉冲无法使单晶硅熔化,则不同的激光能量密度和不同的激光脉宽对最小折射率的影响非常有限,在0.3~0.4 J/cm2的激光能量密度范围内,每0.01 J/cm2的能量密度改变引起的最小折射率变化率小于0.5%。若单个激光脉冲能使单晶硅熔化,则不同能量密度和不同脉宽的激光对硅表面的折射率和消光系数有不同程度的影响。该研究结果可为基于超短脉冲激光的单晶硅材料加工和表面改性提供一定的理论指导。     

基于有限元分析法的激光剥离技术中GaN材料瞬态温度场研究

用有限元分析法模拟计算Al2O3／GaN的激光剥离，分析了采用不同能量密度脉冲激光辐照时GaN材料内的瞬态温度场分布。采用波长248nm的KrF准分子激光器对Al2O3／GaN样品进行激光剥离实验。实验结果与有限元数值模拟结果一致。分析了影响GaN材料温度场分布的因素，在激光光源一定的条件下，温度随时间和深度变化较快。在实现激光剥离时，脉冲激光的能量密度应不低于阈值条件，但为了避免温度过高对器件产生损伤，脉冲激光的能量密度存在上限。多脉冲激光辐照时，脉冲频率是另一关键参量，计算得到了不同能量密度的脉冲激光辐照时频率的选取范围。     

波段外脉冲激光对锗材料热冲击效应的数值研究

强激光辐照锗材料可造成材料的破坏.对波段外脉冲激光辐照锗材料进行了理论研究,建立了激光辐照锗材料的热力耦合数学物理模型,对热传导方程和应力平衡方程进行有限元数值求解,对不同能量密度下波段外激光辐照锗材料的瞬态温度场和应力场分布进行了数值模拟计算,得到了材料最易损伤的位置和材料的损伤阈值以及锗材料的损伤阈值与激光参数之间的关系.分析结果表明:热应力损伤在锗材料的脉冲强激光损伤中占据主导地位,锗材料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,应力损伤主要集中在光斑中心区域并体现为压应力损伤.     

单脉冲激光损伤CCD探测器的有限元仿真

为了研究激光对CCD探测器的损伤效应,采用有限元分析的方法进行了激光损伤CCD的理论分析和实验验证。阐述了激光辐照CCD探测器的损伤机理,设计了激光辐照CCD探测器热效应的仿真模型,针对波长为532nm的高功率激光辐照硅基CCD探测器而产生的热效应,利用有限元法进行了仿真计算,得到了CCD探测器受到532nm激光辐照时硅电极的温度曲线以及硅电极损伤时间阈值,并相应计算出损伤CCD探测器所需要的激光能量阈值为220mJ/cm2左右。结果表明,损伤阈值随着激光功率密度的增大而减小,但变化幅度不大;当多脉冲毫秒激光辐照CCD探测器,在一个脉冲结束、下一个脉冲到来之前,探测器温度恢复到环境温度。该模型可以较为准确地对单脉冲激光辐照CCD探测器时产生的热损伤效应进行模拟。     

超短脉冲激光对单晶硅太阳能电池的损伤效应

太阳能是未来的主要能源之一,关于太阳能电池的研究也逐渐成为热点。长期以来,人们对太阳能电池的高能粒子辐射特性进行了广泛的研究,对其激光辐照损伤特性的研究却很少。随着光电对抗技术的发展,对这方面的研究需求也越来越迫切。研究了532 nm、20 ns和300 ps脉冲激光对单晶硅太阳能电池的辐照效应,分析了超短脉冲激光对单晶硅太阳能电池的损伤机理。对比了超短脉冲激光和长脉冲激光、连续激光的损伤机理的异同。阐述了在激光单脉冲能量一定的情况下,损伤效果与脉宽和重频的关系。通过分析,指出了太阳能电池损伤的主因,激光对太阳能电池的破坏主要是依靠热效应。     

脉冲CO2激光损伤K9玻璃的实验与仿真

对脉冲CO2激光损伤K9玻璃进行了实验与仿真研究.采用输出脉宽为10μs的脉冲CO2激光器对K9玻璃样品进行激光损伤实验,并且建立了脉冲CO2激光损伤K9玻璃的理论模型,利用有限元法对K9玻璃样品中的温度和应力分布进行数值分析.研究表明,K9玻璃的损伤阈值为6.533 J/cm2;入射激光能量密度越高,样品的损伤程度就越大,并且多脉冲对样品的损伤程度明显大于单脉冲;在激光能量较强的情况下,K9玻璃表面在光斑区域内形成熔融损伤和由压缩应力造成的应力损伤,在光斑区域外围则形成由环向拉伸应力造成的应力损伤,仿真分析结果与实验结果吻合良好.     

基于热传导方程的长脉冲激光打孔效能比分析

研究了脉宽为ms的长脉冲激光打孔的效能比,即打 孔深度与激光能量之比。首先,测量了脉宽为1ms、不同能量密度的长脉冲激光打孔深度, 结果表明,激光打孔的效能比随着激光能量 密度的增加而下降。根据长脉冲激光功率密度低、脉冲波形近似为矩形的特点,建立了稳态 一维热传导模 型,得到了打孔深度与Al板表面温度之间的关系。然后,将实验中测量得到的打孔深度作为 边界条件,代 入到上述关系式中,计算得到了不同能量密度下激光作用过程中的Al板表面温度,进而计 算得到了气化 损失率。计算结果表明,激光的能量密度越高,Al板的表面温度就越高,气化损失率就越大 。最后,结合 文献报道的实验结果,对相同能量密度、不同脉宽的长脉冲激光打孔深度的不同进行了讨论 。所得到的结果均与文献报道结果吻合。     

毫秒激光致铝熔融液体准稳态喷溅的模型

通过对毫秒激光致铝(Al)熔融液体喷溅过程中 热通量的研究,建立了熔液在轴对称坐标下形成准稳态 喷溅的运动模型;进而通过解析和数值计算相结合的方法,得到了熔液准稳态喷溅过程中靶 材的中心点温 度、熔液表面的流动速率、熔池中心点的下降速度以及熔液喷溅后熔池的形貌。计算得到的 熔池中心点下 降速度随脉冲激光作用时间的增加而减小,熔液表面流动速率在准稳态喷溅时随熔池半径的 增加而增大。 计算得到的熔池形貌与实验结果相吻合,继而分析了毫秒激光致Al熔液准稳态喷溅时熔池中 心点温度和气 化区域半径随作用激光功率密度的变化关系。随作用激光功率密度的增加,更多的激光能量 转化为靶材的 内能,从而增加了熔液准稳态喷溅时熔池中心点的温度和气化区域半径。