超短脉冲激光辐照硅膜的热弹性

 考虑到热电子崩力的影响,在基于玻耳兹曼理论弛豫时间近似的非线性自相关模型基础上,将晶格温度与应变速率相耦合,建立了超短脉冲激光作用下半导体材料的超快热弹性模型。在单轴应变条件下,利用有限差分法模拟了500 fs脉冲激光作用下2 μm厚硅膜内的载流子温度、晶格温度、载流子数密度、热应力和热电子崩力等的变化情况。结果表明：在低能量密度激光条件下,热弹性效应对半导体材料的影响很小;载流子温度达到峰值的时间比激光强度达到峰值的时间早,随后载流子数密度达到峰值,以及激光脉冲作用5 ps以后硅膜趋于总体热平衡;在脉冲辐照早期,非热平衡阶段形成的热电子崩力在超快损伤过程中起主要作用。     

亚皮秒脉冲激光辐照硅薄膜热效应的模拟研究

基于Boltzmann方程,采用了Chen J K等人建立的自相关模型,考虑了Si薄膜的热容、热导率、弛豫时间等热力学参量随温度非线性变化的影响.采用有限差分法,数值求解了脉宽为500 fs的激光脉冲辐照2 μm厚硅膜的自相关模型.分析了膜表面载流子浓度、载流子温度、晶格温度等随入射激光功率和脉宽等的变化规律.结果表明：在脉冲辐照初期（t<0.68 ps）,载流子和晶格之间存在着明显的非热平衡性,之后通过相互之间的弛豫碰撞,逐渐达到热平衡,载流子热容是引起载流子温度在早期迅速上升的原因;载流子温度速率方程中单光子吸收、载流子-晶格能量交换和载流子能流变化率对载流子温升影响较大,而多光子吸收、双极能流和带隙能量变化率对载流子温升的影响较小,可以忽略;较高脉冲激光能量（Ф＞0.02 J·cm－2）辐照Si膜,会引起载流子密度方程中的俄歇复合项增大,从而使载流子密度下降率增大,导致载流子温度出现双峰.     

超短脉冲激光对硅膜的热力效应分析

为了研究超短脉冲激光辐照下半导体材料的热力效应,在热电子崩力和自洽场两种模型的基础上,得到了完全耦合的非线性热弹方程组。在单轴应力条件下,采用有限差分法,讨论了不同脉宽的超短脉冲激光辐照下,硅膜内载流子温度、晶格温度、热应力以及热电子崩力随时间及膜深度的变化情况。结果表明,脉冲宽度对硅膜的热力损伤过程起重要作用。能量密度一定时,载流子和晶格达到热平衡所需时间随脉冲宽度的增加而增加;热电子崩力呈现明显的双峰结构,同时脉冲宽度对第二个峰值的影响较大;脉宽越窄,热应力的峰值越大,越容易对材料造成损伤,为激光加工和光电器件的损伤提供了理论参考。     

硅的间接跃迁双光子吸收系数谱

利用皮秒Nd:YAG脉冲激光器作为激发光源,测量出光子能量介于1.36 μm (0.912 eV)—1.80 μm (0.689 eV)之间的硅间接跃迁双光子吸收系数谱.尽管此波段范围内的激光光子能量小于硅间接带隙,但当激光辐照在硅基光电二极管受光面时,在二极管两电极端仍然探测到了显著的脉冲光伏信号.光伏信号峰值强度与入射光强呈二次幂函数关系,表明其是双光子吸收过程.采用pn结等效结电容充放电模型,将光伏响应信号峰值与入射光强相关联,从中提取出硅的间接跃迁双光子吸收系数,改变入射波长得到系数谱.研究表明:     

电子辐照下GaAs/Ge太阳电池载流子输运机理研究

通过地面模拟辐照试验获得不同能量电子辐照下GaAs/Ge太阳电池电学参数退化的基本规律, 在此基础上使用PC1 D模拟程序分析太阳电池内部的载流子输运机理, 建立不同能量的电子辐照下GaAs/Ge太阳电池中多数载流子浓度和少数载流子扩散长度随辐照粒子注量变化的基本规律. 研究结果表明: 多数载流子浓度和少数载流子扩散长度均随入射电子注量的增大而减小, 多数载流子去除率和少数载流子扩散长度损伤系数均随电子能量的增高而增大, 多数载流子去除效应和少数载流子扩散长度缩短分别是电池开路电压和短路电流退化的主要原因.     

光子重吸收对硅片的光载流子辐射特性影响的理论研究

光载流子辐射技术已广泛应用于半导体材料性能的表征,本文基于一种包含光子重吸收效应的光载流子辐射理论模型,对单晶硅中光子重吸收效应对光载流子辐射信号的影响进行了详细的理论分析.分析结果表明,光子重吸收效应对光载流子辐射信号的影响主要取决于样品掺杂浓度、过剩载流子浓度和过剩载流子的分布.由于过剩载流子浓度及其分布与材料电子输运特性密切相关,电子输运参数的变化将导致光子重吸收效应的影响随之变化.进一步分析了光子重吸收效应对具有不同电子输运特性的样品的电子输运参数的影响,并提出了减小光子重吸收效应影响的方法.     

波段外激光辐照光导型InSb探测器的一种新现象

利用不同功率密度的10.6 μm(光子能量为0.12 eV)连续激光辐照了禁带宽度为0.228 eV的光导型锑化铟探测器, 得到了与以往报道不同的实验现象. 当10.6 μm波段外激光辐照光导型探测器时, 探测器吸收激光能量后温度升高. 在探测器的温升过程中, 存在一个转变温度T₀. 当探测器的温度T<T₀时, 载流子浓度基本不变, 迁移率随温度的升高呈T^-2.35趋势下降, 引起探测器的电导率减小, 电阻增大, 响应输出电压升高; 当T>T₀时, 热激发载流子浓度随温度的升高呈指数增长, 电阻急剧下降, 超过了载流子迁移率降低对电阻的影响, 响应输出急剧下降. 光电导探测器在较高功率密度波段外激光辐照下的响应特性是载流子的浓度和迁移率在温度影响下相互作用的结果. 这对进一步完善半导体内载流子输运模型提供了实验依据.     

多波长激光同时辐照下熔石英元件的损伤研究

对比研究了3ω单独辐照、3ω＋2ω和3ω＋1ω双波长同时辐照下熔石英元件的初始损伤和损伤增长规律,重点研究3ω能量密度在其阈值附近时,低能量密度的2ω和1ω对初始损伤和损伤增长的影响,分析了波长间的能量耦合效应。结果表明:双波长同时辐照下,当2ω和1ω能量密度远低于其自身阈值时,它们对初始损伤几率和损伤增长阈值的影响可以忽略,但也会参与初始损伤和损伤增长过程,会增加初始损伤程度和损伤增长系数。基于飞秒双脉冲成像的冲击波速度测量表明,3ω和1ω同时辐照下,波长间的能量耦合效应会促进激光能量向材料沉积的效率。     

355 nm和1064 nm双波长预处理对DKDP晶体损伤性质的影响

为了研究3ω预处理、3ω和1ω同时辐照预处理情况后DKDP晶体的3ω损伤特性,建立了双波长预处理和损伤测试实验系统,重点研究了双波长同时辐照预处理情况下1ω能量密度对预处理效果的影响,分析了双波长同时辐照预处理过程中的能量耦合机制。研究结果表明:双波长同时辐照预处理在提升DKDP晶体抗3ω激光损伤性能方面的效果明显好于单波长预处理;在双波长同时辐照预处理情况下,远低于自身预处理阈值的1ω参与了预处理作用过程;在相同3ω能量密度、能量阶梯的预处理策略下,1ω能量密度存在最佳值。     

斜辐照激光等离子体辐射X光子特性

 在神光Ⅱ高功率激光装置上,实验研究了激光斜辐照形成的激光等离子体辐射X射线光子的特性及真空喷射热等离子体流的方向。采用针孔X射线相机测量了钕玻璃激光（基频1.053 μm）辐照铝靶形成的激光铝等离子体辐射的X射线光子的空间分布,并针对正入射和入射激光斜辐照情况下测得的X射线光子量及特性进行了分析和比较。结果发现：入射激光斜辐照固体平面靶产生的向真空喷射热等离子体流的方向是垂直靶面（即法线方向）;正入射和斜入射激光叠加驱动靶时,一定程度上能改善激光辐照的均匀性,但等离子体源辐射的X射线光子数并未发现显著地增加;当激光斜辐照与靶相互作用时,激光能量被等离子体吸收下降。     

Combined continuum-atomistic modeling of ultrashort-pulsed laser irradiation of silicon

Ultrafast thermomechanical responses of silicon thin films due to ultrashort-pulsed laser irradiation were investigated using an atomic-level hybrid method coupling the molecular dynamics and the ultrafast two-step energy transport model. The dynamic reflectivity and absorption were considered, and the effects of laser fluence and pulse duration on the thermomechanical response were studied. It was found that both the carrier temperature and number density rapidly increase to their maximum while the lattice temperature rises at a much slower rate. The ultrafast laser heating could induce a strong stress wave in the film, with the maximum compressive and tensile stress occurring near the front and back surfaces, respectively. For laser pulses of the same duration, the higher the laser fluence is, the higher the carrier temperature and density and lattice temperature are induced. For the same laser fluence, a longer pulse generally produces lower carrier density and temperatures and weaker stress shock strength. However, for the fluence of 0.2 J/cm², the lowest lattice temperature was simulated for a 100-fs pulse compared to the 1-ps and 5-ps pulses, due to the increase of reflectivity by high carrier density. It is also shown that the optical properties as functions of lattice temperature usually employed are not suited for modeling ultrafast laser interactions with silicon materials.     

CO2连续激光对单晶硅电池的辐照效应

 研究了CO₂激光对单晶硅太阳能电池的辐照效应,并对其损伤机理进行了分析。在激光功率密度较低而不能使电池产生物理损伤时,电池的性能会因在被辐照过程中温度的升高而产生暂时性降低;当激光功率密度高到使电池产生物理损伤时,电池的输出性能便产生永久下降。通过对比激光辐照前后电池伏安特性曲线和输出功率曲线的变化情况,结合对损伤形貌的分析,表明：当电池被物理损伤之后,电池的性能会出现大幅度下降,硅PN结的严重烧蚀破坏是主要原因。     

Ultrafast blue light emission from SiC nanowires

Cubic silicon carbide (SiC) nanowires are synthesized in a catalyst-assisted process. The nanowires with diameter of ～ 40 nm exhibit strong blue light emission at room temperature under ultraviolet (UV) femtosecond laser excitation. The photon energy of peak emission is higher than the energy bandgap of cubic SiC which shows involvement of quantum confinement effect. The ultrafast fluorescence is deconvoluted by Monte-Carlo method. The results show two ultrafast decay processes whose lifetimes are about 26 and 567 ps respectively. The mechanisms of such ultrafast processes are discussed.     

532nm皮秒脉冲激光对单晶硅的损伤特性研究

随着光电对抗和超短脉冲激光技术的发展,研究超短脉冲激光与单晶硅相互作用具有非常重要的理论和实际意义.为了进一步明确532 nm皮秒脉冲激光对单晶硅的损伤机理,本文开展了532 nm皮秒脉冲激光辐照单晶硅的损伤效应实验研究,测定了损伤阈值,明确了损伤机理,探讨了低通量下的脉冲累积效应.首先,利用波长为532 nm、脉冲宽...     

脉冲激光作用单晶硅的等离子体光谱分析

从激光与物质相互作用理论出发,对脉冲激光作用单晶硅的热特性进行分析。建立一套实验装置,所用激光光源的波长为1 064 nm,脉宽为10 ns,重复频率为1 Hz。得到单晶硅的等离子体谱及热辐射谱,在单晶硅的光电性质基础上对其热表面损伤进行理论分析。提取380~460 nm波段的单晶硅等离子体光谱,分析了谱图中SiⅠ390.52 nm,SiⅡ385.51 nm,SiⅡ413.12 nm三条谱线的相对强度与激光输出功率密度的对应关系。     

RIBLLⅡ与CSRe中束流控制系统的设计

介绍了兰州重离子加速器冷却存储环（HIRFL-CSR）的实验环CSRe以及次级束线RIBLLⅡ中束流控制系统的设计。该系统主要采用了Java,COM,Oracle,ARM,DSP,FPGA等技术实现了对磁铁电源的实时、同步控制,已达到对束流的控制。该系统已经运行于现场的束流调试中,并在RIBLLⅡ的束流调试中运行正常、性能稳定。     

毫秒脉冲激光致硅光电二极管电学损伤的有限元分析及实验研究

为了研究毫秒脉冲激光致硅基PIN光电二极管电学损伤,基于热传导及弹塑性力学理论,在光电二极管内部材料各向同性并且P-I-N三层结构之间满足温度连续和热流平衡条件下,建立毫秒脉冲激光辐照硅基PIN光电二极管二维轴对称模型,采用有限元方法模拟分析了1064 nm Nd:YAG毫秒量级脉冲激光辐照硅基PIN光电二极管的温度场与应力场分布,并实验测量了硅基PIN光电二极管实验前后的电学参数.结果表明,激光辐照硅基PIN光电二极管时,温升使材料表面熔融、烧蚀,并且在空间上存在温度梯度变化,即激光辐照产生的热与应力使光敏面及硅晶格晶键损伤,最终造成光电探测器的探测性能下降.研究结果可为毫秒脉冲激光辐照硅基PIN光电二极管电学损伤机理奠定基础.     

脉冲激光辐照氮化硅陶瓷损伤阈值的光谱测量

氮化硅陶瓷具有耐高温、耐腐蚀和耐磨损等优异性能, 可应用于金属材料和高分子材料难以胜任的极端工作环境。但具备这些优良特性的同时也给其加工带来了不便,传统的磨削加工方法效率低,设备损耗严重, 激光辅助加工为其提供了一种新途径。将等离子体光谱法和显微成像法相结合,对脉冲激光辐照氮化硅陶瓷的损伤阈值进行了测量,并分析了损伤机理。实验选用热压烧结氮化硅陶瓷为靶材,参考ISO21254国际损伤阈值测试标准搭建试验系统,采用1-on-1法利用Nd3+∶YAG固体脉冲激光分别在纳秒和微秒脉宽下辐照氮化硅陶瓷,两种脉宽分别选取10个能量密度梯度进行激光辐照,每个能量密度辐照10个点。利用光纤光谱仪采集光谱信息,利用金相显微镜获取显微图像信息,将光谱结果与显微成像结果对比分析, 发现纳秒脉宽下材料一旦损伤光谱上就会出现等离子体峰,通过分析光谱中等离子体峰,元素指认是否含有材料中特征元素即可判断损伤,为了区别空气电离击穿同时测量了空气等离子体光谱对比分析剔除干扰。微秒脉宽下显微图像观察到刚开始损伤时,光谱中只出现较强热辐射谱线并未出现等离子体谱线,进一步增加激光能量密度,光谱中会出现少量等离子体峰,因此不能直接以等离子体峰判断材料损伤阈值。利用金相显微镜观察损伤形貌,纳秒脉宽下在损伤区域内部观察到明显的烧蚀冲击状损伤,光谱呈现出大量等离子体谱线,说明纳秒激光辐照氮化硅损伤机制主要为等离子体冲击波引起的力学损伤效应。微秒脉宽在辐照区域边缘发现热烧蚀痕迹,损伤区内观察到大量熔融物,出现明显热辐射光谱,说明微秒激光辐照氮化硅损伤机制主要是由于长脉宽热积累引起的热损伤效应,随着能量密度增加热辐射谱上叠加有等离子体峰,等离子体峰值强度与损伤程度一致。利用零几率损伤阈值法对两种方法测得结果进行了拟合,分析发现等离子体光谱法更适用于纳秒脉宽下损伤阈值测量,得到结果为0.256 J·cm-2;显微成像法适用于微秒脉宽下损伤阈值测量,得到结果为6.84 J·cm-2。