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。     

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。     

长脉冲激光辐照单晶硅的热损伤

为探究毫秒脉冲激光辐照单晶硅的热损伤规律和机理,利用高精度点温仪和光谱反演系统对毫秒脉冲激光辐照单晶硅的温度进行测量。分析温度演化过程,研究毫秒脉冲激光对单晶硅热损伤全过程的温度状态和对应的损伤结构形态。研究表明:脉冲宽度固定时,激光诱导的单晶硅的峰值温度随能量密度的增加而增加;当脉冲宽度在1.5~3.0 ms之间时,温度随脉冲宽度的增加而降减小。温度上升曲线在熔点(1 687 K)附近时出现拐点,反射系数由0.33增加为0.72。在气化和凝固阶段,出现气化和固化平台期。单晶硅热致解理损伤先于热致熔蚀损伤,在低能量密度激光作用条件下,应力损伤占主导地位,而在大能量密度条件下,热损伤效应占主导地位。损伤深度与能量密度成正比,随脉冲个数增加迅速增加。     

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。     

纳秒激光脉冲辐照太阳能电池损伤特性及对光电转化的影响

针对纳秒脉冲激光辐照三结GaAs太阳能电池损伤特性及对光电转化影响开展研究.从损伤形貌、伏安特性、电致发光三个方面建立实验系统,分别从材料烧蚀形貌、电性能输出、内部损伤情况来分析电池光电性能逐渐下降特性.在分析了激光能量密度影响的基础上,进一步分析了激光辐照部位的影响,如电池栅线与非栅线部位.纳秒脉冲激光由于峰值功率较高,能对电池产生明显损伤,激光辐照电池的栅线部位损伤效果强于辐照非栅线部位,主要由于栅线电极的作用是用于光生载流子的收集,激光辐照熔断电池栅线,降低电池输出功率.研究结论对于提高太阳能电池空间防护能力具有指导意义.     

XeF激光与YAG倍频激光对CCD软破坏效应对比实验研究

为了对比研究XeF(C-A)激光和YAG倍频激光对可见光面阵CCD的软破坏效应,分别建立了XeF(C-A)激光和YAG倍频激光对可见光面阵CCD辐照效应实验研究平台和CCD图像同步采集系统,在此基础上开展了上述两种激光对CCD的辐照效应实验,获得了CCD出现局部饱和、全饱和、串音以及全屏饱和时的激光能量密度阈值和CCD图像,并对实验数据进行了总结分析,采用激光能量密度阈值法和饱和面积法对CCD图像进行了分析处理。结果表明,两种激光对SONY SUPER HAD型CCD具有相同的软破坏效应。     

激光脉冲串对电荷耦合器件积累损伤效应研究

为了研究激光脉冲串对光电系统的损伤和致盲机理,开展了重频纳秒激光对黑白行间转移相机电荷耦合器件的损伤实验研究。实验结果表明:存在两种积累损伤效应机理,多个脉冲到达CCD靶面同一位置的损伤或致盲具有积累效应,多个脉冲积累损伤能够显著降低线损伤和全靶面损伤阈值,降低程度与脉冲个数、激光到靶能量密度有关。致盲机理与单脉冲致盲机理相同,均表现为器件垂直转移电路间及地间的短路;而激光脉冲串到达CCD靶面的不同位置也能够实现器件的功能性失效,其机制与单脉冲损伤显著不同,仅表现为线损伤的叠加,并未造成器件电路紊乱,功能性损伤阈值即对应线损伤阈值660 mJ/cm2,而小于单次致盲阈值1 500~2 200 mJ/cm2。     

单脉冲激光辐照CCD探测器热效应仿真研究

为了研究实际情况下激光辐照CCD热效应情况,首先介绍了CCD探测器的结构和工作原理并分析了脉冲激光对CCD探测器的热损伤过程。然后利用有限元方法在三维空间上分别对三种波长的脉冲激光(532nm、808nm、1064nm)辐照CCD进行了固体传热仿真,通过仿真得到了在三种不同波长下CCD探测器的损伤能量密度阈值。接下来通过比较损伤能量密度阈值发现当波长为532nm时,CCD探测器的损伤能量密度阈值最小。最后对比已发表的实验结果找到了比较统一的损伤规律。     

激光辐照CCD温度场与热应力场的研究

为了研究了激光与CCD传感器的作用过程及损伤机理,采用有限元分析的方法,对波长1.06μm的连续激光辐照行间转移型面阵CCD进行了理论分析和仿真研究。以基底Si表面激光辐照区域为热源建立热力耦合模型,模拟得出了CCD的温度分布和热应力分布。通过对比分析其组成材料的温度损伤和应力损伤所发生的时间,发现应力损伤先于温度损伤。结果表明,作为固定边界和自由边界的交汇处,基底Si下表面边缘处热应力于激光作用0.1s时最先超过破坏阈值120MPa,发生应力破坏; Si材料产生由下表面边缘向中心的滑移,基底逐步脱离固定; 激光作用0.3s时,遮光Al膜与SiO₂膜层也因热应力超过两种材料的附着力100MPa,而产生沿径向由内向外的Al膜层剥落的应力破坏行为,这种行为将加快基底Si材料的滑移,最终致使整个CCD因脱离工作位置而失效。该研究成果为CCD传感器的激光损伤及防护提供了理论依据。     

单脉冲激光对CCD探测器的硬损伤及损伤概率

在纳秒激光脉冲辐照下,随着CCD探测器损伤程度的加深,成像系统输出画面中先后出现点损伤、白线损伤以及完全失效等现象,且损伤阈值呈现出概率分布特性。实验激光波长为1 064 nm,首先采用n-on-1辐照模式,研究CCD探测器在不同损伤程度下的损伤现象,从器件工作原理的角度分析各种现象出现的机理。利用光学显微镜观察样品的损伤形貌,发现探测器的损伤部位从内部材料开始,逐渐发展到位于表面的微透镜结构。接下来,采用1-on-1辐照模式测量了点损伤和完全失效阶段的激光能量密度阈值,并以损伤概率的形式进行描述,得到实验样品的完全失效阈值在100 mJ/cm2左右。     

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。     

激光对光伏探测器真空破坏的实验研究

为了进一步研究激光对光电探测器的损伤破坏特性,以损伤面积和开路电压的变化为判断标准,实验研究了真空环境与大气环境中,脉冲激光辐照对光伏型探测器的破坏特性。选用无覆盖层的2CR 10×2.5四象限硅光电池作为探测器试件,辐照光源为波长1064nm的Nd:YAG脉冲激光器。分析讨论了真空及大气环境下,单脉冲及多脉冲激光打击时,光伏型探测器的破坏阈值及破坏形貌的区别及其成因。实验分析比较了不同环境下的破坏面积异同及其对光伏型探测器的影响。结果表明,真空环境中的破坏阈值明显低于大气环境,在本文中的实验条件下,其实际阈值约为大气中的40%。该研究在光电对抗及有效防护等方面有重要意义。     

不同波长激光对CCD的干扰性实验研究

为了对比研究激光对可见光CCD的干扰效果,采用532nm,808nm和1064nm波长的激光对同一可见光CCD进行了干扰实验。结果表明,3种波长的激光对CCD都有一定的干扰效果,由于干扰波长、干扰功率、工作方式等不一样,干扰效果也存在差异。对于脉冲式激光器,532nm激光比1064nm激光具有更低的光饱和阈值;当各波长激光输出达到一定功率时,CCD会出现饱和串音的现象。此干扰实验为更好干扰CCD成像系统提供了一定的实验依据。     

CCD损伤进程中光学成像系统猫眼回波特性研究

建立了CCD损伤进程中光学成像系统猫眼回波探测系统,记录了CCD损伤进程中光学成像系统猫眼回波功率与猫眼回波偏振度数据并绘制了变化曲线,分析了猫眼回波特性的变化机理、CCD损伤状态与猫眼回波功率、偏振度变化之间的联系,研究得出:光学成像系统CCD探测器件受脉冲激光辐照产生点损伤、线损伤至全靶面损伤进程中,猫眼回波功率、偏振度变化与CCD损伤状态变化没有良好的相关性,提高损伤激光能量使CCD受到首个脉冲辐照时完全损伤,在0~8个脉冲损伤进程中,猫眼回波功率与偏振度先增大后减小,再增大最后不断减小,可以此规律对CCD是否完全损伤进行判断。     

RGB激光干扰彩色CCD相机实验及分析

开展了RGB激光器及单色激光器对自动模式下的彩色CCD相机的外场干扰实验,理论分析及实验结果表明：较强激光照射将使CCD靶面上出现串音现象;较长时间的强激光照射可造成CCD像元的永久性损伤,并能使相机全靶面饱和;在相同实验条件下,RGB三色激光器比单色激光器更易获得全通道饱和干扰图像,单色激光器若要获得与RGB三色激光器类似的全通道干扰效果,其激光功率应为RGB激光器的10倍以上;相机拍摄背景的不同会给干扰带来很大影响,全色背景比单色背景更难获取良好的干扰效果。     

连续激光对太阳能电池的损伤机理研究

针对连续激光辐照太阳能电池造成的损伤效应,通过观察电池损伤区域的形貌,结合电池的等效电路和I-V特性曲线,分析了已损伤电池的输出参数下降情况以及激光辐照所带来的影响,并对太阳能电池的损伤机理进行了研究.研究结果表明,激光烧蚀太阳能电池导致烧蚀区域无功率输出,同时使得电池的串联电阻增加,并联电阻减小,导致电池输出性能大幅...