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。     

激光剥离技术中GaN材料温度场的研究

对使用脉冲激光实现GaN/Sapphire剥离技术,建立了激光剥离过程中GaN外延层一维热传导理论模型。计算分析了单脉冲辐照时,激光剥离过程中GaN外延层内的温度场分布。得到实现激光剥离阈值能量密度为400mJ/cm2,脉冲频率上限约为1400Hz,阈值条件下剥离过程中高温区分布限制在100nm以内。从而证明GaN基发光二极管(LED)外延结构无损伤激光剥离的可行性,并且为激光剥离技术参数的选取提供了理论依据。     

直流放电辅助脉冲激光沉积Si基GaN薄膜的结构特征

采用直流放电辅助脉冲激光沉积技术,在Si(111)衬底上生长了GaN薄膜.XRD、AFM、PL和Hall测量的结果表明在2～20Pa沉积气压范围内,提高沉积气压有利提高GaN薄膜的结晶质量;在150～220mJ/Pluse入射激光脉冲强度范围内,随着入射激光脉冲强度的提高,GaN薄膜表面结构得到改善.研究发现,在700℃衬底温度、20Pa的沉积气压和220mJ/Pluse的入射激光脉冲强度的优化工艺条件下,所沉积生长的GaN薄膜具有良好的结构质量和光电性能.     

单个脉冲作用下熔融石英的温度和热应力研究

理论研究单个激光脉冲作用光学材料的温度和热应力分布模型,根据脉冲特征,分别建立适用于短脉冲和长脉冲的温度分布模型;进一步建立单个脉冲作用下的热应力模型。以熔融石英为例数值计算和分析了单个脉冲作用下的温度和热应力分布。研究结果表明,如果只求解单脉冲结束时的温度分布,长脉冲和短脉冲模型计算结果一致。单个激光脉冲辐照熔融石英,材料温度升高,如果温度达到材料融化或汽化温度,将导致材料的熔融汽化破坏,另一方面,在焦点区域温升不均匀,将导致热应力产生,如果热应力达到材料的力学破坏阈值,将诱导材料的热应力损伤。     

低压下激光剥离的研究

为了研究低压环境对激光剥离的影响,利用准分子激光剥离系统和真空腔对GaN/蓝宝石样品分别在低压下和常压下进行多脉冲激光照射,之后用台阶仪测量样品的分解深度,得知相比常压环境,低压下GaN分解深度在脉冲次数为10次、20次、30次时分别增加了为10.2%,19.0%,24.3%,之后结合GaN材料分解过程和脉冲激光照射GaN/蓝宝石结构过程进行理论分析得到相应低压和常压下的GaN材料的理论分解深度,得到与实验一致的趋势。证明了低压环境能提高激光剥离速率。     

脉冲激光沉积系统（PLD）的应用——制备GaN薄膜

采用脉冲激光沉积技术,在Al2O3衬底上生长GaN薄膜,利用X射线衍射(XRD)、原子力显微镜(AFM)研究不同沉积温度、不同沉积压强对所生长的GaN薄膜晶体结构特征的影响。研究表明,在750℃的沉积温度时,GaN薄膜的结晶质量较高;在20 Pa以下的沉积气压下,GaN薄膜的晶体质量随着沉积气压的升高而提高。     

激光刻蚀聚酰亚胺基底铝薄膜的温度场模拟

为了研究1064 nm激光刻蚀聚酰亚胺基底镀铝薄膜的作用机理,采用有限元分析软件ANSYS模拟了激光对聚酰亚胺基底上铝薄膜的刻蚀过程,分析了激光脉冲作用于铝薄膜表面时的能量传输及转化过程,获得了铝薄膜及聚酰亚胺基底中的温度场分布,进一步验证了在脉冲激光作用下由于基底材料易分解而产生的薄膜/基底界面分离机制。     

激光与熔融石英作用的温度累积研究

基于傅里叶热传导方程, 利用有限差分法计算了石英在激光作用下的温度场分布。结果表明在连续激光的作用下, 石英的轴向温度变化分为升温过程和降温过程。考虑热累积效应, 辐照0.1、0.5、0.8 s后温度较之前分别升高了约 10、100、200 ℃, 激光作用时间越长, 温度累积越明显。对于脉宽为5 ms, 占空比为1/2和1/3的脉冲激光, 辐照3个脉冲后, 温度分别升高94 ℃和82 ℃。石英在轴向方向的温度累积较径向更明显。研究激光与石英相互作用后温度场的分布对激光加工工艺有着重要的意义。     

激光剥离技术实现GaN薄膜从蓝宝石衬底移至Cu衬底

在GaN薄膜表面电镀厚100μm的、均匀的金属铜作为转移衬底.采用激光剥离技术,在400mJ/cm2脉冲激光能量密度条件下,成功地将GaN薄膜从蓝宝石衬底转移至Cu衬底.激光剥离后Cu衬底上GaN薄膜的扫描电子显微镜(SEM)测试结果表明,电镀Cu衬底与GaN之间形成致密的结合,对GaN薄膜起到了很好的支撑作用.同时铜的延展性好,使得GaN薄膜内产生的应力得到有效释放,保持了剥离后GaN薄膜的完整性.激光剥离后GaN表面残留物的X射线光电子能谱(XPS)分析显示,激光辐照产生的金属Ga部分与空气中的氧结合形成Ga2O3,这是剥离后GaN表面后处理困难的原因,并给出了相应的解决方法.     

Micro-LED蓝宝石衬底AlN上GaN激光剥离研究

为了比较分析纳秒激光和皮秒激光剥离微型发光二极管(micro-LED)时AlN上GaN的热传导效果, 采用了改进的实时紫外光吸收和热传导的激光剥离理论模型进行计算分析的方法, 取得了在不同的激光波长、激光脉冲宽度、激光能量密度下的紫外波段光辐照时和停止辐照后GaN材料热场分布等数据, 并获得了适合micro-LED器件剥离的所用纳秒激光和皮秒激光的阈值条件。结果表明, 激光脉宽、激光波长、激光能量密度是实现激光剥离工艺的关键因素; 较适合的激光波长为209 nm~365 nm的紫外波段; 皮秒激光的剥离效果优于纳米激光, 且激光的脉冲宽度越短, 激光的波长越短, 剥离所需激光脉冲阈值能量也越低, 则对LED芯片区域的热影响也越小。该研究可为开发新型激光剥离设备和相关工艺应用提供重要参考。     

基于有限元的脉冲激光辐照材料温度场研究

在激光超声检测过程中,为了合理加载脉冲激光的能量,以便获得幅值较大的超声波信号,同时避免脉冲激光造成材料的损伤,需要对脉冲激光辐照材料的温升进行数值计算。依据有限元理论,建立脉冲激光辐照材料的有限元模型,结合导热微分方程,将脉冲激光以热流密度的形式加载于材料表面,分析材料表层受激光辐照时的温度场,讨论有限元热分析时网格尺寸的选取对分析结果的影响。给出了材料表层受脉冲激光辐照时温度场的计算方法和网格尺寸的选择依据,并利用温度场的理论解析结果和应力场分析结果分别验证了温度场有限元计算方法的正确性和有效性。     

脉冲激光辐照皮肤组织的热效应解析计算研究

具有一定强度的激光辐照皮肤组织时可造成组织的破坏.建立了激光与皮肤组织相互作用的二维非稳态温度场模型,在柱坐标系下采用积分变换法精确求解了单脉冲及多脉冲激光辐照皮肤组织的热传导方程,得到瞬态温度场分布,并以1064 nm波长激光辐照皮肤组织为例,数值模拟了皮肤组织在激光作用下的温度分布.研究结果表明:脉冲激光与组织的热效应在很大程度上取决于激光参数,主要有激光能量、焦斑半径、重复频率等.     

耦合系数对激光辐照金属材料温度场的影响

为研究耦合系数随温度变化对短脉冲激光辐照金属材料产生的温度场分布的影响,基于双温耦合理论,建立了短脉冲激光辐照金属材料金加热过程的有限元求解模型.在同时考虑脉冲激光的空间、时间分布和多参数同时随温度变化的情况下,计算得到了短脉冲激光辐照金属材料金激励产生的温度场瞬态分布,比较了耦合系数随温度变化和不随温度变化两种情况下...     

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。     

重频光脉冲对半绝缘GaAs光导开关损伤分析

通过波长为1 064 nm的重频激光光脉冲触发半绝缘GaAs光导开关损伤测试实验,观察脉冲激光触发过程中光电导开关电阻率的变化,对比低重频(1 kHz)和高重频的激光脉冲对GaAs光电导开关芯片的损伤阈值,分析了不同重复频率的激光脉冲引起光导开关芯片材料光损伤的主要原因,并探讨了损伤机理。研究表明,在重复频率激光作用下GaAs光导开关芯片材料的破坏阈值比在单脉冲作用下低,且不同重复频率的激光辐照下材料表面的温升速率不同。当激励光脉冲重复频率较低(1 kHz)时,芯片内的温升效应不显著,此时光损伤与重复频率无明显依赖关系,主要损伤机制为微损伤累积;而当重复频率较高时,开关材料内热积累引起的损伤占主要地位。     

准分子激光对掺杂SnO2气敏元件性能的影响

一定能量密度的准分子激光作用于掺杂ＳｎＯ２烧结型气敏元件敏感材料表面后，元件性能发生了显著的变化。元件电阻和对气体的灵敏度比作用前有明显的增加，同时材料表面颜色生变化，分析认为该过程中由于短脉冲的准分子激光作用，使ＳｎＯ２材料快速升温熔化并快速冷凝重构，导致表面变性，从而引起了材料电性能和气体敏感性能的变化。