强激光辐照探测器材料力学效应的解析研究

当探测器材料受激光辐照时,由于吸收激光的能量,从而在材料体内形成一个不均匀分布的温度场,由于材料是连续分布的介质,其各部分不能自由地膨胀,相互制约,从而产生热应力。一旦靶材中产生的热应力超过靶材的破坏强度,便会使材料造成永久性的损伤破坏。当辐照激光功率密度不高时,产生的热应力对靶材的破坏是一种十分重要的破坏机制。采用解析方法,研究了连续波化学激光辐照探测器材料时产生的温升及热应力,讨论了不同激光参数（ 强度、波型、波长及脉冲持续时间） 与温度变化及热应力之间的变化关系,以及造成探测器材料热应力损伤的激光强度阈值。     

强激光与靶材相互作用的力学效应研究

根据模拟激光源加热金属材料的实验情况,考虑材料的物性参数随温度的变化,通过求解热传导方程得到各种情况下材料的温度时空分布,并利用热弹性本构方程,应变－位移关系以及应力平衡关系,建立了激光辐照金属材料时的轴对称热应力的计算模型,通过数值是到在不同激光强度辐照时靶材内不同时刻的温升分布和热应力分布,并对造成金属材料热应力损伤的激光阈值强度进行了讨论。     

激光诱发板材热应力成形技术及其研究现状

概述了板材激光热应力成形技术的发展现状,分析了板材激光热应力成形的主要影响因素,综述了激光束参数、材料的性能及工件几何尺寸对激光热应力弯曲成形的影响,概括了激光热应力成形工艺的一些规律.为了能使板材激光热应力成形技术应用于生产,在总结前人研究成果的基础上,指出了板材激光热应力成形工艺存在的关键问题,并提出了目前板材热应力成形技术应用于生产所需要研究的内容.     

应用加热软化和应力效应的激光加工技术

常规激光加工技术多是利用高温使材料熔化或气化而达到加工目的,但是往往需要克服在激光加热过程中引起的材料软化和热应力.探讨了利用激光加热引起的软化和热应力效应进行加工的可行性,主要研究了激光加热辅助切削(LAM)技术和激光加热弯曲三维成形技术等非常规激光加工技术,着重探讨了LAM陶瓷材料的温度场变化、切屑形态和加工表面形...     

红外激光划痕涂层的应力应变理论分析

为研究涂层的热应力和应变与涂层结合强度之间的关系,对红外激光划痕后的涂层的热应力应变进行了理论分析,建立了涂层的热应力理论模型和应变公式.红外激光划痕涂层的试验结果表明,激光划痕后涂层在沿其厚度方向上的应变量有明显的突变过程,突变点的位置即是涂层从基体脱离下来的临界位置;激光划痕时涂层的剥离应力随涂层的温度增大而增大,并会呈现出两个阶段过程变化,进而说明了两个阶段之间的转折点反映了涂层结合强度的大小.     

材料性能参数对板料激光弯曲成形的影响

板料激光变曲成形是通过激光扫描金属板料所导致的非均匀热应力使板料产生塑性变形,材料的性能参数（包括材料的力学性能与热物理性能）对激光弯曲成形的影响很大。本文在实验的基础上,建立了符合实际的三维热机耦合有限元分析模型,对板料激光弯曲成形过程进行了数值仿真,研究了材料性能参数,如弹性模量、屈服强度、热膨胀系数、比热及热传导系数等对成形的影响规律。     

液晶显示玻璃基板激光切割热应力场的有限元仿真

激光切割玻璃基板是一个复杂的激光与材料相互作用的过程。为了掌握切割过程中热应力场的动态分布,提高切割质量,提出了一种热应力场的仿真方法。在有限元软件Ansys环境下,建立了三维液晶显示玻璃基板激光切割热应力场的有限元分析模型。采用间接法方式对温度场和热应力场进行耦合;通过APDL参数化编程语言,实现了对激光移动热源及射流冲击换热模型的仿真。仿真结果表明:在切割过程中,激光照射区内表现为压应力,压应力最大值出现在热源中心处;在激光光斑前、后一段距离内及冷却点附近均表现为拉应力。增大冷却效果及减小冷却点与激光光斑间的距离,均可增大拉应力δy的值。     

重频激光辐照半导体损伤的有限元分析

在考虑到材料热力学参数随温度变化的前提下,以热传导方程和热弹方程为基础,采用有限元分析算法,考查了200ns脉宽、1064nm波长重频激光辐照下,半导体材料InSb体内的温升和热应力分布,分析了由温升效应所致该材料的损伤破坏类型,探讨了热熔融损伤和热应力损伤阈值随光斑尺寸、脉宽、重复率、脉冲次数等的变化规律。     

双束CO2激光切割玻璃的实验研究

为了寻求更加有效的激光切割玻璃的方法,提高玻璃的切割质量,在激光热应力切割玻璃的基本原理的基础上,比较了单束聚焦CO2激光与单束非聚焦CO2激光切割玻璃的优劣,提出了双束CO2激光热应力切割的方法.先用一束低功率聚焦的CO2激光在玻璃表面划线.而后用非聚焦的CO2激光沿着该划线进行扫描,在热应力的作用下使玻璃沿着该划线分离,从而实现玻璃的切割.实验分析了单束和双束CO2激光热应力切割玻璃的切割效果.结果表明,相对于单束CO2激光切割的方法,利用双束CO2激光进行玻璃的切割,既可以保证切缝沿既定方向扩展又可以提高切面的光洁度,是一种比较理想的玻璃切割方法.     

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。     

激光辐照光学材料热力效应的解析计算和损伤评估

光学元件的损伤是高功率激光技术发展的一个瓶颈，为此以连续CO2激光辐照K9玻璃为例，研究了连续激光辐照光学材料的热力损伤机理。通过积分变换方法，求解热传导和热弹性力学方程组，由此得到激光辐照引起的温度场和热应力场的瞬态分布。研究中发现在高斯光束作用下，热扩散长度的概念不再适用，因此通过曲线拟合方法，推导出最大热应力的位置与辐照时间的关系，并由此计算出材料的损伤阈值。由于K9玻璃的应力损伤阈值小于熔融损伤阈值，因此当激光作用引起的环向热应力大于材料的抗拉强度时，材料发生永久性损伤，损伤形态为拉伸解理。将理论模型的相关结论与实验结果相对比，两者吻合得很好。     

红外激光辐照探测器材料温升的数值计算

采用数值方法,考虑自由载流子吸收、单光子光致电离吸收和双光子光致电离吸收等激光吸收机制以及材料的光学、热学性质对温度和载流子密度的依赖性,通过求解能量输运方程以及温度扩散方程,研究了探测器材料受连续波红外激光辐照时的温升过程,讨论了材料的温升与入射激光波长、功率和辐照时间的关系,并给出了材料内温度的瞬态分布     

高斯激光辐照焦平面探测器温度场分析与仿真

为了研究激光辐照焦平面探测器的温度效应,采用ANSYS有限元软件建立高斯脉冲激光辐照锑化铟红外焦平面探测器的3维结构分析模型,并对该探测器3维温度场效应进行了研究。结果表明,激光辐照下,探测器最大温度出现在最上层的锑化铟芯片上,探测器最大温度达到锑化铟芯片熔点温度798K时,将会引起探测器的热熔融损伤,且熔融损伤阈值受到脉宽、光斑半径等激光参量的影响;高斯脉冲激光辐照下,探测器中各层材料的温度场分布呈现出非连续的高温极值区域,其主要原因是位于锑化铟红外焦平面探测器中间层相间分布的铟柱和底充胶具有迥异的热学性质,并且造成探测器温度场云图中锑化铟芯片、底充胶与硅读出电路高温极值区域形成类似于互补的高温分布。这为进一步研究温升效应引起的应力场分布、提高探测器激光防护性能提供了重要的理论分析依据。     

环形激光二极管抽运激光棒的热致退偏分析

利用自行编制的热效应模拟软件，采用光线追迹方法获得激光棒内的热沉积分布，在此基础上利用热传导模型和热力光学模型，对高功率环形激光二极管阵列抽运的棒状激光放大器中动态热致退偏进行了详细模拟计算．并比较了不同输入功率下的热致退偏情况。结果表明，采用基于光线追迹的发热模型，可以很好地计算环形激光二极管抽运激光棒中的热效应问题；瞬态下的光程差分布和同消色线退偏图案的环数与棒内瞬态温升分布有关；输入功率越高，热效应引起的相对光程差就越大，波前畸变就越大，引起的热致退偏也就越严重，在同消色线图案中的环数就越多。     

高功率激光对光电器件的热-力破坏效应

热-力破坏效应是导致光电器件激光损伤的重要因素.以激光与材料相互作用机理为基础,建立了激光辐照光学材料、光电器件的热-力学模型,并对其温度场分布和热应力场分布进行了解析求解.在此基础之上,对激光对K9玻璃、类金刚石薄膜、胶合透镜和HgCdTe探测器的热-力破坏效应进行了数值分析和实验研究.     

脉冲激光对星载探测器的干扰和损伤分析

该文采用高斯光束辐照半无限固体的温升模型,研究了探测器表面温升与激光干扰和损伤阈值的变化关系。发现脉冲CO2激光对探测器的干扰和损伤与脉宽无关,只与脉冲能量密度有关,探测器表面温升与入射激光脉冲能量密度成正比关系,干扰阈值比损伤阈值要低一个数量级。通过理论分析,求出了干扰和损伤星载HgCdTe探测器所需CO2激光的脉冲能量。定性分析结果表明高平均功率重频脉冲激光更容易对星载探测器造成有效干扰和永久性损伤。     

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。     

强激光辐照光学材料的热力效应研究

在建立强激光辐照光学材料物理模型的基础上,采用解析解的形式计算了高斯型连续激光照射圆柱形靶板的三维温度场以及相应的应力分布。分析了高斯光束作用时,环向热应力最大值及其作用时间的关系,指出三维时,“热扩散长度”的概念不再适合。通过数值分析给出了与特定参量相对应的拟合公式,并计算出相应的损伤阈值。对理论计算与实验结论进行了比较,验证了理论模型的合理性。     

半导体基片在10.6μm激光局域加热时的温度上升

在激光诱导扩散等激光微细加工技术中，需要用聚焦激光束照射基片表面，以形成局部高温区。为使局部高温区的温度分布满足实验要求，对10．6pm聚焦连续波CO2激光束照射下半导体基片的温度上升进行了数值计算。计算中考虑了基片材料对10．6μm激光的吸收系数随温度的变化。计算得到了温度上升与基片预热温度、入射激光束功率及曝光面积等参数的关系。结果表明，基片初始温度为室温及激光焦斑直径小于100μm时，激光照射形成稳定高温区的最高温度不超过600K。增加基片初始温度，可以在建立满足要求的温度上升的同时，减小基片上高温区分布的面积。在同一初始温度下，在基片高温区分布的面积符合实验要求的前提下，应尽量使用较大的光斑尺寸和激光功率，从而使基片表面热斑的温度分布更易控制。