激光辐照破坏红外探测器机理分析

红外探测技术是获取信息的主要手段之一,红外系统的核心是红外探测器.针对激光武器辐照破坏红外探测器进行理论分析和实验研究,得出两个结论:一是利用红外探测器的一维热模型,在对探测器材料的破坏阈值进行理论计算的基础上,用C02激光器辐照InSb探测器对破坏阈值进行实验研究,理论和实验数据吻合较好;二是激光武器摧毁空间目标具有速度快、攻击空域广的特点,利用激光的光效应和高能热效应,直接照射武器装备可以破坏其红外探测器,从而使敌方的武器装备处于瘫痪状态.     

激光辐照对红外探测器的损伤

根据红外探测器的结构特点和传热学理论,研究激光干扰机的激光器对探测器的损伤效果。以InSb探测器为例,设定入射激光从顶层辐照,结合各层之间热传导效应建立分层热模型。考虑激光在空间上的分布为高斯分布,给定初值和边界条件,利用Matlab偏微分工具箱进行建模仿真。重点研究了辐照距离、辐照时间和激光器功率等因素对探测器损伤效果的影响,给出了相应的仿真结果。当连续激光功率为50 W、距离为200 m、辐照时间为3 s时,对探测器的损伤效果主要是软损伤,受激光功率密度所限,未能造成永久性破坏。     

空间辐照环境及红外光子探测器的辐照效应

红外探测器技术在20世纪获得了巨大的发展,其在空间遥感领域的应用也越来越广。外层空间中存在着各种辐射,这就给红外探测器提出了抗辐射要求。本文首先总结了当前对空间辐照环境的认识,其中包括宇宙射线、地球辐射带、太阳粒子事件、大气中的次级成分、太空飞行器内部的次级成分,然后按照时间顺序对当前器件辐照效应的研究现状进行了综述。     

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。     

激光辐照对HgCdTe长波光导探测器性能的影响

对HgCdTe长波光导探测器进行了变功率激光辐照,对激光辐照前后的探测器性能进行了测试。结果表明在受到功率高于暂时损伤阈值但低于永久损伤阈值的激光辐照后,探测器性能有较大的下降。     

激光辐照HgCdTe探测器的温度场数值分析

建立激光辐照下HgCdTe光电导探测器的非稳态物理模型，进行温升计算，得到温度场分布的数值解。分析瞬态温度场分布随时间变化的关系，讨论了激光辐照对探测器性能参数的影响，实践证明，本研究方法简便有效，能够对器件机理的分析提供理论依据。     

激光辐照材料表层温升规律的数值模拟

为了在烧蚀机制下的激光超声检测中合理加载激光能量,获得幅值较大的超声信号而不过于损伤被检材料,需要分析激光辐照材料表层的温升规律及激光烧蚀的问题。建立了激光辐照材料的理论模型,激光以热流密度的形式加载于材料表面。结合导热微分方程,将对流传热和辐射传热一同考虑,并在材料表层升温过程中有效处理了相变潜热,对材料表层受激光辐照的温度场进行了数值模拟。给出了激光烧蚀材料有限元分析的程序流程,选择45#钢坯为例进行激光辐照仿真计算,分析了钢坯表层受激光辐照区域、区域下方及区域边界附近节点的温升规律,并对比钢坯受激光辐照的实际烧蚀情况和通过采集激光超声波信号进行了验证。结果表明,数值模拟能够为后续热应力分析中载荷的加载提供依据,并为激光超声检测中激光能量的加载提供了参考。     

红外探测器辐照机理分析及辐照试验验证

红外探测器处于太空或辐射环境会受到各种辐射粒子作用,其性能会发生衰减。本文主要分析了各种辐射效应对HgCdTe红外探测器性能影响机理。针对红外探测器复合钝化加固方法,ROIC环源环栅加固方法进行试验验证。辐照试验显示,加固后的红外探测器互联抗辐照读出电路,其抗总剂量、抗剂量率及抗中子辐射位移达到了比较好抗辐照效果。     

二维情形下组合激光辐照45~#钢靶温升效应的模拟

基于组合激光的新概念,对重频激光与连续激光组合辐照下钢靶的温升进行了数值计算.根据实验测得的钢靶时1.06μm连续激光的反射率随温度的变化曲线,通过求解二维轴对称热传导方程,比较了不同组合参数下钢靶的温升以及能量利用率,分析了组合激光的优势所在.计算结果表明:平均功率密度相同时,组合激光要比连续激光的加热效率高,加热效率还与组合激光中重频激光的各种参数相关,重频激光占空比为1%且峰值功率密度保持不变时,加热效率随着重频率的减小而增高.     

激光对金属背面含能材料的点火阈值

实验研究了Nd:YAG激光束通过辐照薄金属片,而对其后紧贴的含能材料的点火阈值。分析了激光对含能材料点火的过程和机理,并讨论了激光光斑尺寸、激光入射角度对点火的影响。     

金属球壳在激光辐照下热效应的数值计算

利用有限元法对金属球壳在恒定功率密度激光辐照下的热效应进行了数值计算,分析了在激光辐照过程中,金属球壳内外壁的温升、温差的变化规律,并主要以铜、铝材料为例,比较了铜、铝球壳在激光辐照下的温度变化和外壁温度响应情况.数值计算结果表明,激光辐照期间,在经过热响应的过渡过程后,金属球壳内、外壁的升温率几乎为常量,内外壁温差基本保持恒定值;对于壁厚在0.004～0.02 m范围内的铜、铝球壳,激光辐照停止后,内外壁热平衡过程在几十ms到1s的时间内结束.     

灯泵铥激光器温度特性的实验研究

利用粒子的热分布理论,推导了铥晶体的吸收系数和铥激光器阀值与温度的关系;利用自行研制的掺铥激光器测量了铥晶体的吸收系数随温度的变化,实验结果和理论值符合得很好;测量了在不同温度下自行研制的铥激光器的输入输出特性,得到了不同温度下激光器的阀值。理论和实验结果都表明引起铥激光器高阀值的主要原因是温度引起的激光下能级的热分布粒子。     

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。     

激光辐照铝材表面温度场特征演化的数值模拟

建立激光辐照铝材料的有限元分析模型,对材料表面的温度场进行数值模拟。研究了激光光束在对材料表面扫描过程中激光扫描速度、TEM00及TEM10两种理想模式的叠加比例η的取值、材料厚度等因素对扫描结果的影响。分析了在材料上所取的几个目标点的温度场变化情况。仿真结果表明扫描的速度快慢决定了材料表面可以吸收激光能量的多少,影响材料的最高温度;η的取值决定了激光光束的能量分布情况,η值越高激光光束能量越集中,在扫描过程中目标点的温度变化越剧烈;随着深度的增加,材料内部的温度的最高值逐渐降低,温度的升高趋势逐渐趋于平缓。     

金属材料脉冲激光辐照瞬态温度场数值模拟研究

为了研究脉冲激光辐照金属材料时温度场的变化,采用有限元模拟软件对激光辐照材料的过程进行了模拟。得到了激光辐照过程中,材料表层及内部的瞬态温度场的变化情况。结果表明,在脉冲激光辐照金属材料过程中,激光热作用时间很短,热影响区仅限于激光光斑作用区域的材料表层。     

脉冲激光辐照金属板温度场应力场数值分析

为了研究脉冲激光加热金属板的温度场和应力场的特点,基于弹塑性力学理论,采用有限元分析方法,对脉冲激光扫描过程中金属板的温度场和应力场进行了3维数值模拟,得到了温度场与应力场在时间和空间上的分布和变化规律。结果表明,在脉冲激光扫描加热作用下,金属表面发生多次熔化和凝固,温度时间曲线呈锯齿形;重熔区域应力场变化剧烈,随间歇的激光脉冲发生强烈的拉-压应力波动;金属基体冷却后在重熔区域留有高值残余拉应力,纵向应力达799MPa,横向应力达700MPa。     

激光辐照下金属圆板温升的数值模拟研究

根据实验测量得到的钢靶表面能量耦合系数随温度的变化规律,使用两种不同的数值计算方法计算了连续激光辐照下45#钢靶的温升过程。结果表明,在ANSYS有限元软件中可以使用生热率载荷来模拟材料表面能量耦合系数随温度变化的问题,实际应用中必须考虑能量耦合系数随温度的变化才能准确估计目标的温度场演化规律,本文的计算方法可以推广至三维情形。