激光对固体材料的热效应..

研究现状
1.长脉冲作用于光电探测器的研究现状
CarsalwHs(1959)首先使用积分变换法给出了较简单的激光加热问题时物体温度场 的解析解或近似解。七十年代,Kurer等人对光电探测器的激光热破坏进行了研究,并利 用热传导模型做了热效应分析。Moyer等人研究了短脉冲激光辐照下半导体材料的表 面效应。蒋志平等研究了激光辐照Insb探测器的温升过程,计算和讨论了胶层的热导率、 厚度对激光破坏闽值及热恢复时间的影响，还对激光辐照PC型HgCdTe探测器热损伤做 过计算。强希文等考虑了自由载流子吸收、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,考虑了材料的光学、热学性质的温度关系及热输运的非线性关系, 通过求解温度和载流子密度的祸合扩散方程,给出了材料内温度和载流子密度的瞬态分 布,对半导体材料激光损伤效应进行了数值求解。在激光与材料损伤机理研究中,很多 情况下未考虑径向热传导的影响.强希文等利用径向热传导方程计算了薄靶材的径向温 升分布。沈中华等考虑了材料的热物性参数在计算过程中的变化和入射激光的空间分 布,采用二维模型,得到Si材料在强激光作用下的轴向和径向温升分布,给出了表面层开 始熔化的时间与激光功率密度关系。还根据激光加热和熔融过程中的能量守恒方程,通 过假设一种符合物理和数学要求的温度分布形式,得到材料熔融前后的温度分布、熔融 界面推进速度和熔融深度变化的解析解,据此进行计算,得到了几种典型的半导体材料 的动态温升曲线。
激光对固体材料的热效应
学生: 文丞 S1403W0140 导师：余剑武
前言
自从T.H.梅曼在1960年研制出世界上第一台激光器诞生至今,各种激光器层出 不穷,如气体激光器、液体激光器、固体激光器、化学激光器、准分子激光器 和半导体激光器等。这些激光器的应用,遍及工业、农业、医学、军事、科学 研究等许多方面。例如,脉冲或连续激光器的聚焦光束能在坚硬的材料上打出 直径为微米数量级的小孔,这一现象在精密仪器加工、激光微外科、激光微加 工、激光打孔、激光切割等方面均获得了广泛的应用。又如用高功率 CO:激 光器切割几厘米厚的钢板并非难事。再如,美国政府战略防御计划中,关于激光 器的开发和应用经费占有相当高的比例。激光器在空间防御武器系统中也有 着重要的应用,诸如激光阻止或杀伤敌方目标而完成特定作战任务,摧毁敌方目 标上光电传感器和制导系统等。这些应用也促进了激光技术和激光物理学的 进一步发展。当高功率激光光束作用于靶表面时,靶表面吸收大量激光能量,引 起靶物质温度升高、熔融、气化、直至产生喷溅等现象。具体过程不仅依赖 于激光参数(能量、波长及脉宽等),还与靶物质的物理特性和作用环境条件密 切相关。一般说来,不同数量级的激光功率密度作用下的靶表面发生的物理现 象是:
103~104W/CM3 104~106W/CM3
加热 熔化
106~108W/CM3
汽化
108~1010W/CM3
等离子体
什么是激光与物质的热效应？
激光与物质的热效应是激光束入射于靶物质后发 生的主要物理现象之一。激光加热使材料升温,发 生热扩散热膨胀和热应力"如果激光能量在金属塑 料等材料中的沉淀足够强,材料表面层局部区域会 发生熔融和气化,这样就可以利用激光来打孔、切 割及其它许多应用。
激光焊接
激源自文库打孔
激光切割
研究背景
激光作用于物质上就会发生反射、散射和吸收，热学和力学效应是激光被物 质吸收后发生的主要物理现象。入射激光通过逆韧致吸收过程在材料表面趋 肤深度内被吸收,并在亚纳秒时间内转化为热能。这样物质温度会升高,物质的 状态、结构就会发生改变。因此,可利用激光束对工件进行刻标、切割、钻孔、 焊接、热处理、重熔、表面合金等,应用前景远大。热处理在材料技术中有着 广泛的应用,诸如金属的软化或硬化,半导体参杂扩散,混合物的复合形成,塑料 的聚合等,所以研究激光与物质的相互作用的热效应意义重大。在激光与典型 的半导体材料损伤机理研究中,热效应是其中最重要的物理效应之一。当探测 器材料受到一束连续波激光辐照时,由于吸收激光的能量,导致材料的加热,使 之出现一个随时间变化，随空间分布的温度场,从而使探测器的性质发生变化, 或发生暂时性失效或产生永久性损伤。因此,研究连续激光辐照探测器材料产 生的温升效应,就成为激光武器、激光加工和激光防护及加固技术中的重要课 题之一。
研究现状
2.飞秒激光研究现状
前苏联学者L.Anisimov等在1974年就提出了超短脉冲烧蚀金属的双温模型,该模型 从一维非稳态热传导方程出发,给出了电子和晶格在脉冲持续期间温度变化的微分方程。 后来,许多学者以此模型为基础开展了大量的研究。例如,1986年GL.Eesloy通过测量 皮秒以下激光对铜作用时反射率的变化,研究了铜材料中的电子和晶格温度的非平衡现 象,并用双温模型给出了很好的解释。1988年P.Bcorkum等在一定条件下对双温模型进 行了解析求解,推导出一个脉宽值表达式,揭示出当脉宽小于这个表达式值时,能流闽值 不满足正比τ1/2的规律.1996年B.N.Chiehkov等研究了脉冲激光对不同金属靶材的烧蚀, 揭示了超短脉冲烧蚀的优越性;并在不同脉冲时间内,对双温方程进行约化得到不同的 解析模型.1999年Falkovsky和Msihchonk基于波尔兹曼方程和费米狄拉克配分函数提 出了热电子爆炸模式,用以描述金属材料中的超快形变.2002年J.K.Chne等,综合双温模 型及上述热电子爆炸模式,在假定单轴应变三维高压条件下,提出一系列相互关联的瞬 时热弹性变形方程。 对激光与物质相互作用的数值计算就是从特定的物理模型出发,用计算机进行数值计 算或模拟,从而揭示激光与物质相互作用的某些性质和运动规律。激光与物质的热作用 研究主要是计算激光辐照下物质温度的变化,以及温度变化引起的一些热效应。
研究方法
研究激光对物质的热作用过程,主要有三种方法,即实验方法,理论模型分析方 法和数值计算方法。实验方法比较精确,但实验成本一般较高,实验条件比较苛 刻。理论模型分析方法都是在一定的限制条件下提出的,许多假设与实际情况 相差甚远,因此结果也是近似的,很难指导实际情况。对于激光热效应而言,虽 然材料在激光作用下的传热遵从热力学的基本规律,包含传导、对流、辐射这 三种传热形式,但它有自身的许多特殊性,例如:加热速度快;温度梯度大;材料表 面激光作用区内的激光光强分布不均匀;在激光辐射加热过程中,材料的吸收率 及其它热物性参数随温度变化等。因此,这是一个复杂的问题,很多热模型与实 际情况存在一定的误差,至今仍没有与实际符合很好的激光热模型"而数值计算 方法则非常灵活,能综合考虑实际条件,较好的模拟激光与物质相互作用过程, 且成本低廉,不受实验条件限制。