長脈沖激光輻照層狀材料的熱力效應研究.pdf

1、本文采用理論計算和有限元數(shù)值模擬的方法對長脈沖激光輻照層狀材料的熱力效應進行了建模和求解，研究了其產(chǎn)生、變化直至材料損傷的特性與規(guī)律。
　　基于傅里葉熱傳導理論和解析法建立了長脈沖激光輻照單層半導體材料的一維、二維平面的溫度場計算模型，計算了材料內(nèi)的瞬態(tài)溫度場。然后采用半解析法建立了波長0.53μm的長脈沖激光輻照GaAs的二維軸對稱溫度場計算模型，模擬了吸收率不同的GaAs內(nèi)部的瞬態(tài)溫度場及表面熱致分解損傷閾值，結果表明：較高的

2、吸收率引起材料表面的溫升較高，但分解損傷閾值較低；增加作用激光能量密度，GaAs表面發(fā)生分解損傷隨之提前。
　　針對長脈沖激光輻照單層半導體材料的熱力問題，基于熱傳導理論和熱彈性力學理論，采用解耦的方式，建立了二維軸對稱熱力耦合模型。采用有限元法模擬了硅材料的瞬態(tài)溫度場、熱應力場和位移場。研究發(fā)現(xiàn)：硅的最大徑向壓應力和最大環(huán)向壓應力均出現(xiàn)在材料表面淺層的中心軸上，如果該處應力超過極限強度時，將導致材料出現(xiàn)裂紋，進而發(fā)生熱力損傷；在

3、其他參數(shù)相同的情況下，材料的吸收系數(shù)與吸收率較大時、且長脈沖激光輻照硅的熱源強度較高致使其產(chǎn)生的溫升較高、最大壓應力值較大、導致的最大軸向位移量較大。
　　在建立了長脈沖激光輻照雙層材料的熱力耦合模型基礎上，采用有限元法分別模擬了鋁-銅系統(tǒng)和鋁-玻璃系統(tǒng)的溫度場、熱應力場和位移場，最后分析和比較了這兩種系統(tǒng)的溫度場分布、等效應力場分布和位移場分布規(guī)律。研究結果表明，由于各層材料的熱傳導系數(shù)和熱膨脹系數(shù)的差異，在相同條件的激光輻照下

4、，系統(tǒng)在厚度方向上的溫度分布和應力分布均出現(xiàn)了不連續(xù)現(xiàn)象，因而破壞效果不同，表現(xiàn)為：鋁.銅系統(tǒng)發(fā)生斷裂的危險地帶位于輻照表面的中心軸附近；而鋁-玻璃系統(tǒng)位于雙層材料交界面的中心軸附近，并且鋁-玻璃系統(tǒng)的溫升較高、等效應力值較高、位移量較多。因此，在相同能量密度的長脈沖激光輻照下，鋁-玻璃系統(tǒng)更容易發(fā)生熱力效應損傷，并從應力值最大的位置向周圍擴大，進而導致系統(tǒng)出現(xiàn)斷裂破壞。
　　建立了波長1.06μm的長脈沖激光輻照幀轉(zhuǎn)移型面陣CC

5、D傳感器的MOS光敏單元的熱力耦合模型，采用有限元法模擬了長脈沖激光輻照MOS光敏單元的溫度場和應力場，得到了長脈沖激光致使MOS光敏單元產(chǎn)生硬破壞的結果：在長脈沖激光作用下，由于S層表面徑向壓應力超過其抗壓強度引起MOS光敏單元出現(xiàn)了OS層間分裂，并在徑向、環(huán)向和軸向壓應力的共同作用下，層間分裂就擴大至光敏單元的整個OS層間。OS層間的完全分裂將導致光敏單元發(fā)生硬破壞，進而使CCD傳感器中激光照射區(qū)的單個或一列光敏單元的功能完全喪失。