激光对固体材料的热效应精要.ppt

激光对固体材料的热效应 学生: 文丞 S1403W0140 导师：余剑武 * 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: 前言 103~104W/CM3 104~106W/CM3 106~108W/CM3 108~1010W/CM3 加热 熔化 汽化 等离子体 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。 什么是激光与物质的热效应？ 激光焊接 激光切割 激光打孔 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。 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