毫秒脈沖激光對(duì)金屬和半導(dǎo)體材料熱損傷的研究.pdf

1、利用高能量激光的熱效應(yīng)，完成金屬和半導(dǎo)體等各類(lèi)材料的熱加工，如激光切割、激光焊接、激光打孔等，在工農(nóng)業(yè)以及軍事應(yīng)用等方面都有著非常重要的應(yīng)用。其中，在工業(yè)上，利用激光熱源把材料局部熔化，經(jīng)冷卻融合的過(guò)程稱(chēng)為激光焊接；利用高速輔助氣流吹除熔融或汽化的材料，形成切口或孔徑的過(guò)程稱(chēng)為激光切割和激光打孔。而在軍事上，如利用單個(gè)或多個(gè)高能量激光器構(gòu)建而成的激光武器系統(tǒng)，不僅可通過(guò)致盲敵方的導(dǎo)彈等攻擊性武器的探測(cè)器而使其失效，甚至可以在數(shù)毫秒至數(shù)秒

2、的短時(shí)間內(nèi)直接摧毀敵方的飛機(jī)、坦克等軍事目標(biāo)，以完成戰(zhàn)術(shù)和戰(zhàn)略防御和攻擊的任務(wù)。 截至目前，國(guó)內(nèi)外，針對(duì)納秒、皮秒和飛秒脈寬的脈沖激光以及輻照時(shí)間長(zhǎng)達(dá)數(shù)秒以上的連續(xù)激光，對(duì)介質(zhì)、半導(dǎo)體和金屬等各類(lèi)材料破壞特性的研究較多，而對(duì)毫秒脈沖激光的破壞特性等的報(bào)導(dǎo)相對(duì)較少。針對(duì)這種情況并結(jié)合項(xiàng)目的需求，本文對(duì)毫秒脈沖強(qiáng)激光輻照下，半導(dǎo)體和金屬材料的熔融和氣化等熱損傷過(guò)程，進(jìn)行了詳細(xì)的研究。以經(jīng)典傅立葉熱傳導(dǎo)方程為基礎(chǔ)，結(jié)合不同的邊界條件，

3、利用顯熱容法和顯式有限差分格式，編制了C語(yǔ)言數(shù)值計(jì)算程序，詳細(xì)計(jì)算和分析了鋁、銀、銅、鈦等金屬材料和硅、鍺等半導(dǎo)體材料在熔融和氣化等相變前后的空間溫度場(chǎng)分布，融化后液體深度和融化速度，得到了相應(yīng)材料在ms脈沖激光輻照條件下的熔融損傷和汽化損傷的閾值。 本論文的主要工作內(nèi)容包括： 一、總結(jié)了影響激光熱損傷形態(tài)和閾值的激光輻照和材料類(lèi)型因素，認(rèn)為強(qiáng)激光對(duì)不同材料的損傷機(jī)制不僅取決于入射激光的脈沖寬度或輻照時(shí)間，而且取決于激光

4、的波長(zhǎng)、重復(fù)頻率、模式類(lèi)型以及被輻照或者被損傷的材料類(lèi)型等。并對(duì)毫秒脈沖激光輻照下，金屬和半導(dǎo)體等材料的熔融和汽化等熱損傷的機(jī)理作了分析，給出了描述材料熔融和汽化等相變過(guò)程的通用數(shù)學(xué)模型。 二、將描述熔融過(guò)程的顯熱容法進(jìn)行了拓展，首次將其應(yīng)用于汽化相變過(guò)程的研究。在國(guó)內(nèi)外未見(jiàn)過(guò)類(lèi)似的報(bào)道。 三、分析了解析法求解熱傳導(dǎo)方程局限性；并在研究了激光輻照損傷有限差分?jǐn)?shù)值計(jì)算方法的基礎(chǔ)上，利用上述顯熱容法和有限差分法的顯式格式，編

5、制了針對(duì)一維條件下計(jì)算激光輻照損傷的簡(jiǎn)單高效的數(shù)值計(jì)算程序。 四、利用上述程序，分別求解了半導(dǎo)體材料硅、鍺和金屬材料鋁、銀、銅、鈦等，在熔融和氣化前后的空間溫度場(chǎng)分布，給出了相應(yīng)材料熔融時(shí)的液態(tài)深度、融融速度。并得到了相應(yīng)材料的熔融閾值和汽化閾值。 五、詳細(xì)分析了激光的輻照時(shí)間和功率密度、材料的熱吸收系數(shù)和熱傳導(dǎo)率等參數(shù)，對(duì)熔融和汽化前后溫度場(chǎng)分布以及熔融和汽化閾值的影響。 本文對(duì)金屬和半導(dǎo)體等強(qiáng)吸收材料的熔融和