長脈沖激光輻照層狀材料的熱力效應(yīng)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(yīng)進(jìn)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(dǎo)理論和解析法建立了長脈沖激光輻照單層半導(dǎo)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(jié)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(dǎo)體材料的熱力問題，基于熱傳導(dǎo)理論和熱彈性力學(xué)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(yīng)力場和位移場。研究發(fā)現(xiàn)：硅的最大徑向壓應(yīng)力和最大環(huán)向壓應(yīng)力均出現(xiàn)在材料表面淺層的中心軸上，如果該處應(yīng)力超過極限強(qiáng)度時，將導(dǎo)致材料出現(xiàn)裂紋，進(jìn)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(qiáng)度較高致使其產(chǎn)生的溫升較高、最大壓應(yīng)力值較大、導(dǎo)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(chǔ)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(yīng)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(yīng)力場分布和位移場分布規(guī)律。研究結(jié)果表明，由于各層材料的熱傳導(dǎo)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(yīng)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(yīng)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(yīng)損傷，并從應(yīng)力值最大的位置向周圍擴(kuò)大，進(jìn)而導(dǎo)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(yīng)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(jié)果：在長脈沖激光作用下，由于S層表面徑向壓應(yīng)力超過其抗壓強(qiáng)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(yīng)力的共同作用下，層間分裂就擴(kuò)大至光敏單元的整個OS層間。OS層間的完全分裂將導(dǎo)致光敏單元發(fā)生硬破壞，進(jìn)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。