毫秒脈沖激光對金屬和半導體材料熱損傷的研究.pdf

1、利用高能量激光的熱效應，完成金屬和半導體等各類材料的熱加工，如激光切割、激光焊接、激光打孔等，在工農(nóng)業(yè)以及軍事應用等方面都有著非常重要的應用。其中，在工業(yè)上，利用激光熱源把材料局部熔化，經(jīng)冷卻融合的過程稱為激光焊接；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程稱為激光切割和激光打孔。而在軍事上，如利用單個或多個高能量激光器構建而成的激光武器系統(tǒng)，不僅可通過致盲敵方的導彈等攻擊性武器的探測器而使其失效，甚至可以在數(shù)毫秒至數(shù)秒

2、的短時間內(nèi)直接摧毀敵方的飛機、坦克等軍事目標，以完成戰(zhàn)術和戰(zhàn)略防御和攻擊的任務。 截至目前，國內(nèi)外，針對納秒、皮秒和飛秒脈寬的脈沖激光以及輻照時間長達數(shù)秒以上的連續(xù)激光，對介質(zhì)、半導體和金屬等各類材料破壞特性的研究較多，而對毫秒脈沖激光的破壞特性等的報導相對較少。針對這種情況并結(jié)合項目的需求，本文對毫秒脈沖強激光輻照下，半導體和金屬材料的熔融和氣化等熱損傷過程，進行了詳細的研究。以經(jīng)典傅立葉熱傳導方程為基礎，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語言數(shù)值計算程序，詳細計算和分析了鋁、銀、銅、鈦等金屬材料和硅、鍺等半導體材料在熔融和氣化等相變前后的空間溫度場分布，融化后液體深度和融化速度，得到了相應材料在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型因素，認為強激光對不同材料的損傷機制不僅取決于入射激光的脈沖寬度或輻照時間，而且取決于激光

4、的波長、重復頻率、模式類型以及被輻照或者被損傷的材料類型等。并對毫秒脈沖激光輻照下，金屬和半導體等材料的熔融和汽化等熱損傷的機理作了分析，給出了描述材料熔融和汽化等相變過程的通用數(shù)學模型。 二、將描述熔融過程的顯熱容法進行了拓展，首次將其應用于汽化相變過程的研究。在國內(nèi)外未見過類似的報道。 三、分析了解析法求解熱傳導方程局限性；并在研究了激光輻照損傷有限差分數(shù)值計算方法的基礎上，利用上述顯熱容法和有限差分法的顯式格式，編

5、制了針對一維條件下計算激光輻照損傷的簡單高效的數(shù)值計算程序。 四、利用上述程序，分別求解了半導體材料硅、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分布，給出了相應材料熔融時的液態(tài)深度、融融速度。并得到了相應材料的熔融閾值和汽化閾值。 五、詳細分析了激光的輻照時間和功率密度、材料的熱吸收系數(shù)和熱傳導率等參數(shù)，對熔融和汽化前后溫度場分布以及熔融和汽化閾值的影響。 本文對金屬和半導體等強吸收材料的熔融和