激光對(duì)固體材料的熱效應(yīng)

1、激光對(duì)固體材料的熱效應(yīng),學(xué)生: 文丞 S1403W0140 導(dǎo)師：余劍武,自從T.H.梅曼在1960年研制出世界上第一臺(tái)激光器誕生至今,各種激光器層出不窮,如氣體激光器、液體激光器、固體激光器、化學(xué)激光器、準(zhǔn)分子激光器和半導(dǎo)體激光器等。這些激光器的應(yīng)用,遍及工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、軍事、科學(xué)研究等許多方面。例如,脈沖或連續(xù)激光器的聚焦光束能在堅(jiān)硬的材料上打出直徑為微米數(shù)量級(jí)的小孔,這一現(xiàn)象在精密儀器加工、激光微外科、激

2、光微加工、激光打孔、激光切割等方面均獲得了廣泛的應(yīng)用。又如用高功率CO:激光器切割幾厘米厚的鋼板并非難事。再如,美國(guó)政府戰(zhàn)略防御計(jì)劃中,關(guān)于激光器的開發(fā)和應(yīng)用經(jīng)費(fèi)占有相當(dāng)高的比例。激光器在空間防御武器系統(tǒng)中也有著重要的應(yīng)用,諸如激光阻止或殺傷敵方目標(biāo)而完成特定作戰(zhàn)任務(wù),摧毀敵方目標(biāo)上光電傳感器和制導(dǎo)系統(tǒng)等。這些應(yīng)用也促進(jìn)了激光技術(shù)和激光物理學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展。當(dāng)高功率激光光束作用于靶表面時(shí),靶表面吸收大量激光能量,引起靶物質(zhì)溫度升高、熔融、

3、氣化、直至產(chǎn)生噴濺等現(xiàn)象。具體過程不僅依賴于激光參數(shù)(能量、波長(zhǎng)及脈寬等),還與靶物質(zhì)的物理特性和作用環(huán)境條件密切相關(guān)。一般說來,不同數(shù)量級(jí)的激光功率密度作用下的靶表面發(fā)生的物理現(xiàn)象是:,前言,,研究背景,激光作用于物質(zhì)上就會(huì)發(fā)生反射、散射和吸收，熱學(xué)和力學(xué)效應(yīng)是激光被物質(zhì)吸收后發(fā)生的主要物理現(xiàn)象。入射激光通過逆韌致吸收過程在材料表面趨膚深度內(nèi)被吸收,并在亞納秒時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)化為熱能。這樣物質(zhì)溫度會(huì)升高,物質(zhì)的狀態(tài)、結(jié)構(gòu)就會(huì)發(fā)生改變。因此,

4、可利用激光束對(duì)工件進(jìn)行刻標(biāo)、切割、鉆孔、焊接、熱處理、重熔、表面合金等,應(yīng)用前景遠(yuǎn)大。熱處理在材料技術(shù)中有著廣泛的應(yīng)用,諸如金屬的軟化或硬化,半導(dǎo)體參雜擴(kuò)散,混合物的復(fù)合形成,塑料的聚合等,所以研究激光與物質(zhì)的相互作用的熱效應(yīng)意義重大。在激光與典型的半導(dǎo)體材料損傷機(jī)理研究中,熱效應(yīng)是其中最重要的物理效應(yīng)之一。當(dāng)探測(cè)器材料受到一束連續(xù)波激光輻照時(shí),由于吸收激光的能量,導(dǎo)致材料的加熱,使之出現(xiàn)一個(gè)隨時(shí)間變化，隨空間分布的溫度場(chǎng),從而使探測(cè)器

5、的性質(zhì)發(fā)生變化,或發(fā)生暫時(shí)性失效或產(chǎn)生永久性損傷。因此,研究連續(xù)激光輻照探測(cè)器材料產(chǎn)生的溫升效應(yīng),就成為激光武器、激光加工和激光防護(hù)及加固技術(shù)中的重要課題之一。,研究方法,研究激光對(duì)物質(zhì)的熱作用過程,主要有三種方法,即實(shí)驗(yàn)方法,理論模型分析方法和數(shù)值計(jì)算方法。實(shí)驗(yàn)方法比較精確,但實(shí)驗(yàn)成本一般較高,實(shí)驗(yàn)條件比較苛刻。理論模型分析方法都是在一定的限制條件下提出的,許多假設(shè)與實(shí)際情況相差甚遠(yuǎn),因此結(jié)果也是近似的,很難指導(dǎo)實(shí)際情況。對(duì)于激光熱效

6、應(yīng)而言,雖然材料在激光作用下的傳熱遵從熱力學(xué)的基本規(guī)律,包含傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射這三種傳熱形式,但它有自身的許多特殊性,例如:加熱速度快;溫度梯度大;材料表面激光作用區(qū)內(nèi)的激光光強(qiáng)分布不均勻;在激光輻射加熱過程中,材料的吸收率及其它熱物性參數(shù)隨溫度變化等。因此,這是一個(gè)復(fù)雜的問題,很多熱模型與實(shí)際情況存在一定的誤差,至今仍沒有與實(shí)際符合很好的激光熱模型"而數(shù)值計(jì)算方法則非常靈活,能綜合考慮實(shí)際條件,較好的模擬激光與物質(zhì)相互作用過程

7、,且成本低廉,不受實(shí)驗(yàn)條件限制。,研究現(xiàn)狀,1.長(zhǎng)脈沖作用于光電探測(cè)器的研究現(xiàn)狀,CarsalwHs(1959)首先使用積分變換法給出了較簡(jiǎn)單的激光加熱問題時(shí)物體溫度場(chǎng)的解析解或近似解。七十年代,Kurer等人對(duì)光電探測(cè)器的激光熱破壞進(jìn)行了研究,并利用熱傳導(dǎo)模型做了熱效應(yīng)分析。Moyer等人研究了短脈沖激光輻照下半導(dǎo)體材料的表面效應(yīng)。蔣志平等研究了激光輻照Insb探測(cè)器的溫升過程,計(jì)算和討論了膠層的熱導(dǎo)率、厚度對(duì)激光破壞閩值及熱恢復(fù)時(shí)間

8、的影響，還對(duì)激光輻照PC型HgCdTe探測(cè)器熱損傷做過計(jì)算。強(qiáng)希文等考慮了自由載流子吸收、單光子光致電離吸收和雙光子光致電離吸收等激光吸收機(jī)制,考慮了材料的光學(xué)、熱學(xué)性質(zhì)的溫度關(guān)系及熱輸運(yùn)的非線性關(guān)系,通過求解溫度和載流子密度的禍合擴(kuò)散方程,給出了材料內(nèi)溫度和載流子密度的瞬態(tài)分布,對(duì)半導(dǎo)體材料激光損傷效應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值求解。在激光與材料損傷機(jī)理研究中,很多情況下未考慮徑向熱傳導(dǎo)的影響.強(qiáng)希文等利用徑向熱傳導(dǎo)方程計(jì)算了薄靶材的徑向溫升分布。沈

9、中華等考慮了材料的熱物性參數(shù)在計(jì)算過程中的變化和入射激光的空間分布,采用二維模型,得到Si材料在強(qiáng)激光作用下的軸向和徑向溫升分布,給出了表面層開始熔化的時(shí)間與激光功率密度關(guān)系。還根據(jù)激光加熱和熔融過程中的能量守恒方程,通過假設(shè)一種符合物理和數(shù)學(xué)要求的溫度分布形式,得到材料熔融前后的溫度分布、熔融界面推進(jìn)速度和熔融深度變化的解析解,據(jù)此進(jìn)行計(jì)算,得到了幾種典型的半導(dǎo)體材料的動(dòng)態(tài)溫升曲線。,,研究現(xiàn)狀,2.飛秒激光研究現(xiàn)狀,前蘇聯(lián)學(xué)者L.A

10、nisimov等在1974年就提出了超短脈沖燒蝕金屬的雙溫模型,該模型從一維非穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)方程出發(fā),給出了電子和晶格在脈沖持續(xù)期間溫度變化的微分方程。后來,許多學(xué)者以此模型為基礎(chǔ)開展了大量的研究。例如,1986年GL.Eesloy通過測(cè)量皮秒以下激光對(duì)銅作用時(shí)反射率的變化,研究了銅材料中的電子和晶格溫度的非平衡現(xiàn)象,并用雙溫模型給出了很好的解釋。1988年P(guān).Bcorkum等在一定條件下對(duì)雙溫模型進(jìn)行了解析求解,推導(dǎo)出一個(gè)脈寬值表達(dá)式,

11、揭示出當(dāng)脈寬小于這個(gè)表達(dá)式值時(shí),能流閩值不滿足正比τ1/2的規(guī)律.1996年B.N.Chiehkov等研究了脈沖激光對(duì)不同金屬靶材的燒蝕,揭示了超短脈沖燒蝕的優(yōu)越性;并在不同脈沖時(shí)間內(nèi),對(duì)雙溫方程進(jìn)行約化得到不同的解析模型.1999年Falkovsky和Msihchonk基于波爾茲曼方程和費(fèi)米狄拉克配分函數(shù)提出了熱電子爆炸模式,用以描述金屬材料中的超快形變.2002年J.K.Chne等,綜合雙溫模型及上述熱電子爆炸模式,在假定單軸應(yīng)變?nèi)?/p>

12、維高壓條件下,提出一系列相互關(guān)聯(lián)的瞬時(shí)熱彈性變形方程。 對(duì)激光與物質(zhì)相互作用的數(shù)值計(jì)算就是從特定的物理模型出發(fā),用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算或模擬,從而揭示激光與物質(zhì)相互作用的某些性質(zhì)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律。激光與物質(zhì)的熱作用研究主要是計(jì)算激光輻照下物質(zhì)溫度的變化,以及溫度變化引起的一些熱效應(yīng)。,,激光與物質(zhì)相互作用的基礎(chǔ)理論,物質(zhì)對(duì)激光的反射和吸收,激光與物質(zhì)相互作用的基礎(chǔ)理論,折射率和吸收系數(shù),激光與物質(zhì)相互作用的基礎(chǔ)理論,半導(dǎo)體的光吸收-導(dǎo)體 半

13、導(dǎo)體 絕緣體的能帶,（a）絕緣體 （吧）半導(dǎo)體和 （c）導(dǎo)體的能帶示意圖,激光與物質(zhì)相互作用的基礎(chǔ)理論,半導(dǎo)體的光吸收-半導(dǎo)體的光吸收機(jī)理,,1.本征吸收,2.直接躍遷和間接躍遷,3.其他吸收過程,激光與物質(zhì)相互作用的基礎(chǔ)理論,半導(dǎo)體的光吸收-半導(dǎo)體的光吸收機(jī)理,本征吸收 理想半導(dǎo)體在絕對(duì)零度時(shí),價(jià)帶是完全被電子占滿的。價(jià)帶中的電子可能吸收光子而激發(fā)到空的導(dǎo)帶,在價(jià)帶中留下一個(gè)空穴,形成電子一空穴對(duì)。這種由于電子自滿帶到空帶之間

14、的躍遷稱為本征吸收。,直接躍遷和間接躍遷,電子的直接躍遷,直接躍遷和間接躍遷,,激光與物質(zhì)相互作用的基礎(chǔ)理論,半導(dǎo)體的光吸收-其他吸收過程,a.激子吸收 在低溫時(shí)發(fā)現(xiàn)某些晶體在本征連續(xù)吸收光譜以前,即hv<Eg時(shí),就己出現(xiàn)一系列吸收線;并且發(fā)現(xiàn),激光與物質(zhì)相互作用的熱效應(yīng)研究對(duì)應(yīng)于這些吸收線并不伴有光電導(dǎo)。可見這種吸收并不引起價(jià)帶電子直接激發(fā)到導(dǎo)帶,而形成所謂的激子吸收。,b.自由載流子吸收 對(duì)于一般半導(dǎo)體材料,當(dāng)入射

15、光子的頻率不夠高,不足以引起電子從帶到帶的躍遷或形成激子時(shí),仍然存在著吸收,而且其強(qiáng)度隨波長(zhǎng)增大而增加"這是自由載流子(即導(dǎo)帶中電子或滿帶中空穴)在同一帶內(nèi)的躍遷所引起的,稱為自由載流子吸收。,激光與物質(zhì)相互作用的基礎(chǔ)理論,半導(dǎo)體的光吸收-其他吸收過程,c.雜質(zhì)吸收 束縛在雜質(zhì)能級(jí)上的電子或空穴也可以引起光的吸收。若光子激發(fā)雜質(zhì)能級(jí)上的電子躍遷到導(dǎo)帶能級(jí);空穴也同樣可以吸收光子而躍遷到價(jià)帶。這種光吸收稱為雜質(zhì)吸

16、收。,d.晶格振動(dòng)吸收 對(duì)離子晶體或離子性較強(qiáng)的化合物,存在較強(qiáng)的晶格振動(dòng)吸,雜質(zhì)吸收中的電子躍遷,,關(guān)于計(jì)算激光加熱下物體的溫度場(chǎng),激光輻射可視為一個(gè)熱加工的熱源,而激光作用材料表面的熱轉(zhuǎn)換主要是通過三種途徑進(jìn)行,即電子熱傳導(dǎo)、聲子熱傳導(dǎo)和輻射熱傳導(dǎo)。通過激光能量的吸收和熱擴(kuò)散,引起物體邊界上和內(nèi)部的熱流運(yùn)動(dòng),使得各處的溫度不同程度的上升激光加載條件、物體的形狀、初始和邊界條件以及物體的熱物理性質(zhì)決定了物體溫度場(chǎng)的時(shí)空變化。,激光

17、作用固體材料的熱效應(yīng)解析模型介紹,熱傳導(dǎo)方程和基本熱物理參數(shù) 一個(gè)三維熱傳導(dǎo)方程可寫為如下通用形式 式中K為熱導(dǎo)率,p為材料密度,c為材料比熱容,T為溫度,t為時(shí)間變量,A（x，y，z，t)為每單位時(shí)間、單位體積傳遞熱給固體材料的加熱速率"由于材料的熱物理系數(shù)是溫度的函數(shù),所以方程是非線性的,其解非常復(fù)雜,很難得到解析解。然而事實(shí)上大部分材料的熱物理參數(shù)隨溫度變化并不明顯,故在一定條件下可假定其與溫度無

18、關(guān),在一定的溫度范圍內(nèi)取其平均值進(jìn)行計(jì)算,這樣方程才可能得到解析解。,若激光作用下材料是均勻各向同性的,則方程可簡(jiǎn)化為式中k=K/ρc聲為材料的熱擴(kuò)散率。由于求解熱傳導(dǎo)方程非常復(fù)雜,許多學(xué)者提出了一些熱模型,一在求解熱傳導(dǎo)方程時(shí)通常的假定條件是:(1)被加熱材料是各向同性物質(zhì)。(2)材料的熱物理參數(shù)與溫度無關(guān)或取特定的平均值。(3)忽略熱傳導(dǎo)中的輻射和對(duì)流,只考慮材料表面的熱傳導(dǎo)。,,激光作用固體材料的熱

19、效應(yīng)解析模型介紹,激光輻照固體材料的熱模型1.激光輻照半無限大固體模型(1)均勻輻照半無限大固體模型,在激光與材料相互作用的熱轉(zhuǎn)換的理論研究中,最簡(jiǎn)單的方法是將激光束作為一個(gè)均勻的熱源加熱半無窮大物體。當(dāng)加熱的橫向尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于激光加熱深度時(shí),可按一維半無限大模型討論。一維熱擴(kuò)散方程可表示為,式中k=K/ρc為材料的熱擴(kuò)散率。,,激光作用固體材料的熱效應(yīng)解析模型介紹,激光輻照固體材料的熱模型1.激光輻照半無限大固體模型(2)高