桂进斌[1]2004年在《强激光热作用数值计算及光束参数表述的研究》文中研究说明20世纪60年代强激光出现以后，激光热处理开始成为一项获得重要应用及研究的技术。然而，迄今为止，主要依靠总结实验规律来制定热处理工艺仍然是这项技术的现状，为能够从理论上准确预计激光对物质的热作用，实现对这项技术的优化控制，一直是国内外研究人员积极进行的工作。在非熔凝热处理中，由于激光对材料的作用时间较短，热影响区局限于激光辐照区域周围，将被处理材料视为热物性参数为常量的半无限大连续介质，通常可以简明地预计激光热作用结果。基于这种近似，人们导出了椭圆高斯光束辐照温度场计算公式，并获得广泛应用。由于实际激光强度分布非常复杂，为对光束有一个较规范的表述，国际标准化组织对光束束宽及光束半径进行了规定；因此，热处理工艺中对于光束的描述通常只用激光功率，光束半径及离焦量叁个参数。从形式上来看，对于给定扫描速度及材料热物性参数后，激光热作用温度场的计算结果已经是完全确定的事。然而，实际应用研究中要根据这些参数对激光热处理工艺进行移植和重现通常出现问题。本研究工作通过较严格的理论计算及实验研究，利用热传导方程的解析解和半解析计算方法考查激光参数的上述表述及基于这些表述及相应的热作用计算公式描述实际问题的可行性，详细讨论了影响热处理结果的主要因素，并得到如下结论：1、 当激光光束分布是中央有极大值，并且形式上和基横模高斯光束分布相似的情况时，将光束等效为基横模高斯光束进行热作用计算还是可行的(如YAG激光器输出光束计算相变硬化带平均误差约为：20％)。如将本文讨论的YAG激光器输出光束视为TEM00+TEM01按某种比例的强度迭加的模式，可以进一步减小理论计算与实验测量的误差。2、 如果激光光束分布呈复杂高阶模分布，利用86． 5％环围(桶中)功率法将光束等效为高斯光束后，激光热处理温度场计算将和实际结果有较大的误差(如HJ-3型激光器输出光束计算相变硬化带平均误差达46％左右)。3、 使用国际标准化组织对束宽的定义，把实际光束等效为椭圆高斯光束能得到和实际测量结果更接近的结果，但还是无法满足定量计算的要求。4、 理论及实验研究均表明，不同的激光设备，甚至同一设备的不同调节状况，例如激光谐振腔轻微失调，其输出光束的功率密度分布也会有很大的区别。因此，如果不加分析地用高斯光束来等效实际光束，并简单地使用理想化后的高斯光束的温度场计算公式来研究热作用，对实际问题将产生较大偏差。 5、在激光热处理的应用研究中，仅仅用光束半径、离焦量及激光功率来描述实际热处理光束是不充分的。我们认为，在激光热作用的应用研究中，随着强激光测量手段的进步与普及，将到达材料表面的激光功率密度分布作为一个重要的工艺参数表述在研究文献中，才能较好地描述实际激光热处理工艺。如果条件允许，给出激光的复振幅表达式将能对所使用的光束作较准确的表述。
邓剑钦[2]2012年在《激光带宽抑制光束自聚焦效应的理论和实验研究》文中研究指明自聚焦是非线性光学中最常见最基本的物理问题之一,从上世纪六十年代起,自聚焦就一直是非线性光学领域热门的研究课题。从实践的角度来看,自聚焦效应限制了允许通过介质的光功率,因为自聚焦通常会导致光学介质的损伤。在高功率固体激光装置中,自聚焦特别是小尺度自聚焦一直是设计高功率激光系统的限制因素。用于惯性约束核聚变(Inertial Confinement Fusion,简称ICF)的激光驱动器,是高功率固体激光装置最典型的应用,而惯性约束聚变点火工程是《国家中长期科学和技术发展规划》的十六项重大专项之一。对用于ICF驱动的高功率固体激光系统而言,高能量、高效率和高光束质量的输出是实现靶丸快点火必需的要求和目标,而小尺度自聚焦引发的高功率激光多路成丝效应是限制固体玻璃激光器提高能量的主要因素。例如,美国劳仑斯·利弗莫尔国家实验室(LLNL)就在其激光运行报告中指出,小尺度自聚焦一直是用于ICF的激光驱动器总体设计、工程研制和安全运行的重大科学问题。从上世纪七十年代起,大量的研究人员对由小尺度自聚焦所导致的光束分裂成丝产生了浓厚的兴趣。因为,高能量、高效率和高光束质量的输出,是用于ICF驱动器的高功率固体激光系统的要求和目标,而小尺度自聚焦是限制固体玻璃激光器提高能量的主要因素。为突破自聚焦效应对高功率固体激光系统输出能力的限制,寻找和提出有效的抑制方法,一直以来都是高功率激光技术领域的重要研究方向。从某种意义上说高功率固体激光系统的发展过程,主要是解决自聚焦特别是小尺度自聚焦问题的过程。小尺度自聚焦的根源是激光束振幅和相位的不规则分布,所以提高光束质量改善光束空间分布的均匀性一直是抑制小尺度自聚焦的主要方法和措施。包括空间滤波器、软边光阑、以及提高光学元件的制备精度等方法都是改善光束质量抑制小尺度自聚焦的常用方法。近年来,人们又陆续提出了一些新的抑制小尺度白聚焦的方法,包括利用发散光束、部分相干光和宽带激光等。宽带激光被认为是用于突破由小尺度自聚焦效应引起的高功率固体激光系统的功率输出瓶颈的可能的技术路线。与单纵模的窄带激光相比,带宽的引入为激光的传输和控制提供了额外的自由度,这意味着随带宽引入的色散效应打破原本以衍射效应和非线性效应竞争的传输状态,使得色散与衍射一起与以小尺度自聚焦为主导的非线性效应形成竞争。因而,带宽的引入为抑制小尺度自聚焦提高光束近场均匀性提供了新的手段和可能性。因此,宽带激光有利于防止光束近场分布的均匀性因严重的小尺度自聚焦效应而出现明显的下降,从而能够保证最终产生高能量、高质量和高均匀性的叁倍频聚焦光斑,提高靶面辐照的均匀性和靶丸的内爆效应。本论文基于高功率固体激光驱动系统中高负载能量和高光束质量的需求,研究了小尺度自聚焦的形成机制和功率条件,探讨了不同类型的宽带激光在传输过程中的对小尺度自聚焦效应的作用规律,以及宽带激光自身的各个参量对小尺度自聚焦效应的抑制条件和抑制规律,获得的主要成果如下：第一、研究了高斯光束发生小尺度自聚焦效应的功率条件。研究发现,高斯光束发生小尺度自聚焦效应所需的功率值与初始调制幅度有关,初始调制幅度越大,则高斯光束因小尺度自聚焦而分裂成丝所需的功率越小；反之,初始调制幅度越小则所需的功率越大。第二、研究了由谱色散匀滑(Smoothing by Spectral Dispersion,简称SSD)装置产生的具有相位调制和光谱色散特性的小宽带脉冲激光(简称谱色散光束)的菲涅耳衍射,以及以衍射场为输入的小尺度自聚焦现象。研究发现,谱色散光束可以用来改善光束的近场均匀性。选择合适的SSD装置的元件参数可以提高光束质量,从而实现对小尺度自聚焦的抑制作用。第叁、研究了在宽带啁啾脉冲激光的小尺度自聚焦过程中,利用带宽抑制光束小尺度自聚焦效应的条件。研究发现,对于宽带啁啾脉冲激光而言,带宽可以在特定条件下用来抑制高功率激光系统中的小尺度自聚焦效应。当脉冲宽度一定时,带宽越大对空间小尺度自聚焦的抑制作用越明显,而当带宽一定时,脉宽越大带宽对小尺度自聚焦的抑制作用越有限；在不同脉宽条件下,对小尺度自聚焦实现相同程度的抑制作用,光束必须具有相同的带宽脉宽比,并且带宽脉宽比反映了带宽对小尺度自聚焦效应的抑制程度,比值越大则抑制作用越明显。第四、实验研究了宽带啁啾脉冲激光的小尺度自聚焦效应,验证了利用带宽抑制小尺度自聚焦的相关特性。通过控制调制场的空间频率,利用宽带啁啾脉冲激光正弦调制的增长实验,证明了与单色平面波条件下的B-T理论相比,宽带啁啾脉冲激光的增益谱曲线,整体向高频方向移动。另外,针对宽带啁啾脉冲激光B积分增长曲线的实验研究,其结果表明,与准单色激光的B积分增长曲线相比,宽带啁啾脉冲激光的B积分增长曲线,其峰均比对比度迅速增长的B积分拐点后移,初始噪声缓慢增长的平坦区更长。本文以提高高功率激光系统中激光光束控制能力和高能负载为目标,从不同角度针对不同类型的宽带脉冲激光,讨论带宽和其它相关光束参量在其线性和非线性传输过程中的影响规律,得到了一些新的认识,并提出了一些新的观点。
佚名[3]2005年在《光电子技术》文中指出O432005040097蓝绿光咽后壁组织的光学和荧光特性/郑卫峰,苏万钧,李步洪,谢树森,周川钊(福建师范大学激光与光电子技术研究所)//光电子·激光.―2004,15(12).―1506～1509.对488nm和514.5nm鼻咽癌荧光成像定位系统的
秦渊[4]2011年在《毫秒激光与金属材料相互作用中的热学和力学效应研究》文中提出毫秒激光与金属材料相互作用中将出现一系列的热学和力学效应。本文针对塑性屈服、熔融及小孔成形过程进行了理论计算、有限元模拟和实验研究。从实验和数值模拟两个方面研究了毫秒激光致金属材料产生塑性屈服的现象。在测量了薄铝板上反鼓包的成形过程的基础上,依据热传导理论及热弹塑性力学理论,用有限元法模拟了相关变形过程,通过比较实验和数值结果验证了数值算法的合理性。继而建立了毫秒激光与厚航空铝合金板相互作用的物理模型,用有限元法模拟了温度场和应力场的分布,得到了塑性屈服时间、范围以及残余应力的大小。并且将这几方面作为评判标准,比较了高斯型与顶帽型激光使厚铝合金板产生塑性屈服的过程。依据毫秒激光致金属厚板产生熔融相变情况,建立了半无限大轴对称模型。基于热传导理论及温度分布形式,得到了温度和熔融深度的解析解,并利用实验研究获得的熔池形貌验证了解析计算结果。进而讨论了熔融深度与作用激光脉宽及能量的关系,对深度先随脉宽增加然后又减小的现象进行了解释。提出了毫秒激光逆重力方向对厚铝板打孔的实验方法,并根据实验和温度解得到了小孔深度解析式。进而比较了激光顺打孔(顺重力方向)和逆打孔实验中熔融物的迁移质量、挂渣现象和小孔体积,讨论了重力对于物质迁移的作用。证明了逆打孔时激光能量更多的用于将材料加热至熔融,在重力辅助作用下,熔融物质更易迁移出孔,因而打孔效率更高。继而改变激光能量进行实验研究,发现大能量毫秒激光打孔较深,且算法需考虑离焦效应的影响。然后利用改进后的算法研究了毫秒激光对不同金属材料的打孔速率。针对激光打孔时光在小孔中传输的实际情况建立物理模型,分别采用物理光学法及光线追迹法研究了光束在小孔内多次反射过程,计算了小孔对入射光的总吸收率和吸收光强在小孔内的分布情况。通过比较计算结果得到结论：当孔口衍射作用明显或孔直径小于入射光波长时,光线追迹法将不再适用于计算小孔吸收,其中衍射的作用取决于偏振态、入射角度、光斑大小及小孔边缘处的相对光强。本文的研究结果可为进一步研究毫秒激光与金属相互作用中出现的温升、热应力、塑性屈服、熔融及小孔成形提供理论和实验研究依据,亦有助于毫秒激光在加工和军事中得到进一步的应用。
马琨[5]2004年在《博士学位论文:99.05*258.191;heat:350*415.685;半解析计算:13.2*77.2022;理工大学:100.6*123.233;昆明:100.6*179.104;云南:100.6*89.5522;激光热处理工艺:2.2*15.9482;激光波长:3.3*13.6898;篇长:234884》文中研究说明20世纪70年代强激光出现后，激光对材料表面改性的处理在工业生产中便开始获得应用。经过几十年的发展，除材料表面改性处理外，激光切割、焊接、快速成型等技术已经工业生产中获得广泛应用。在这些激光技术中，非熔凝的材料表面改性处理是一项相对容易控制的技术。然而，激光与物质的相互作用是一个十分复杂的过程，通过简单统计可以发现，即使是最简单的相变硬化处理，其热处理结果也涉及众多的物理参数：其一是材料的热物性参数，如热传导系数，比热、相变潜热；其二是光束参数，如激光波长、功率密度分布及偏振状态；其叁是激光与材料的作用方式，如不同频率及不同脉冲宽度的脉冲辐照或不同形式的扫描处理；其四是激光与材料相互作用参数：如材料表面吸收层对给定波长及给振态光束能量的吸收系数、由激光作用部位、被处理工件形状及材料热物理性质确定的热传导条件等。在通常情况下，上述许多参数不但是温度的函数，而且对于一个给定的热处理工件及实际工作环境，事实上很难准确获得这些参数。即使是这些参数能够获得，准确描述实际工件热传导方程的定解条件也是一件十分复杂的问题。因此，迄今为止，一个优化的激光加工或热处理工艺基本上是通过总结实验规律来完成。这种状况，是这项技术进一步推广应用的重要障碍。对激光热处理工艺过程的控制，本质上是对被处理材料所经历的热作用过程的控制。长期以来，国内外研究人员从未间断地对激光热处理的优化控制进行研究。现在，在激光对材料热作用研究中，按照傅里叶定律导出的连续介质热传导方程对激光热作用温度场求解，仍然是人们采用的基本理论。然而，由于激光对材料表面改性处理问题非常复杂，原则上，一个能够真实反映热作用结果的较严格的温度场计算只能通过有限元、有限差分等纯数值计算方法来完成。纯数值计算结果对于深刻地揭示激光与物质相互作用的规律无疑是非常重要的，但计算时间的冗长及计算成本较难为实际应用服务。为简化研究，在求解热传导方程时，人们通常把激光假设为理想的基横模高斯光束或者是一些便于分析的光束形式，将激光照射对象视为热物性参数为常量的半无限大体，从而导出一些便于计算的表达式．但是，由于简化研究做了许多与实际情况相距深远地假设，研究结果基本不能直接为实际应用服务。研究能够为实际应用提供帮助的快速可靠的方法仍然是研究人员的重要课题。近20年来，昆明理工大学与法国几所着名在大学在该研究领域开展了十分有成效的合作。在合作研究中，双方从无限大连续介质空间热传导方程的解析解出发，严格考虑实际激光的功率密度分布及实际工件形状，形成了能够满足实际应用精度要求的一整套半解析计算方法。特别是将快速傅里叶变换技术用于传导方程解析解的计算后，显着提高了激光热作用温度场的求解过程。这些研究成果对于解决实际问题的优点正受到国内外研究人员的关注。本文将扼要地总结激光热作用半解析计算取得的主要成果，给出利用半解析计算方法解决实际问题的实例，并与同等精度的纯数值计算进行比较研究。在形成本论文的研究工作期间，我利用法国科索激光研究中心的实验条件及昆明理工大学的激光设备进行了大量的热处理实验，同时，应用快速计算方法、半解析计算方法及有限元程序Fastflo对激光热处理温度场的进行了平行的数值模拟研究。为确保一些重要计算参数的可靠性，用法国科索激光研究中心开发的热量计对表面吸收系数进行实际测量，同时提出了一种材料表面吸收系数的实验预测方法，并利用经过严格定标的热敏纸对昆明理工大学实验研究中的强激光功率密度分布进行了测量。在使用不同方法对温度场的计算研究中，为让研究工作能够接近复杂的实际光束分布情况，我们利用标量衍射理论较准确地计算了经过积分镜变换后的光束分布，利用任意分布光束热作用的半解析计算公式有效地计算了带有复杂的干涉及衍射结构的光束作用下的温度场。比较研究表明，对于非熔凝激光热处理问题，温度场的快速计算及半解析计算方法不但能够获得与实验测量足够吻合的结果，而且具有很高的效率。例如，我们在同一微机上用几种不同的方法对一实际相变硬化问题作过计算比较(见第五章)，有限元方法计算时间约24小时，快速计算方法只要54秒。对于给定的热处理问题，由于只计算相变硬化带的表面宽度及中央深度通常已经能够预计热处理结果，使用半解析计算公式的计算时间在一分钟以内，即使要完成整个相变硬化带的计算，半解析计算也只要12分钟左右。相较于温度场的纯数值计算，快速计算及半解析计算对于解决激光热处理实际问题的优势是非常明显的。然而，由于激光与物质相互作用十分复杂，在获得热传导方程解析解的过程中，目前还必须将材料的主要热物性参数视为与温度无关的常数，因此，热传导方程的解析解或半解析解还仅能对非熔凝的激光热作用作近似表述，对于经历熔凝过程的激光热作用，由于涉及到热作用区域复杂的传热及传质过程，尽管已经在形式上建立了相应的数学模型，现阶段有还不可能获得解析结果。因此，通过有限元、边界元或有限差分等方法按照激光热处理应该遵循的定解条件对数学模型求数值解，仍然是对激光与物质相互作用深入研究的必不可少的手段。应该指出，使用准确的数学模型并且拥有对数学模型求解的所有的参数后，对在连续时间及空间中发生的实际问题进行合理的离散，使用纯数值计算方法便能够十分准确地跟踪激光热处理的冶金物理过程，这对于深入揭示激光与物质相互作用的客观规律是十分重要的。并且，随着计算机技术的进步，一些较成熟的有限元计算软件为用户提供了十分方便的界面，为激光与物质相互作用的深入研究提供了方便。因此，热作用数学模型的解析解与数值解互为补充，在激光与物质相互作用的应用研究中，应该根据实际需要采用不同热作用计算方法。但是，从理论上而言，根据实际物理问题建立正确的数学模型，获得准确的解析解无疑是对实际问题的高效率的表述，我们还将在该研究方向继续进行探索。
罗曦[6]2011年在《高功率激光的传输变换与光束控制研究》文中指出激光作为20世纪人类最伟大的科技发明之一,经过50年的发展,已与多学科相结合,并极大地推动了相关基础及应用学科研究的发展。特别是20世纪80年代中期以来,高功率激光技术的飞速发展带来了遍及科学研究、工业制造与材料加工、通讯、国防及医疗等各个领域的广泛应用。自激光发明以来,对激光传输变换及光束控制的研究一直是激光科学技术中一个十分活跃的研究领域!本论文结合高功率激光的科学研究及实际应用需求,分别从“功率通量光束传输因子Mpc2基本特性”、“光学非稳腔输出环形光束中央暗斑重构”、“高功率激光加工用宽带光束优化与控制”以及“高功率连续CO2激光束高重频脉冲调制”等四个方面,围绕高功率激光的传输变换与光束控制技术开展了深入的理论与实验研究。概括全文的研究成果及贡献,有如下几个方面：(1)对功率通量光束传输因子Mpc2的基本特性进行了探索性研究。首先从理论上证明了光学共焦腔中的“自再现”光束具有最小的Mpc2值。通过对非相干迭加高斯光束Mpc2因子的理论研究,发现该类光束的Mpc2值可以小于1,并强烈依赖于所定义的功率通量值。其次,重点针对86.5%功率通量法定义下Mpc2因子的特性展开了探索性研究：证明了轴向偏移相干迭加高斯光束的Mpc2值必定大于1。采用径向对称型高斯—拉盖尔模相干迭加的方法,构造出了一类具有Mpc2<1特性的模型光束,并首次从理论上严格证明了近轴近似条件下86.5%功率通量Mpc2因子值可以小于1!通过分析菲涅尔数对实际半共焦腔基模输出光束特性及其Mpc2因子的影响,发现了有限口径半共焦腔基模输出光束的Mpc2值不可能小于1；并从标量衍射理论出发,证明了内含λ/2相位台阶激光谐振腔与具有相同腔型结构及尺寸的实际半共焦腔完全等价,进而说明了在现有的标量衍射理论前提下,没有证据表明腔内λ/2相位台阶可以改善谐振腔的输出光束质量。最后从理论与实际应用两方面探讨了Mpc2因子与光束质量的关系。(2)对光学非稳腔输出环形光束中央暗斑重构方法进行了理论研究。首先,系统性地讨论了高功率气体激光技术研究常用腔型—正支虚共焦非稳腔的本征模式行为及其输出模式特性。在此基础上,研究了一种基于内圆锥面环形刮刀镜及外圆锥面反射镜的环形光束整形方案,并对该方案的实现原理和光路设计进行了分析。最后以工业用高功率CO2激光器的常规虚共焦非稳腔为例,对其输出模式经环形光束整形系统变换后的传输特性及其光束质量进行了讨论。理论计算结果表明,整形后圆形实心光束的光束质量有了显着改善,其86.5%功率通量光束参量积(即光束束腰与远场发散角的乘积)已接近衍射极限!(3)对高功率激光加工用宽带光束优化与控制方法进行了理论与实验研究。设计了一种适合高功率激光加工应用场合的新型宽带光斑成型抛物面镜,实现了由原始圆形光束到光强分布均匀窄条形宽带光束的有效变换,改善了激光热处理硬化层分布的均匀性。探索性地从理论与实验上研究了一种基于新型扇形类抛物面镜的高功率激光加工用激光光束展宽方法,利用该方法能够在更大尺度范围内(可达500mm)对高功率激光束进行高功率密度条件下的有效、连续可控展宽。(4)对基于旋转式多棱镜的高功率连续CO2激光束高重频脉冲调制方法进行了相关的理论与实验研究。首先从广义ABCD定律出发,对多棱镜扫描分光脉冲调制系统的实际聚焦特性进行了系统性理论研究。结果发现,通过引入一定的精确离焦量,可以实现单脉冲作用时间内聚焦光斑与待加工材料间运动速度的同步,进而在材料表面实现圆形微孔加工。在上述理论研究的基础上,本课题组开展了利用多棱镜扫描分光实现多头CO2激光轧辊表面毛化的实验研究,在其表面获得了具有良好一致性的圆形毛化点。最后我们开展了基于多棱镜扫描分光原理的水松纸激光打孔实验研究,并在高速运动水松纸的表面获得了具有均匀直径的圆形透气微孔,进一步论证了上述理论研究结果的正确性。
李泽文[7]2015年在《毫秒激光对硅及硅基光电探测器损伤机理研究》文中提出本文针对毫秒激光与硅及硅基光电探测器相互作用过程中的热学和力学效应展开研究,得到了毫秒激光致硅材料温升、热滑移产生、PIN光电管性能下降及CCD硬破坏等过程对应的作用机理。使用高速红外测温仪实时测试了毫秒激光辐照单晶硅的表面温度,得到了不同入射激光能量照射下硅靶表面光斑中心温度随时间的变化曲线,分析了熔融、固化、气化等相变演化过程；通过建立数值计算模型,采用有限元方法计算得到了瞬态温度场,数值计算结果与实验结果吻合,且很好地解释了实验过程出现的现象与相关信息。得到了硅靶的熔融损伤阈值,气化损伤阈值,熔融持续时间和熔融深度等信息。针对面心立方体结构的硅晶体,建立了毫秒激光辐照(100)面单晶硅产生应力损伤过程的叁维数值模型。采用晶体塑性有限元方法计算得到了单晶硅发生熔融前12个滑移系的剪切应力分布和热塑性应变分布。数值计算结果表明光斑内热滑移是由于滑移系的剪切应力超过屈服极限而产生,并出现在单晶硅表面发生熔融前,与实验测试结果吻合；光斑外脆性裂纹的产生是由于光斑内的热滑移提供许多起裂点导致应力超过断裂极限所致。建立了毫秒激光辐照多层结构PIN光电二极管的多物理场模型并计算了温度场和掺杂离子浓度场,以及(110)面硅基底的热应力场。数值计算结果表明,热塑性变形产生的滑移缺陷和掺杂离子向深度方向扩散是毫秒激光致使光电二极管电性能下降的两个主要因素。实验测试了毫秒激光导致硅基PIN光电二极管的暗电流和响应度等光电性能参数变化趋势。综合数值模拟和实验结果,我们发现暗电流是性能最先下降且为最敏感的光电参数,硅基底热滑移导致的晶格位错是其下降的主要原因。光电响应度当暗电流从nA增加到μA和表面发生严重热熔融才下降,主要源于减反膜的剥离和掺杂离子在熔融阶段的重分布。基于热弹塑性理论,考虑CCD的阵列结构和多层结构建立了毫秒激光辐照CCD的叁维数值模型并计算得到了CCD瞬态温度场和热应力场。结果表明热损伤和热应力损伤的耦合作用是毫秒激光损伤CCD的主要原因：PMMA材质的微透镜熔融,或石英材质的微透镜断裂,都将降低CCD的感光度；而其绝缘层的断裂直接降低了CCD的击穿电压；硅基底的塑性变形增大了CCD的暗电流；铝膜的熔融导致CCD产生了“漏光”现象。进而发现毫秒激光致使CCD发生功能性破坏的机理是：遮光铝膜熔穿和绝缘层断裂的共同作用导致相邻多晶电极短接。本文的研究结果可供激光加工硅基半导体材料,以及激光对光电探测器损伤机理研究工作参考。
汪晓波[8]2008年在《高平均功率固体激光的热效应研究》文中研究表明世界上第一台激光器就是固体激光器(红宝石激光器),然而到了今天,经过几十年的发展,固体激光器的最高平均功率水平却很难与化学激光器媲美,其中关键原因就是固体激光器中存在严重的热效应问题。本文对高平均功率固体激光器及其频率转换的热效应进行了相关研究,主要包括叁部分内容:第一部分针对稳态连续波固体激光器的热效应,细致研究了连续波棒状激光器侧面冷却、侧面泵浦时存在的热透镜和热致双折射效应。严格推导了棒状激光器热透镜的焦距公式,发现Koechner之前推导的热透镜焦距公式时认为“热应力变形的影响局限在局部区域,棒的变形只出现有限长度的两端”的假设有误,进而进行了理论修正。采用了波前曲率传感器测量研究了侧面水冷、环绕泵浦的Nd:YAG激光器的热透镜焦距。研究结果表明:温度导致的折射率变化和热应力导致的变形是热透镜形成的主要原因,变形发生在整个棒的区域内而不是两端的局部区域,验证了修正热透镜公式的正确性。由于有限长度的棒两端区域复杂的应力分布及其导致的弹光效应都无法通过解析式表达,采用了有限元分析软件ANSYS进行数值计算。通过计算发现端面效应对径向偏振光的光程改变不多,但是对切向偏振光影响严重。第二部分针对固体热容激光器热效应的特点,重点研究了热容工作模式下固体激光介质中的温度分布、热透镜及热致功率下降效应。为了改善固体激光器中严重的热效应问题,近年来热容激光器发展迅速。热容模式是在激光发射期间工作介质不主动散热冷却,从而来避免散热梯度的影响。这种方法简单易行,效果明显,能够有效提高固体激光器的平均功率上限。实验方面,我们研制了一台平均输出功率约为2000W的Nd:glass棒状热容激光器;同时理论上也研究了热容模式下棒状激光介质内的温度场分布。测量棒状介质内的温度分布是一个工程难题,不同于使用热电偶、热像仪等仪器的传统温度测量方法,我们通过Hartmann传感器测量准直光经过热容激光器工作介质后的波前畸变,根据热容模式下波前畸变与温度之间的特定关系,推算出激光介质内的温度分布,实现了温度分布的非接触式测量。测量结果表明,热容激光介质中的温度分布相对均匀,热容模式下平均功率2000W的灯泵棒状激光器,温差峰谷值ΔT_(pv)约10℃,与理论计算基本符合;但泵浦的不均匀性等原因是目前棒状热容激光器光束质量普遍不好的主要原因之一。利用波前曲率传感器测量热容模式下激光介质造成的波前畸变,进而推算出激光介质内的热透镜随时间的演化。分析了曲率传感器用于测量热透镜效应的影响因素及测量精度。进一步,利用曲率传感器对热容模式下激光介质的热透镜进行了动态测量。研究表明:棒状激光介质工作在热容模式下能够有效改善热透镜效应,热容模式下平均功率2000W的棒状激光器热透镜非常微弱,焦距长达数十米甚至上百米。棒状热容激光器受到泵浦光不均匀吸收的严重影响,而热容工作方式盘片激光器较容易实现均匀泵浦,能消除散热梯度的影响。论文在分析了盘片激光介质工作在热容模式下介质内的温度分布及其导致的影响的基础上,设计了一套简洁的盘片热容激光器,并在设计中利用盘片激光介质本身形成冷却通道。针对固体热容激光器发射期间输出脉冲能量的下降的现象,分析了热容模式下激光介质温度升高导致激光介质物理特性、光学特性的改变,研究发现温升引起的发射截面改变是导致激光增益下降、泵浦阈值升高和输出功率明显下降的主要原因,另外吸收截面的改变也会略微影响泵浦光吸收效率。第叁部分针对高平均功率频率转换时非线性晶体内的热效应,理论分析了非线性晶体中废热导致的晶体内部温度不均匀分布对晶体的相位匹配条件的影响。研究指出单个周边散热的方形截面或者圆形截面的非线性晶体有效转换的平均功率上限取决于基频波的频率、非线性晶体的热导率、破坏阈值、折射率、有效非线性系数、温度容限等,而这些参数往往难以提高。提出了采用大面散热的板条状晶体进行频率转换的概念并研究了平均功率上限还和板条的纵横比的关系,指出可以通过提高板条的纵横比来大幅度提高有效转换的平均功率上限。
张磊[9]2012年在《高功率激光辐照下光学元件热畸变及远场效能研究》文中研究表明在设计及制造高功率激光装置时,除了关注功率密度或总能量外。更应注意激光经传输装置后的光束质量,以使设计及使用要求得以满足。实际应用中,高功率激光在经过反射光学元件时都会因为热变形而产生光束畸变,从而影响输出激光的相位及振幅。但反射光学元件在高功率激光装置应用中受热变形不可避免。且高功率激光装置输出的激光光束质量的下降会随着反射光学元件的热变形的加剧而愈发明显。反射光学元件的热变形已成为限制高功率激光装置输出激光光束质量进一步提高且在制造的高功率激光装置时必须的主要因素之一。论文的主要内容包括：1、基于热变形相关理论,借助有限元等数值分析手段,对高功率激光束以45°角度辐照下的反射镜的热变形进行了仿真。但利用有限元仿真得到的光学元件的变形为离散的,需要利用镜面拟合等手段以得到光学元件更全面的面型信息。本文将有限元仿真计算结果利用Zernike多项式对反射光学元件面型进行拟合,输出反射镜变形后的镜面曲面,实现了有限元分析和光学设计衔接。2.根据流体力学知识,结合微尺度传热理论,分析了Navier-Stokes方程和导热方程对微通道热沉内流体流动与传热描述的有效性,将RNG κ-ε模型用于微通道内流体湍流流动与传热的数值模拟。使用通用有限元计算软件,对高能激光器所产生的激光束以45°角度辐照下水冷反射镜的热变形进行了仿真,对比仿真结果,采用微通道水冷技术,可减小反射镜温度场梯度、减小变形量。3.设计了适用于高功率激光反射镜冷却的五层微通道结构。探讨了目前微细加工技术,确定采用深层光刻曝光化学腐蚀技术、激光线切割技术和铜直接粘接技术作为制备水冷镜加工工序。并对水冷镜的镜面热变形和镜面精度进行分析,分析表明冷却效果较好,完全达到冷却的目的。4、为对高功率激光远场光束质量进行了测量,研究大气对激光传输的影响,得出大气对激光传输主要影响因素,对比水冷前后激光远场分布特征,得出水冷反射镜可大大改善高能激光的远场行为,最后对激光远场能量分布测量方案进行综合误差分析。
徐鹏[10]2017年在《基于有限元法的激光辐照光学材料热效应问题研究》文中进行了进一步梳理基于激光技术的迅速提升,激光被应用在实际生活中越来越多的场合,尤其是在基于固体技术的激光器出现以后,激光向着更高功率更高能量的方向发展。发生在激光系统中的光学元件如输出耦合器、折迭镜、输出窗口等上的光热效应成为了限制强激光系统光束输出质量的主要因素,因而为了更好的利用激光,尤其是高功率高能量激光,继续扩充激光的应用领域和范畴,研究激光辐照光学材料的热效应问题,对提高光学材料的抗激光损伤能力具有重要的实际研究价值。论文主要基准点是采用有限元方法对强激光辐照下光学材料的热效应问题进行研究。分析了激光与物质间的作用机理,尤其是光学材料在强激光辐照下,研究了材料对激光束的吸收机制和激光能量在材料中的传输特点以及材料的损伤机制并推导出了求解任意叁维模型材料温度场的有限元格式,得到了实际光学透镜模型的温度场分布,研究分析了光学材料的不同缺陷对激光诱导损伤的机理和影响以及模拟仿真了单脉冲激光辐照CCD探测器的热效应。论文的主要工作如下:1.详细介绍了激光与物质间的相互作用机理,从宏观角度针对材料对辐照激光的吸收和反射运用电磁学理论进行了公式推导描述,从微观角度分析了强激光损伤材料的包括热和热应力破坏、雪崩电离破坏、多光子电离破坏以及杂质缺陷破坏等作用机制,并根据能量守恒定律和傅里叶实验定律对传热方程的微分表达形式进行了推导。2.基于有限元方法对抛物线型偏微分方程进行了详细的公式推导,最终得到求解热传导方程的有限元格式,利用MATLAB语言编制了求解任意叁维模型材料在激光辐照下的温度场分布的有限元计算程序。并利用软件ABAQUS对程序进行了校对,两者计算结果相吻合,验证了自编程序的正确性。3.以实际光学系统中常用器件光学透镜为研究对象,建立了对其在高斯型脉冲激光辐照下的有限元求解模型,得到了材料的叁维温度场分布,并分析了不同的激光参数和材料参数对材料温度场分布的影响,得到了石英玻璃和K9玻璃材料的激光功率损伤阈值,可为实际应用光学系统中光学元件的选取以及提高光学元件的抗激光损伤能力提供参考。4.结合实际,针对材料加工过程中常见的包括裂缝以及杂质在内的叁种缺陷的激光诱导损伤问题进行了研究,通过分析材料存在缺陷下的激光辐照温度场和应力场,发现材料中存在的这些缺陷都会降低材料的激光损伤阈值,尤其以杂质对激光能量的吸收最为严重,是导致材料激光诱导损伤的主要因素,并且在激光参数条件不变且激光完全覆盖杂质情况下,杂质尺寸越大,吸收激光能量越多,越容易导致材料的损伤。5.对CCD探测器的多层介质模型的激光辐照热效应进行了模拟研究,通过分析脉冲激光辐照下各层材料的温度场分布和应力场分布,发现随着激光功率的增大,各层材料的温度和应力均呈增大趋势,硅层的变化最为突出,因而得到硅层容易导致CCD损伤的结论,且温度的影响要大于应力的影响。当辐照激光的功率增加到一定数值时,将会造成CCD的多层介质模型出现分层熔化的现象,进而导致CCD损伤或失效。
参考文献：
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[4]. 毫秒激光与金属材料相互作用中的热学和力学效应研究[D]. 秦渊. 南京理工大学. 2011
[5]. 博士学位论文:99.05*258.191;heat:350*415.685;半解析计算:13.2*77.2022;理工大学:100.6*123.233;昆明:100.6*179.104;云南:100.6*89.5522;激光热处理工艺:2.2*15.9482;激光波长:3.3*13.6898;篇长:234884[D]. 马琨. 昆明理工大学. 2004
[6]. 高功率激光的传输变换与光束控制研究[D]. 罗曦. 华中科技大学. 2011
[7]. 毫秒激光对硅及硅基光电探测器损伤机理研究[D]. 李泽文. 南京理工大学. 2015
[8]. 高平均功率固体激光的热效应研究[D]. 汪晓波. 国防科学技术大学. 2008
[9]. 高功率激光辐照下光学元件热畸变及远场效能研究[D]. 张磊. 中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）. 2012
[10]. 基于有限元法的激光辐照光学材料热效应问题研究[D]. 徐鹏. 西安电子科技大学. 2017