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毫秒脉冲激光辐照硅基PIN的温度场应力场数值分析

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物理学报 2014年第19期63卷 120-125页

作者：魏智金光勇彭博张喜和谭勇长春理工大学理学院长春130022

为了研究毫秒脉冲激光辐照硅基PIN多层结构产生的温度场和应力场的特点,本文基于热传导理论和弹塑性力学理论,利用等效比热容法处理相变潜热,考虑多个热源,尤其是底层铝电极反射的影响,并考虑硅基PIN探测器每层材料参数的非线性影响,采... 详细信息

为了研究毫秒脉冲激光辐照硅基PIN多层结构产生的温度场和应力场的特点,本文基于热传导理论和弹塑性力学理论,利用等效比热容法处理相变潜热,考虑多个热源,尤其是底层铝电极反射的影响,并考虑硅基PIN探测器每层材料参数的非线性影响,采用有限元模拟软件COMSOL Multiphysics,对毫秒脉冲激光辐照硅基PIN多层结构的过程进行了二维数值模拟,得到了材料表层及内部各层的瞬态温度场与应力场的时空分布和变化规律.结果表明,底层铝电极对激光的反射,使得在底层铝电极处及附近硅层的温度都略有升高.在此基础上,分析了毫秒脉冲激光辐照硅基PIN的硬破坏机理,即熔融前力学损伤导致硅基PIN探测器的功能失常.

关键词：毫秒脉冲激光热应力相变潜热多层结构

毫秒脉冲激光辐照硅基四象限探测器单一象限输出电流研究

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长春理工大学学报（自然科学版） 2022年第2期45卷 6-12页

作者：李晨昂王頔魏智金光勇长春理工大学物理学院长春130022

针对毫秒脉冲激光辐照硅基四象限探测器(Quadrant Photoelectric Detectors,QPD)单一象限输出电流的规律进行了理论和实验研究,并进行了不同条件下输出电流的模拟仿真研究,开展了毫秒脉冲激光辐照硅基QPD探测器单一象限输出电流的实验... 详细信息

针对毫秒脉冲激光辐照硅基四象限探测器(Quadrant Photoelectric Detectors,QPD)单一象限输出电流的规律进行了理论和实验研究,并进行了不同条件下输出电流的模拟仿真研究,开展了毫秒脉冲激光辐照硅基QPD探测器单一象限输出电流的实验研究。模拟仿真结果与实验结果相吻合,结果表明:激光辐照硅基QPD探测器单一象限时,激光辐照象限在激光辐照结束后出现了电流震荡现象,形成第二峰值,且可以观察到输出电流第二峰值和电流恢复时间随着激光能量密度增大而增大。

关键词：毫秒脉冲激光激光辐照四象限探测器(QPD) 输出电流

毫秒脉冲激光对硅基四象限探测器电学参数影响的研究

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毫秒脉冲激光对硅基四象限探测器电学参数影响的研究

作者：李晨昂长春理工大学

学位级别：硕士

硅基QPD探测器在实际生活中具有广泛的应用,是激光制导、激光准直、激光光斑探测系统的重要组成部分,激光辐照致使其处于失灵状态在应用中不可避免地,这对硅基QPD的应用造成了很大的影响,因此研究毫秒脉冲激光与硅基QPD探测器相互作用... 详细信息

硅基QPD探测器在实际生活中具有广泛的应用,是激光制导、激光准直、激光光斑探测系统的重要组成部分,激光辐照致使其处于失灵状态在应用中不可避免地,这对硅基QPD的应用造成了很大的影响,因此研究毫秒脉冲激光与硅基QPD探测器相互作用的电学参数对硅基QPD探测器防护、抗干扰等应用领域的发展具有指导性意义。本论文通过理论、仿真和实验对毫秒脉冲激光与硅基QPD作用的温度、输出电流、目标探测定位和暗电流进行了研究。理论方面:建立了毫秒脉冲激光与硅基QPD探测器单一象限相互作用热学模型和电学模型。外置偏压40V时,毫秒脉冲激光与硅基QPD探测器单一象限相互作用的热学模型中,实现对激光辐照硅基QPD探测器温度演化的理论分析。在毫秒脉冲激光与硅基QPD探测器单一象限相互作用的电学模型中,分别建立了输出电流模型、目标探测定位模型和暗电流模型,实现对激光辐照硅基QPD探测器输出电流、目标探测定位以及暗电流的理论分析。仿真方面:基于理论模型建立了毫秒脉冲激光与硅基QPD探测器单一象限相互作用热学仿真模型、输出电流仿真模型、目标探测定位仿真模型和暗电流仿真模型。热学仿真模型仿真了激光作用点温度的演化。电学仿真模型仿真了毫秒脉冲激光与硅基QPD探测器单一象限相互作用时四个象限的输出电流。目标探测定位仿真通过计算分析了激光光斑性质对定位的影响。暗电流仿真模型仿真了不同偏压时的暗电流。实验方面:搭建了毫秒脉冲激光与硅基QPD探测器单一象限相互作用实验平台,开展了温升、输出电流和暗电流等实验研究。通过实验得到了硅基QPD探测器上表面激光作用点的温度、输出电流、暗电流随激光能量密度和脉冲宽度的变化关系。将其与仿真结果对比,验证了毫秒脉冲激光与硅基QPD探测器相互作用的热学模型和电学模型的合理性,重点分析了单一象限电流对其他象限输出电流的影响,激光作用结束后电流的弛豫现象以及对QPD探测器定位结果的影响。

关键词：毫秒脉冲激光硅基QPD测器温升变化输出电流暗电流

毫秒脉冲激光辐照硅基PIN探测器的恢复时间研究

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毫秒脉冲激光辐照硅基PIN探测器的恢复时间研究

作者：李辛垒长春理工大学

学位级别：硕士

硅基PIN探测器是一种高敏感度的电子器件,它具有灵敏度高、体积小、响应快等优点,广泛应用于光电探测领域,例如:医疗、通信、测距、打印等等。光电探测器在探测激光信号时会受到损伤,导致探测器的光电性能下降,对探测器的探测效果产生... 详细信息

硅基PIN探测器是一种高敏感度的电子器件,它具有灵敏度高、体积小、响应快等优点,广泛应用于光电探测领域,例如:医疗、通信、测距、打印等等。光电探测器在探测激光信号时会受到损伤,导致探测器的光电性能下降,对探测器的探测效果产生极大地影响,因此研究毫秒脉冲激光辐照硅基PIN探测器的恢复时间具有十分重要的意义。论文以硅基PIN探测器为研究对象,宏观上以温升变化和光生电流变化为切入点,微观上以非平衡载流子寿命为切入点,开展了不同条件下毫秒脉冲激光辐照硅基PIN探测器引起软损伤后,其恢复时间的变化规律研究,分析了毫秒脉冲激光对硅基PIN探测器恢复时间的影响机理。根据经典热传导方程、热辐射和热对流的基本公式以及半导体物理的基本方程,建立了毫秒脉冲激光辐照下硅基PIN探测器的温升模型和恢复时间模型。利用COMSOL Multiphysics软件对硅基PIN探测器在毫秒脉冲激光辐照下的温升和恢复时间进行了数值模拟,得到的仿真结果表明,硅基PIN探测器的恢复时间主要是与温度变化有关;能量密度不变时,脉冲宽度越大,恢复时间越短;脉冲宽度不变时,能量密度越大,恢复时间越长,材料越容易受到损坏。搭建了实验平台,在线测量了探测器的表面温度、光生电流以及恢复时间的变化,离线测量了损伤后硅基PIN光电探测器的形貌、响应度以及暗电流。结合理论和实验研究结果,实现对温升、光生电流及恢复时间的定量分析,研究温度对恢复时间的影响规律和内在联系。上述实验测试结果与理论研究结果具有较高的一致性。本文的研究工作可为改善硅基PIN光电探测器的抗激光加固措施提供一定的理论依据和实验参考。

关键词：毫秒脉冲激光硅基PIN光电探测器光生电流非平衡载流子寿命恢复时间

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毫秒脉冲激光辐照光学镜片的热力效应

装备制造技术 2022年第12期 13-15页

作者：王希源韩雅菲沈阳理工大学装备工程学院辽宁沈阳110159

K9光学镜片是坚硬的脆性材料,对其进行切割、打孔等加工时容易产生裂纹甚至碎裂,而毫秒脉冲激光加工技术具有非接触、精度高、效率高等优点,逐渐被用于切割、打孔领域。为了将毫秒脉冲激光对K9光学镜片进行切割和打孔技术进一步的加强,... 详细信息

K9光学镜片是坚硬的脆性材料,对其进行切割、打孔等加工时容易产生裂纹甚至碎裂,而毫秒脉冲激光加工技术具有非接触、精度高、效率高等优点,逐渐被用于切割、打孔领域。为了将毫秒脉冲激光对K9光学镜片进行切割和打孔技术进一步的加强,利用脉宽为1 ms、功率为3 W且重复频率分别为900 Hz、500 Hz、100 Hz的毫秒脉冲激光辐照K9光学镜片,通过构建毫秒脉冲激光辐照光学镜片的热、力效应测量系统,记录K9光学镜片的表面温度演化过程以及镜片表面的实时应变,获得了不同频率毫秒脉冲激光辐照K9光学镜片的温度时程曲线和径向、环向应力时程曲线。得到如下结论:脉宽相同时,随着激光频率的增大,占空比增大,进而导致镜片吸收能量产生的温升增大,对K9光学镜片损伤也越大,得到最高温度与激光频率的2阶多项式拟合函数y=289.03213+0.02698x+4.19812×10^(-4)x^(2);脉宽相同时,随着激光频率的增大,占空比增大,镜片温度升高,温度梯度增大,加剧镜片内部单元的涨缩,从而使得径向、环向应力均增大,对K9光学镜片损伤也越大,得到径向、环向应力与激光频率的2阶多项式拟合函数分别为y=0.09583+1.61473×10^(-4)x-4.92642×10^(-8)x^(2)、y=0.03909+1.4254×10^(-4)x-6.95966×10^(-8)x^(2)。

关键词：毫秒脉冲激光光学镜片热效应力学效应

毫秒脉冲激光致CCD探测器损伤的热力学研究

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毫秒脉冲激光致CCD探测器损伤的热力学研究

作者：赵洋长春理工大学

学位级别：硕士

本文针对毫秒脉冲激光辐照行间转移型彩色面阵CCD探测器的热力损伤过程进行了理论和实验两方面研究。理论研究方面,基于热传导方程和热弹性力学方程,建立毫秒脉冲激光辐照行间转移型彩色面阵CCD多层结构的三维热力耦合物理模型。针对行... 详细信息

本文针对毫秒脉冲激光辐照行间转移型彩色面阵CCD探测器的热力损伤过程进行了理论和实验两方面研究。理论研究方面,基于热传导方程和热弹性力学方程,建立毫秒脉冲激光辐照行间转移型彩色面阵CCD多层结构的三维热力耦合物理模型。针对行间转移型彩色面阵CCD探测器的特殊结构,利用COMSOL Multiphysics有限元模拟软件对毫秒脉冲激光作用行间转移型彩色面阵CCD的损伤过程进行仿真模拟。得到行间转移型彩色面阵CCD探测器在不同激光能量密度和脉冲宽度的条件下的瞬态温度场与应力场的时间、空间分布,并对其变化规律进行分析。在实验研究方面,搭建毫秒脉冲激光辐照行间转移型彩色面阵CCD探测器的损伤测试实验系统,通过该系统对毫秒脉冲激光辐照行间转移型彩色面阵CCD探测器的热力损伤过程进行实验研究。得到CCD表面中心点温度、表面形貌、视频图像、移位寄存器的传输时钟和复位时钟信号随激光能量密度和脉冲宽度的变化规律,并对实验结果进行分析。对比仿真和实验的结果,可以发现两者的规律基本相同。说明本文建立的热耦合模型具有一定的准确性。通过对毫秒脉冲激光辐照行间转移型彩色面阵CCD探测器的热力损伤的理论和实验研究,最终得出结论:毫秒脉冲激光对行间转移型彩色面阵CCD探测器的破坏主要是由热力损伤造成的。本文研究结果为激光对CCD探测器的损伤研究和激光加工技术的改进及完善工作,提供了理论基础。

关键词：毫秒脉冲激光温升热应力行间转移型彩色面阵 CCD

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毫秒脉冲激光辐照硅基PIN的热应力研究

毫秒脉冲激光辐照硅基PIN的热应力研究

作者：魏智长春理工大学

学位级别：硕士

硅基PIN探测器被广泛应用于很多领域,如医疗领域,工业领域等。在硅基PIN探测器接收到强激光信号时,容易受到强激光信号的干扰和破坏,因此研究激光与硅基PIN探测器相互作用的破坏机理,意义重大。而在已有的研究中,多为连续和短脉冲激光... 详细信息

硅基PIN探测器被广泛应用于很多领域,如医疗领域,工业领域等。在硅基PIN探测器接收到强激光信号时,容易受到强激光信号的干扰和破坏,因此研究激光与硅基PIN探测器相互作用的破坏机理,意义重大。而在已有的研究中,多为连续和短脉冲激光对光电探测器的损伤,对长脉冲激光辐照硅基光电探测器来说,模拟仿真虽较多,但主要针对的是构成硅基PIN的某一种材料。对于毫秒量级的长脉冲激光对硅基PIN多层材料的热应力损伤研究,还未见报道。本文基于热传导理论和弹塑性力学理论,利用等效比热容法处理相变潜热,考虑多个热源,尤其是底层铝电极反射的影响,采用有限元模拟软件COMSOL Multiphysics,并考虑硅基PIN探测器每层材料参数的非线性影响,对毫秒脉冲激光辐照硅基PIN多层结构的过程进行了二维数值模拟,得到了材料表层及内部各层的瞬态温度场与应力场在时间和空间上的分布和变化规律。同时,选择合适的参数作为实验所用的脉冲激光的参数,辐照硅基PIN光电二极管,并监测在此过程中硅基PIN光电二极管表面温度的变化,直至硅基PIN光电二极管完全失效。将实验结果与已经完成的仿真模拟进行对比分析,验证仿真结果的可靠性,准确性,探讨致使硅基PIN失效的原因。这些研究结果,将对硅基PIN光电二极管的激光损伤和抗损伤的进一步研究工作,有十分重大的意义。

关键词：毫秒脉冲激光热应力相变潜热多层结构

毫秒脉冲激光辐照CCD图像探测器的热应力研究

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毫秒脉冲激光辐照CCD图像探测器的热应力研究

作者：彭博长春理工大学

学位级别：硕士

本文主要研究毫秒长脉冲激光辐照CCD探测器的损伤机理,在热传导理论和热弹性力学原理的基础上,构建二维的毫秒脉冲激光辐照多像元阵列结构CCD的物理模型,模型中假设材料各向同性,热学和力学材料参数均随温度变化,采用等效比热容法考虑... 详细信息

本文主要研究毫秒长脉冲激光辐照CCD探测器的损伤机理,在热传导理论和热弹性力学原理的基础上,构建二维的毫秒脉冲激光辐照多像元阵列结构CCD的物理模型,模型中假设材料各向同性,热学和力学材料参数均随温度变化,采用等效比热容法考虑了铝电极材料的熔融相变过程。对热传导方程和应力平衡方程进行有限元数值求解,并通过反复研究时间步长和网格剖分之间的协调关系,最终得到了材料熔融前后的瞬态温度场和应力场的模拟结果。针对模拟仿真的条件,建立了毫秒脉冲激光辐照彩色CCD损伤实验。通过逐渐增大激光的功率密度（保证光斑大小不变）,依次使CCD所摄图像中出现线性工作状态、饱和串音、光照区域内部分光敏单元无信号输出直至最后CCD摄像头完全失效损坏。给出了毫秒脉冲激光辐照CCD探测器的损伤机理。最后,利用Princeton Instruments生产的Trivista555CRS型激光拉曼光谱仪对损伤后的CCD芯片的不同损伤位置进行了拉曼光谱测试,得到了CCD中硅材料的拉曼频移变化情况,分析了激光辐照过程中应力的变化情况。

关键词：毫秒脉冲激光 CCD多像元阵列热应力拉曼光谱分析

毫秒脉冲激光作用二元金属靶材制备纳米复合材料

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毫秒脉冲激光作用二元金属靶材制备纳米复合材料

作者：吴鹏天津大学

学位级别：硕士

激光烧蚀法能够提供一种瞬间高温高压的极端非平衡环境,作用金属靶材后能够使其快速地升温和降温,从而制备出结构各异的纳米材料。对于二元的金属复合靶材,足够的激光能量使得两种金属发生共同熔化和气化,形成混合蒸气,在降温过程中发... 详细信息

激光烧蚀法能够提供一种瞬间高温高压的极端非平衡环境,作用金属靶材后能够使其快速地升温和降温,从而制备出结构各异的纳米材料。对于二元的金属复合靶材,足够的激光能量使得两种金属发生共同熔化和气化,形成混合蒸气,在降温过程中发生变化,得到新奇的纳米复合结构。本文采用毫秒脉冲激光辐照二元金属复合靶材,制备出了几种不同的纳米复合材料,并解释了毫秒脉冲激光与二元金属复合靶材的作用机理。利用毫秒脉冲激光在惰性环境中辐照Pb-Zn的二元复合靶材,制备出两相分离的Pb-Zn纳米颗粒,并通过对比试验,研究了合金靶材的组成、激光能量的大小和液体介质的氧化性对于产物的影响。结果发现,相分离纳米复合颗粒中两相的大小与二元靶材的组成有关,基本上成化学计量比的关系,激光能量和液体介质对于相分离复合颗粒的形成具有重要影响。结合相图,解释了毫秒脉冲激光作用Pb-Zn二元复合靶材制备相分离的纳米复合颗粒的形成机理。利用毫秒脉冲激光分别在反应性介质中辐照Pb-Zn二元复合靶材,制备出了一维复合纳米结构。其中在十二硫醇中得到ZnS纳米棒/PbS纳米颗粒的异质结构,在空气和氩气的混合气体中得到ZnO纳米线/Pb纳米颗粒的异质结构,在空气中得到了ZnO纳米棒/PbO的哑铃状纳米复合结构。认为毫秒级的激光脉宽能提供纳米线生长所需要的高温环境,使Pb纳米液滴作为催化剂,Zn蒸气不断地溶入和析出,和周围环境中的S或者O发生反应,生长出ZnS或者ZnO的纳米线,从而形成一维纳米复合纳米结构,这个过程是一种气液固（VLS）的生长机制。利用毫秒激光烧蚀乙醇中的二元金属复合靶材（Zn-Al、Zn-Fe、Pb-Sn）,分别制备出了纳米半球和枝状复合结构、毛刺状纳米球和核壳复合结构等几种结构奇异的纳米复合材料,方便快捷地实现了二元金属纳米材料的复合,因此,利用毫秒脉冲激光烧蚀法制备纳米复合材料是一种很有潜力的制备方法。

关键词：毫秒脉冲激光二元金属靶材纳米合金颗粒纳米线状异质结构