强激光辐照下硅材料的温度分布研究
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的温度 分 布规律 以 及激 光 辐 照 时 间 、 靶材 半 径 对 靶
材温度 分 布的影 响 。
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２０ ０ ６年 ６， １ 到 】２ Ｉ收 解 放 军 军 械 程学 院重 点 基 金
（ ＪＸ ０ ０ ２） 助 ＹＪＭ ５０ 资
摘
要
激 光辐 照 光 电 系统 极 易造 成 光 电探 测 器 件 的 干 扰 或 破 坏 。 为 此 研 究 了连 续 强 激 光 对 半 导 体 材 料 的辐 照 效 应 ， 用 应
积 分 变换 的 方 法 ， 立 了平 顶 型 的 连 续 激 光 辐 照 硅 材 料 的 二 维 非 稳 态 温 度 分 布 模 型 。 研 究 发 现 ： 形 平 顶 激 光辐 照 硅 材 料 建 圆 靶 ， 光 作 用 区域 内的 温 度 由光 斑 中心 向 四周逐 渐 降 低 ， 作 用 区域 边 缘 处 温 度 变 化 比较 明 显 ； 同辐 照 时 间 下 对 应 的 靶 材 激 在 不 前 表 面 温度 的 整 体 分 布 情 况 是 大 致 相 同 的 ； 一 定 的 激 光 功 率 密度 和 辐 照 时 间 条 件 下 ， 料 靶 表 面 的 温 升 和 靶 材 半 径 负 在 材
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强 激 光 辐 照下 硅 材 料 的 温 度 分 布 研 究
禹 烨 。 牛 燕雄 。 刘 杰 。 ’
（ 械Ｊ： 军 稳ｔ 、 院光学 －电子 ｒ 系 石 家庄 ０ＯＯ ； 华大学 精 密仪 器及机 械学 系精 密仪 器测试 技 术 卜仪器 国家重 点实 验室 一京 ］ Ｏ４ ｊ 程 ， ５Ｏ３清 ｊ ．Ｅ ０ ８ ） Ｏ
相关。
关键词 激光光学 中｝ 法分类号 冬 ｛
积分变换 法
硅 材料 Ｂ
温度分布
Ｔ ２ １ 文献标识码 Ｎ４；
随着 光 电技术 的发 展 ， 电 探 测设 备 在 武 器装 光 备 中得 到 越 来 越 广 泛 地 应 用 。 然 而 伴 随 着 激 光 技 术 的突 飞猛进 ， 光武 器在 未 来 战争 中必 将 得 到广 激 泛地 的应用 ， 激光 辐 照对 光 电探 测 器件 可 造 成 光 电 系统 的破 坏 。光 电探 测 器件 大 多 是 由半 导 体 材 料 构成 的 ， 而激光 对 光 电探 测 器 辐 照效 应 的 研 究 都 因 可归结 为 激 光 与 半 导 体 材 料 的 相 互 作 用 的 研 究 。 热作用 是 激 光 与 半 导 体 材 料 相 互 作 用 中最 重 要 的 物理效 应之 一 ， 因此 研 究激 光 对 典 型 的半 导 体 材料 （ 例如 Ｓ） ｉ 的热作 用是 具有 非常 重要 的意 义的 。 国内外 已经 开 展 了 不 少 有 关 激 光 对 硅 材 料 辐 照效应 的理 论 和 实验 研 究 ¨ ４ ， 很 少 涉 及 平 顶 激 ＿ 但 光辐 照半导 体材料 时 ， 材料 表 面 温 度 分 布 的规 律 以 及一些 参 数 对 温 度 分 布 的 影 响 。 以下 通 过 积 分 变
换 的方 法 ， 算 出平 顶 激光 辐 照 硅 材料 的二 维 温 升 解 模型 ， 并分 析 ｒ硅 材 料 的熔 融 破 坏情 况 、 材料 表 面
１ 理论 模型
激光 辐 照 材料 时 ， 部 分 能 量 被 反 射 ， 一 部 一 另
分能 量被 材料 的 表层 所 吸 收 并 转 化 为 热 。该 能 量
通过 热传 导在 靶 材 内扩 散 ， 而 形 成 温 度场 。 当激 从 光辐 照材 料 时 ， 材料 吸收 的光 能 是在 作 用 的瞬 问转 变成 热 能的 ， 且迅 速建 立局 部 的热动 态平衡 。 并 在柱 坐标 系下 ， 究 平 顶 激 光对 材 料 的辐 照效 研 应 。假设 材料 的热 边 界 为 绝 热 状 态 ， 束半 径 为 口 光 的圆形平 顶 激 光 光 斑 照 射 在 半 径 为 ｂ的 圆形 靶 材 上， 靶材 厚度 为 ｈ 如 图 １所 示 ） （ 。这 样 研 究 的 问题 可 简化 成半径 ｒ ｂ的平 面情 况 ， ＝ 热传导 方程 为 … ：
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科
学
技
术
与
工
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表 １ 硅 材 料 的 物 性 参 数 ［， ５］ ６
６卷
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式中 。 ： 。 材 料 的热 扩散 率 ； ，ｆ 生 ｇ（ ，）：
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为材料 的 表面 对 激 光 的吸 收 系数 ； 为 作 用 于 材 料 ，
表 面的激光 功率 密度 。 在光斑 半径 内 光强 分 布 均 匀 的情 况 下 ， 除激 光 辐 照 面外 ， 他 各边 界 与 外 界 绝 热 ， 足 第 二 类 边 其 满 界条件 ， ｈ ０ （ ） ０ 则 ＝ ｔ ＝ 。 初 始条 件为 ： Ｔ Ｉ ＝ 。 对于有 限平顶 光斑 ：
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图 平 光 辐 圆 型 材 物 模 ｌ 顶束照板靶的理型
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第 ６卷
第 １ ｊ ２ ０ ９ｊ ０ ６年 ｌ ９ ０月
程
Ｖｏ ． Ｎｏ． ９ １６ １
Ｏｃ． ２ ０６ ｔ ０
１７１ １ １ ２ ０ １ — １５—４ ６ — ８ ９（ ０ ６） ９ ３ ８ ０
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２０ ０ ６年 ６， １ 到 】２ Ｉ收 解 放 军 军 械 程学 院重 点 基 金
（ ＪＸ ０ ０ ２） 助 ＹＪＭ ５０ 资
摘
要
激 光辐 照 光 电 系统 极 易造 成 光 电探 测 器 件 的 干 扰 或 破 坏 。 为 此 研 究 了连 续 强 激 光 对 半 导 体 材 料 的辐 照 效 应 ， 用 应
积 分 变换 的 方 法 ， 立 了平 顶 型 的 连 续 激 光 辐 照 硅 材 料 的 二 维 非 稳 态 温 度 分 布 模 型 。 研 究 发 现 ： 形 平 顶 激 光辐 照 硅 材 料 建 圆 靶 ， 光 作 用 区域 内的 温 度 由光 斑 中心 向 四周逐 渐 降 低 ， 作 用 区域 边 缘 处 温 度 变 化 比较 明 显 ； 同辐 照 时 间 下 对 应 的 靶 材 激 在 不 前 表 面 温度 的 整 体 分 布 情 况 是 大 致 相 同 的 ； 一 定 的 激 光 功 率 密度 和 辐 照 时 间 条 件 下 ， 料 靶 表 面 的 温 升 和 靶 材 半 径 负 在 材
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强 激 光 辐 照下 硅 材 料 的 温 度 分 布 研 究
禹 烨 。 牛 燕雄 。 刘 杰 。 ’
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相关。
关键词 激光光学 中｝ 法分类号 冬 ｛
积分变换 法
硅 材料 Ｂ
温度分布
Ｔ ２ １ 文献标识码 Ｎ４；
随着 光 电技术 的发 展 ， 电 探 测设 备 在 武 器装 光 备 中得 到 越 来 越 广 泛 地 应 用 。 然 而 伴 随 着 激 光 技 术 的突 飞猛进 ， 光武 器在 未 来 战争 中必 将 得 到广 激 泛地 的应用 ， 激光 辐 照对 光 电探 测 器件 可 造 成 光 电 系统 的破 坏 。光 电探 测 器件 大 多 是 由半 导 体 材 料 构成 的 ， 而激光 对 光 电探 测 器 辐 照效 应 的 研 究 都 因 可归结 为 激 光 与 半 导 体 材 料 的 相 互 作 用 的 研 究 。 热作用 是 激 光 与 半 导 体 材 料 相 互 作 用 中最 重 要 的 物理效 应之 一 ， 因此 研 究激 光 对 典 型 的半 导 体 材料 （ 例如 Ｓ） ｉ 的热作 用是 具有 非常 重要 的意 义的 。 国内外 已经 开 展 了 不 少 有 关 激 光 对 硅 材 料 辐 照效应 的理 论 和 实验 研 究 ¨ ４ ， 很 少 涉 及 平 顶 激 ＿ 但 光辐 照半导 体材料 时 ， 材料 表 面 温 度 分 布 的规 律 以 及一些 参 数 对 温 度 分 布 的 影 响 。 以下 通 过 积 分 变
换 的方 法 ， 算 出平 顶 激光 辐 照 硅 材料 的二 维 温 升 解 模型 ， 并分 析 ｒ硅 材 料 的熔 融 破 坏情 况 、 材料 表 面
１ 理论 模型
激光 辐 照 材料 时 ， 部 分 能 量 被 反 射 ， 一 部 一 另
分能 量被 材料 的 表层 所 吸 收 并 转 化 为 热 。该 能 量
通过 热传 导在 靶 材 内扩 散 ， 而 形 成 温 度场 。 当激 从 光辐 照材 料 时 ， 材料 吸收 的光 能 是在 作 用 的瞬 问转 变成 热 能的 ， 且迅 速建 立局 部 的热动 态平衡 。 并 在柱 坐标 系下 ， 究 平 顶 激 光对 材 料 的辐 照效 研 应 。假设 材料 的热 边 界 为 绝 热 状 态 ， 束半 径 为 口 光 的圆形平 顶 激 光 光 斑 照 射 在 半 径 为 ｂ的 圆形 靶 材 上， 靶材 厚度 为 ｈ 如 图 １所 示 ） （ 。这 样 研 究 的 问题 可 简化 成半径 ｒ ｂ的平 面情 况 ， ＝ 热传导 方程 为 … ：
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表 １ 硅 材 料 的 物 性 参 数 ［， ５］ ６
６卷
＋
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式中 。 ： 。 材 料 的热 扩散 率 ； ，ｆ 生 ｇ（ ，）：
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为材料 的 表面 对 激 光 的吸 收 系数 ； 为 作 用 于 材 料 ，
表 面的激光 功率 密度 。 在光斑 半径 内 光强 分 布 均 匀 的情 况 下 ， 除激 光 辐 照 面外 ， 他 各边 界 与 外 界 绝 热 ， 足 第 二 类 边 其 满 界条件 ， ｈ ０ （ ） ０ 则 ＝ ｔ ＝ 。 初 始条 件为 ： Ｔ Ｉ ＝ 。 对于有 限平顶 光斑 ：
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Ｖｏ ． Ｎｏ． ９ １６ １
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