连续激光辐照半导体材料的温度场

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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
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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

·
毕业论文
强激光辐照光学元件的光热效应探测系 统的研究
学生姓名： 学 专 院： 业： 学号： 10051041 信息与通信工程学院 光电信息工程
指导教师：
2014 年
6
月
强激光辐照光学元件的光热效应探测系统的研究
摘要 光热光偏转( PTD)技术是一种基于光热效应建立和发展起来无损检测技术，因其 具有灵敏度高，不需要对样品进行预处理，可非接触测量等优点，已在物理材料科学等 领域获得了广泛的应用。 本设计采用阶跃光激励，以小功率半导体激光器为探测光源，以象限探测器为信号 的接收装置，采用锁相放大器和放大电路作为信号的处理部分，构成了对样品的光热效 应探测系统。本课题的主要工作为： 1. 介绍光热偏转方法的基本原理和特点，光热偏转技术在工业中的应用。 2. 基于半导体光电效应原理和热传导规律， 建立了阶跃光激励的半导体材料的一维 温度场模型。计算出光束偏转角与温度场之间的关系，从而推导出偏转角表达式。通过 数值模拟分析出调制频率，泵浦光功率与偏转信号的关系。 3. 建立了阶跃光激励的 PTD 技术的实验系统，并对系统的光路部分以及信号采集 部分进行了分析。
录
绪论 ...................................................................................................................................... 1 引言 ................................................................................................................................... 1 光热光偏转技术的原理和特点 ....................................................................................... 2 光热光偏转技术的原理 ................................................................................................ 2 光热光偏转技术的特点 ................................................................................................ 3 光热光偏转技术的实验装置 ........................................................................................... 3 光热光偏转技术的应用 ................................................................................................... 5 测定材料的热学参数 .................................................................................................... 5 测定材料的光吸收系数 ................................................................................................ 5 光热光偏转成像 ............................................................................................................ 6 本课题主要研究的方法和内容 ....................................................................................... 6 光热偏转系统的理论研究 .................................................................................................. 8 引言 ................................................................................................................................... 8 样品的光激发过程和热源产生 ....................................................................................... 8 材料对激光的吸收 ........................................................................................................... 9 热传导微分方程 ............................................................................................................. 10 光束偏转角的计算 ......................................................................................................... 12 数值模拟 ......................................................................................................................... 13 基于光热效应的光热偏转探测系统 ................................................................................ 15 引言 ................................................................................................................................. 15 实验系统的总体设计 ..................................................................................................... 15 光路部分 ......................................................................................................................... 16 激励光源（半导体激光器） ...................................................................................... 16 探测光源（He-Ne 激光器） ...................................................................................... 17 声光调制器 .................................................................................................................. 17 扩束镜 .......................................................................................................................... 19 电路部分 ......................................................................................................................... 20

关 键词 ： 激光 技术 ； 飞秒 激光 ； 温模 型 ； 限元方 法 双 有 中 图分 类号 ： Ｎ ４ Ｔ ２１ 文献 标识 码 ： Ａ
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其变化率的主要因素;与 ２．
０μm 激光辐照相比,
１．
０６μm 激光辐照中红外滤光片时产生的热效应更为显著.
关键词:连续激光;中红外滤光片;热效应
中图分类号:
TN２４９ 文献标志码:
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激 光 辐 照 引起 的材 料 温 度 场 和热 应 力 场 的瞬态 分 布
王 刚 ， 徐 强 ， 刘 洋 王 虎。 梁 晓 东。 李 艳。 陈志 学 ， ， ， ，
（．海 军 驻 西 安 二 十 所 军 事 代 表 室 ， 西 西安 ７０ ６ ； １ 陕 １ ０ ５ ２ 西 安 电子 科 技 大 学 理 学 院 物 理 系 ， 西 西 安 ７ ０ ７ ；３应 用光 学 研 究 所 ， 西 西 安 ７ ０ ６ ） ． 陕 １０１ ． 陕 １０ ５
摘 要 ： 电探 测器吸 收激 光后 的 温升 以及 因温 升造 成 的各 种 现 象 ， 光 致使 探 测 器遭 受到 不 同程
度 的损 伤 。利 用热弹性 理论 对 Ｃ 。 光 器辐 照 Ｋ９玻 璃 材料 进 行研 究 ， 立 激光 辐 照材 料 温升 Ｏ 激 建
及 热应 力分布 二 维平 面模 型 ， 过解析 计 算得 到 由激 光辐 照 半 导体 材料 引起 的温度 场和 应 力场 通
中图分类号 ： ＴＮ２ ９ ４ 文献标志码 ： Ａ
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第３ ２卷 第 ４期
２１ ０ １年 ７月
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Ｖｏ． Ｏ １ ３２ Ｎ ．４
Ｊｕｎ ｌ ｆ ｏ ｒ ａ ｐ ｉｄ Ｏｐ ｉｓ ｏ Ａｐ ｌ ｔｃ ｅ
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文 章 编 号 ：０ ２２ ８ （ ０ １ ０ — ８ １０ １ ０ —０ ２ ２ １ ） ４０ ０ — ５

焦 路 光 ， 国 民 赵
（ 防科 学技 术 大 学 光 电科 学与工程 学院 ， 国 湖南 长沙 ４ ０ ７ ） １０ ３ 摘 要 ： 据 实验 测 量得 到 的钢靶表 面能量耦 合 系数 随 温度 的 变化规 律 ，考虑 金 属材料 的物性 参数 根
随温 度 的变化及 表 面发 生的 熔凝过 程 ， 立 了连 续激 光作 用 下金属／ 药 结构 内部 三 维温度 场 分布 的 建 炸
第４ ０卷 第 ９期
Ｖｏ１ ０ ． ＮＯ． ４ ９
红 外 与 激 光 工 程
Ｉ ｆ ａ ｅ ｎ ｓ ｒ Ｅｎ ｉ ｅ ｒ ｇ ｎ ｒ ｒ ｄ ａ ｄ Ｌａ ｅ ｇ ｎ ｅ ｉ ｎ
２１ ０ １年 ９月
Ｓ ｐ ０１ ｅ ．２ １
激 光 辐 照 下 金 属 ／ 药 结 构 三 维 温 度 场 的 数 值 模 拟 炸
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电子学与光 电子学 １５ ０
利用 １ ６ ． ． ｍ连续激光辐照短波通截止膜产生温升规律的综合常数 Ｋ Ｉ ， ０ｇ ＝ ． 计算 了脉宽 １ ， ． 啪 ２ ０ ｓ １６ ｎ ０
单脉 冲激光辐 照 薄膜元 件产 生 的温度 场和 热应 力场 。图 １ 是不 同能量下 脉冲 激光辐 照 薄膜 元件 光斑 中心温
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图 Ｉ 潭膜 中 心温度 场 分布
图 ２ 轴 向热应 力随 薄膜 轴 向距离 的变 化
径向应力的分布与轴 向应力的分布类似：光斑中心点压应力最大，边缘 自由端压应力为零。且轴 向、
度随时间的变化。由图 Ｉ 可见 ，光斑中心温度呈线形上升，激光辐照能量越高，温度效应越 明显。这是由
于脉冲激 光辐 照 时间短 ，热量 相对 集 中，不易 向四周 扩散 所造 成 的 。同时给 出温升 随径 向距 离 的变化 ，薄
膜被激光辐照 中心温度最高，随着径 向距离的增加温度下降很快。图 ２为不同能量下脉冲激光辐照薄膜元 件引起的轴向热应力随轴 向（ 即薄膜厚度方 向） 距离的变化。由图 ２可见，与基体接触的薄膜层所承受的压 应力最大 ，从与基体接触的薄膜层开始到表面薄膜结束 ，压应力逐渐减小，到 自由面压应力为零 。
径向应力分布均为负值，表明脉冲激光辐照薄膜元件产生的应力具有压应力的特征。环 向应力：在脉冲激
光辐照过程中，薄膜在光斑区域 内，环 向应力表现为压应力特征 。光斑中心压应力最大，随着径向距离的 增大，压应力快速下降，在某个位置，如光斑边缘位置 ，压应力为零 ，然后开始 向拉应力过渡 ，当拉应力