长脉冲激光辐照层状材料的热力效应研究.pdf

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1、分类号LDC：密级：卫趸逾编号：彩碜和长脉冲激光辐照层状材料的热力效应研究Studyonthermal·mechanicaleffectoflayeredmaterialsinducedbylongpulselaserirradiation学位授予单位及代码：长春理工大学(10186)学科专业名称及代码：迸生lQZ蝗Q22研咒万向：堂堂地焦基当塑亟揎亘监旦申请学位级别：蝗±指导敦帅：堂皇塑研究生：生蝎论文起止时间：上地鱼蛆生虬世jl+长春理工大学博士学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的博士学位论文《长脉冲激光辐照层状材料的热力效应研究》是本人在指导教师的指导下．独立进行研究工作所取

2、得的成果。除文中己经注明引用的内容外．本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。作者襁曙毋5—独＆年—玉月旦日长春理工大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版权使用规定”，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属长春理工大学。本人保证毕业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为长春理工大学。同意长春理工大学保存井使用学位论文：同意长春理工大学向国家图书馆、中国学术期刊(光盘版)电子杂志社、中国科

3、学信息研究所送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。(涉密论文在解密后遵守此规定)论文涉密情况约定：(打“√”选择)d本论文非涉密论文。口本论文属于涉密论文，在——年解密后使用本授权书。作者毖堕!丑已年』卫日导师签名艘r砗土月卫日●0d_．1，●qZ、{摘要本文采用理论计算和有限元数值模拟的方法对长脉冲激光辐照层状材料的热力效应进行了建模和求解，研究了其产生、变化直至材料损伤的特性与规律。基于傅里叶热传导理论和解析法建立了长脉冲激光辐照单层半导体材料的一维、二维平面的温度场计算模型．计算了材料内的瞬态漏度场。然后采用半解析法建立了波长o53}un的长脉冲激光辐照GaAs的二

4、维轴对称温度场计算模型，模拟了吸收率不同的GaAs内部的瞬态温度场及表面热致分解损伤阈惶．结果表明：较高的吸收率引起材料表面的温升较高，但分解损伤闽值较低：增加作用激光能量密度，GaAs表面发生分解损伤随之提前。针对长脉冲激光辐照单层半导体材料的热力问题，基于热传导理论和热弹性力学理论，采用解耦的方式．建立了二维轴对称热力耦台模型。采用有限元法模拟了硅材料的瞬态温度场、热应力场和位移场。研究发现：硅的最大径向压应力和最大环向压应力均出现在材料表面浅层的中心轴上，如果该处应力超过极限强度时．将导致材料出现裂纹．进而发生热力损伤：在其他参数相同的情况下．材料的吸收系数与吸收率较大时、且长脉

5、冲激光辐照硅的热源强度较高致使其产生的温升较高、撮大压应力值较大、导致的最大轴向位移量较大。在建立了长脉冲激光辐照双层材料的热力耦台模型基础上，采用有限元法分别模拟了铝一铜系统和铝-玻璃系统的温度场、热应力场和位移场，最后分析和比较了这两种系统的温度场分布、等效应力场分布和位移场分布规律，研究结果表明，由于各层材料的热传导系数和热膨胀系数的差异，在相同条件的激光辐照下．系统在厚度方向上的温度分布和应力分布均出现了不连续现象，因而破坏效果不同，表现为：铝．铜系统发生断裂的危险地带位于辐照表面的中心轴附近：而铝．玻璃系统位于双层材料交界面的中心轴附近t并且铝-玻璃系统的温升较高、等效应力值

6、较高、位移量较多。因此．在相同能量密度的长脉冲激光辐照下，铝．玻璃系统更容易技生热力效应损伤，并从应力值虽大的位置向周围扩大，进而导致系统出现断裂破坏。建立了波长106肛l的长脉冲激光辐照帧转移型面阵CCD传感器的MOS光敏单元的热力耦合模型，采用有限元法模拟了长脉冲激光辐照MOS光敏单元的温度场和应力场．得到了长脉冲激光致使MOS光敏单元产生硬破坏的结果：在长脉冲激光作用下t由于s层表面径向压应力超过其抗压强度引起MOS光敏单元出现了Os层问分裂，并在径向、环向和轴向压应力的共同作用下，层间分裂就扩大至光敏单7i的整个Os层间。Os层间的完全分裂将导致光敏单元发生硬破坏，进而使CCD

7、传感器中激光照射区的单个或一列光敏单元的功能完全丧失。本文的研究结果对研究长脉冲激光辐照层状材料的热力效应的演化特征与规律，进而揭示长脉冲激光与层状材料相互作用机理具有参考意义。关键词：长脉冲激光激光辐照热力效应激光损伤温度场热应力场ABSTRACTThispaperadoptedthemethodsoftheoreticalcalculationandfiniteelementnumericalsimulationtomodelandthen