激光对固体材料的热效应

激光对固体材料的热效应学生:文丞S1403W0140导师：余剑武自从T.H.梅曼在1960年研制出世界上第一台激光器诞生至今,各种激光器层出不穷,如气体激光器、液体激光器、固体激光器、化学激光器、准分子激光器和半导体激光器等。这些激光器的应用,遍及工业、农业、医学、军事、科学研究等许多方面。例如,脉冲或连续激光器的聚焦光束能在坚硬的材料上打出直径为微米数量级的小孔,这一现象在精密仪器加工、激光微外科、激光微加工、激光打孔、激光切割等方面均获得了广泛的应用。又如用高功率CO:激光器切割几厘米厚的钢板并非难事。再如,美国政府战略防御计划中,关于激光器的开发和应用经费占有相当高的比例。激光器在空间防御武器系统中也有着重要的应用,诸如激光阻止或杀伤敌方目标而完成特定作战任务,摧毁敌方目标上光电传感器和制导系统等。这些应用也促进了激光技术和激光物理学的进一步发展。当高功率激光光束作用于靶表面时,靶表面吸收大量激光能量,引起靶物质温度升高、熔融、气化、直至产生喷溅等现象。具体过程不仅依赖于激光参数(能量、波长及脉宽等),还与靶物质的物理特性和作用环境条件密切相关。一般说来,不同数量级的激光功率密度作用下的靶表面发生的物理现象是:前言103~104W/CM3104~106W/CM3106~108W/CM3108~1010W/CM3加热熔化汽化等离子体激光与物质的热效应是激光束入射于靶物质后发生的主要物理现象之一。激光加热使材料升温,发生热扩散热膨胀和热应力如果激光能量在金属塑料等材料中的沉淀足够强,材料表面层局部区域会发生熔融和气化,这样就可以利用激光来打孔、切割及其它许多应用。什么是激光与物质的热效应？激光焊接激光切割激光打孔研究背景激光作用于物质上就会发生反射、散射和吸收，热学和力学效应是激光被物质吸收后发生的主要物理现象。入射激光通过逆韧致吸收过程在材料表面趋肤深度内被吸收,并在亚纳秒时间内转化为热能。这样物质温度会升高,物质的状态、结构就会发生改变。因此,可利用激光束对工件进行刻标、切割、钻孔、焊接、热处理、重熔、表面合金等,应用前景远大。热处理在材料技术中有着广泛的应用,诸如金属的软化或硬化,半导体参杂扩散,混合物的复合形成,塑料的聚合等,所以研究激光与物质的相互作用的热效应意义重大。在激光与典型的半导体材料损伤机理研究中,热效应是其中最重要的物理效应之一。当探测器材料受到一束连续波激光辐照时,由于吸收激光的能量,导致材料的加热,使之出现一个随时间变化，随空间分布的温度场,从而使探测器的性质发生变化,或发生暂时性失效或产生永久性损伤。因此,研究连续激光辐照探测器材料产生的温升效应,就成为激光武器、激光加工和激光防护及加固技术中的重要课题之一。研究方法研究激光对物质的热作用过程,主要有三种方法,即实验方法,理论模型分析方法和数值计算方法。实验方法比较精确,但实验成本一般较高,实验条件比较苛刻。理论模型分析方法都是在一定的限制条件下提出的,许多假设与实际情况相差甚远,因此结果也是近似的,很难指导实际情况。对于激光热效应而言,虽然材料在激光作用下的传热遵从热力学的基本规律,包含传导、对流、辐射这三种传热形式,但它有自身的许多特殊性,例如:加热速度快;温度梯度大;材料表面激光作用区内的激光光强分布不均匀;在激光辐射加热过程中,材料的吸收率及其它热物性参数随温度变化等。因此,这是一个复杂的问题,很多热模型与实际情况存在一定的误差,至今仍没有与实际符合很好的激光热模型而数值计算方法则非常灵活,能综合考虑实际条件,较好的模拟激光与物质相互作用过程,且成本低廉,不受实验条件限制。研究现状1.长脉冲作用于光电探测器的研究现状CarsalwHs(1959)首先使用积分变换法给出了较简单的激光加热问题时物体温度场的解析解或近似解。七十年代,Kurer等人对光电探测器的激光热破坏进行了研究,并利用热传导模型做了热效应分析。Moyer等人研究了短脉冲激光辐照下半导体材料的表面效应。蒋志平等研究了激光辐照Insb探测器的温升过程,计算和讨论了胶层的热导率、厚度对激光破坏闽值及热恢复时间的影响，还对激光辐照PC型HgCdTe探测器热损伤做过计算。强希文等考虑了自由载流子吸收、单光子光致电离吸收和双光子光致电离吸收等激光吸收机制,考虑了材料的光学、热学性质的温度关系及热输运的非线性关系,通过求解温度和载流子密度的祸合扩散方程,给出了材料内温度和载流子密度的瞬态分布,对半导体材料激光损伤效应进行了数值求解。在激光与材料损伤机理研究中,很多情况下未考虑径向热传导的影响.强希文等利用径向热传导方程计算了薄靶材的径向温升分布。沈中华等考虑了材料的热物性参数在计算过程中的变化和入射激光的空间分布,采用二维模型,得到Si材料在强激光作用下的轴向和径向温升分布,给出了表面层开始熔化的时间与激光功率密度关系。还根据激光加热和熔融过程中的能量守恒方程,通过假设一种符合物理和数学要求的温度分布形式,得到材料熔融前后的温度分布、熔融界面推进速度和熔融深度变化的解析解,据此进行计算,得到了几种典型的半导体材料的动态温升曲线。研究现状2.飞秒激光研究现状前苏联学者L.Anisimov等在1974年就提出了超短脉冲烧蚀金属的双温模型,该模型从一维非稳态热传导方程出发,给出了电子和晶格在脉冲持续期间温度变化的微分方程。后来,许多学者以此模型为基础开展了大量的研究。例如,1986年GL.Eesloy通过测量皮秒以下激光对铜作用时反射率的变化,研究了铜材料中的电子和晶格温度的非平衡现象,并用双温模型给出了很好的解释。1988年P.Bcorkum等在一定条件下对双温模型进行了解析求解,推导出一个脉宽值表达式,揭示出当脉宽小于这个表达式值时,能流闽值不满足正比τ1/2的规律.1996年B.N.Chiehkov等研究了脉冲激光对不同金属靶材的烧蚀,揭示了超短脉冲烧蚀的优越性;并在不同脉冲时间内,对双温方程进行约化得到不同的解析模型.1999年Falkovsky和Msihchonk基于波尔兹曼方程和费米狄拉克配分函数提出了热电子爆炸模式,用以描述金属材料中的超快形变.2002年J.K.Chne等,综合双温模型及上述热电子爆炸模式,在假定单轴应变三维高压条件下,提出一系列相互关联的瞬时热弹性变形方程。对激光与物质相互作用的数值计算就是从特定的物理模型出发,用计算机进行数值计算或模拟,从而揭示激光与物质相互作用的某些性质和运动规律。激光与物质的热作用研究主要是计算激光辐照下物质温度的变化,以及温度变化引起的一些热效应。激光与物质相互作用的基础理论物质对激光的反射和吸收激光束入射到材料表面,在材料表面会发生反射、散射、吸收等,要进行激光辐照的热效应理论计算,首先要知道有多少辐射能量被材料吸收对于透明或半透明的材料,需要测量材料的反射率和透射率,而对于不透明材料,只需测量其反射率就足够了。从微观来看,激光对物质的作用是高频电磁波对物质中自由电子或束缚电子的作用,物质对激光的吸收与物质结构和电子能带结构有关金属中存在大量的自由电子,在激光作用下这些自由电子受到光频电磁波的强迫振动而产生次波,这些次波形成了强烈的反射波和较弱的透射波,透射部分将被电子通过韧致辐射过程而吸收,继而转化为电子的平均动能,再通过电子与晶格之间的驰豫过程转变为热能非金属与金属不同,它对激光的反射比较低,对应的吸收比较高电介质对激光吸收与束缚电子的极化,单光子成多光子吸收,以及多种机制的非线性光学效应有关透明电介质表面或体内的杂质和缺陷往往强烈吸收激光,成为破坏的根源半导体对激光的吸收有多种机制,以本征吸收最为重要,产生的电子一空穴对很快通过无辐射跃迁复合,将吸收的光能转变为热能等离子体是特殊条件下存在的电离气体,蒸气等离子体对激光有很强的吸收作用激光与物质相互作用的基础理论折射率和吸收系数光波(电磁辐射)在不带电的各向同性的导电媒质中传播时,服从麦克斯韦方程组由麦克斯韦方程组出发可得式中,激光在介质中的电场强度为E,ε0和μ0是自由空间的介电常数和磁导率，εr是媒质的相对介电常数,σ是媒质的电导率。这说明对于非导电性材料,没有光吸收,材料为透明状在电介质中,电磁波没有衰减地传播;而在导电媒质中,如在金属和半导体中,波的振幅随着透入的深度而减小,即存在光吸收。激光与物质相互作用的基础理论半导体的光吸收-导体半导体绝缘体的能带固体按其导电性分为导体半导体绝缘体的机理,可以根据电子填充能带的情况来说明。固体能够导电,是因为固体中的电子在外电场作用下作定向运动。对于满带,其中的能级已为电子所占满,在外电场作用下,满带中的电子并不形成电流,对导电没有贡献,通常原子中的内层电子都是占据满带的能级,因而内层电子对导电没有贡献对于被电子部分占满的能带,在外电场作用下,电子可从外电场中吸收能量跃迁到未被电子占据的能级去,形成了电流,起导电作用,常称这种能带为导带。（a）绝缘体（吧）半导体和（c）导体的能带示意图激光与物质相互作用的基础理论半导体的光吸收-半导体的光吸收机理1.本征吸收2.直接跃迁和间接跃迁3.其他吸收过程a.激子吸收c.杂质吸收b.自由载流子吸收d.晶格振动吸收激光与物质相互作用的基础理论半导体的光吸收-半导体的光吸收机理本征吸收理想半导体在绝对零度时,价带是完全被电子占满的。价带中的电子可能吸收光子而激发到空的导带,在价带中留下一个空穴,形成电子一空穴对。这种由于电子自满带到空带之间的跃迁称为本征吸收。直接跃迁和间接跃迁电子的直接跃迁直接跃迁和间接跃迁激光与物质相互作用的基础理论半导体的光吸收-其他吸收过程a.激子吸收在低温时发现某些晶体在本征连续吸收光谱以前,即hvEg时,就己出现一系列吸收线;并且发现,激光与物质相互作用的热效应研究对应于这些吸收线并不伴有光电导。可见这种吸收并不引起价带电子直接激发到导带,而形成所谓的激子吸收。b.自由载流子吸收对于一般半导体材料,当入射光子的频率不够高,不足以引起电子从带到带的跃迁或形成激子时,仍然存在着吸收,而且其强度随波长增大而增加这是自由载流子(即导带中电子或满带中空穴)在同一带内的跃迁所引起的,称为自由载流子吸收。激光与物质相互作用的基础理论半导体的光吸收-其他吸收过程c.杂质吸收束缚在杂质能级上的电子或空穴也可以引起光的吸收。若光子激发杂质能级上的电子跃迁到导带能级;空穴也同样可以吸收光子而跃迁到价带。这种光吸收称为杂质吸收。d.晶格振动吸收对离子晶体或离子性较强的化合物,存在较强的晶格振动吸杂质吸收中的电子跃迁关于计算激光加热下物体的温度场,激光辐射可视为一个热加工的热源,而激光作用材料表面的热转换主要是通过三种途径进行,即电子热传导、声子热传导和辐射热传导。通过激光能量的吸收和热扩散,引起物体边界上和内部的热流运动,使得各处的温度不同程度的上升激光加载条件、物体的形状、初始和边界条件以及物体的热物理性质决定了物体温度场的时空变化。激光作用固体材料的热效应解析模型介绍热传导方程和基本热物理参数一个三维热传导方程可写为如下通用形式式中K为热导率,p为材料密度,c为材料比热容,T为温度,t为时间变量,A（x，y，z，t)为每单位时间、单位体积传递热给固体材料的加热速率由于材料的热物理系数是温度的函数,所以方程是非线性的,其解非常复杂,很难得到解析解。然而事实上大部分材料的热物理参数随温度变化并不明显,故在一定条件下可假定其与温度无关,在一定的温度范围内取其平均值进行计算,这样方程才可能得到解析解。若激光作用下材料是均匀各向同性的,则方程可简化为式中k=K/ρc声为材料的热扩散率。由于求解热传导方程非常复杂,许多学者提出了一些热模型,一在求解热传导方程时通常的假定条件是:(1)被加热材料是各向同性物质。(2)材料的热物理参数与温度无关或取特定的平均值。(3)忽略热传导中的辐射和对流,只考虑材料表面的热传导。激光作用固体材料的热效应解析模型介绍激光辐照固体材料的热模型1.激光辐照半无限大固体模型(1)均匀辐照半无限大固体模型在激光与材料相互作用的热转换的理论研究中,最简单的方法