激光對(duì)固體材料的熱效應(yīng)

1、激光對(duì)固體材料的熱效應(yīng)激光對(duì)固體材料的熱效應(yīng) 學(xué)生: 文丞 S1403W0140 導(dǎo)師：余劍武自從T.H.梅曼在1960年研制出世界上第一臺(tái)激光器誕生至今,各種激光器層出不窮,如氣體激光器、液體激光器、固體激光器、化學(xué)激光器、準(zhǔn)分子激光器和半導(dǎo)體激光器等。這些激光器的應(yīng)用,遍及工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、軍事、科學(xué)研究等許多方面。例如,脈沖或連續(xù)激光器的聚焦光束能在堅(jiān)硬的材料上打出直徑為微米數(shù)量級(jí)的小孔,這一現(xiàn)象在精密儀器加工、激光微外科、激光微加工、激光打孔、激光切割等方面均獲得了廣泛的應(yīng)用。又如用高功率CO:激光器切割幾厘米厚的鋼板并非難事。再如,美國(guó)政府戰(zhàn)略防御計(jì)劃中,關(guān)于激光器的開發(fā)和應(yīng)用經(jīng)費(fèi)占

2、有相當(dāng)高的比例。激光器在空間防御武器系統(tǒng)中也有著重要的應(yīng)用,諸如激光阻止或殺傷敵方目標(biāo)而完成特定作戰(zhàn)任務(wù),摧毀敵方目標(biāo)上光電傳感器和制導(dǎo)系統(tǒng)等。這些應(yīng)用也促進(jìn)了激光技術(shù)和激光物理學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展。當(dāng)高功率激光光束作用于靶表面時(shí),靶表面吸收大量激光能量,引起靶物質(zhì)溫度升高、熔融、氣化、直至產(chǎn)生噴濺等現(xiàn)象。具體過(guò)程不僅依賴于激光參數(shù)(能量、波長(zhǎng)及脈寬等),還與靶物質(zhì)的物理特性和作用環(huán)境條件密切相關(guān)。一般說(shuō)來(lái),不同數(shù)量級(jí)的激光功率密度作用下的靶表面發(fā)生的物理現(xiàn)象是:前言前言 103104W/CM3 104106W/CM3106108W/CM31081010W/CM3加熱加熱熔化熔化汽化汽化等離子體等離

3、子體 激光與物質(zhì)的熱效應(yīng)激光與物質(zhì)的熱效應(yīng)是激光束入射于靶物質(zhì)后發(fā)是激光束入射于靶物質(zhì)后發(fā)生的主要物理現(xiàn)象之一。激光加熱使材料升溫生的主要物理現(xiàn)象之一。激光加熱使材料升溫,發(fā)發(fā)生熱擴(kuò)散熱膨脹和熱應(yīng)力生熱擴(kuò)散熱膨脹和熱應(yīng)力如果激光能量在金屬塑如果激光能量在金屬塑料等材料中的沉淀足夠強(qiáng)料等材料中的沉淀足夠強(qiáng),材料表面層局部區(qū)域會(huì)材料表面層局部區(qū)域會(huì)發(fā)生熔融和氣化發(fā)生熔融和氣化,這樣就可以利用激光來(lái)打孔、切這樣就可以利用激光來(lái)打孔、切割及其它許多應(yīng)用。割及其它許多應(yīng)用。什么是激光與物質(zhì)的熱效應(yīng)？什么是激光與物質(zhì)的熱效應(yīng)？激光焊接激光切割激光打孔研究背景研究背景 激光作用于物質(zhì)上就會(huì)發(fā)生反射、散射和吸

4、收，熱學(xué)和力學(xué)效應(yīng)是激光被物質(zhì)吸收后發(fā)生的主要物理現(xiàn)象。入射激光通過(guò)逆韌致吸收過(guò)程在材料表面趨入射激光通過(guò)逆韌致吸收過(guò)程在材料表面趨膚深度內(nèi)被吸收膚深度內(nèi)被吸收,并在亞納秒時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)化為熱能并在亞納秒時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)化為熱能。這樣物質(zhì)溫度會(huì)升高,物質(zhì)的物質(zhì)的狀態(tài)、結(jié)構(gòu)就會(huì)發(fā)生改變狀態(tài)、結(jié)構(gòu)就會(huì)發(fā)生改變。因此,可利用激光束對(duì)工件進(jìn)行刻標(biāo)刻標(biāo)、切割切割、鉆孔鉆孔、焊接焊接、熱處理熱處理、重熔重熔、表面合金表面合金等,應(yīng)用前景遠(yuǎn)大。熱處理在材料技術(shù)中在材料技術(shù)中有著廣泛的應(yīng)用,諸如金屬的軟化或硬化,半導(dǎo)體參雜擴(kuò)散,混合物的復(fù)合形成,塑料的聚合等,所以研究激光與物質(zhì)的相互作用的熱效應(yīng)意義重大。在激光與典型的半導(dǎo)

5、體材料損傷機(jī)理研究中,熱效應(yīng)熱效應(yīng)是其中最重要的物理效應(yīng)之一。當(dāng)探測(cè)器材料受到一束連續(xù)波激光輻照時(shí),由于吸收激光的能量,導(dǎo)致材料的加熱,使之出現(xiàn)一個(gè)隨時(shí)間變化，隨空間分布的溫度場(chǎng),從而使探測(cè)器的性質(zhì)發(fā)生變化,或發(fā)生暫時(shí)性失效或產(chǎn)生永久性損傷。因此,研究連續(xù)激光輻照探測(cè)器材料產(chǎn)生的溫升效應(yīng),就成為激光武器、激光加工和激光防護(hù)及加固技術(shù)中的重要課題之一。研究方法研究方法 研究激光對(duì)物質(zhì)的熱作用過(guò)程,主要有三種方法三種方法,即實(shí)驗(yàn)方法實(shí)驗(yàn)方法,理論模型分析方理論模型分析方法法和數(shù)值計(jì)算方法數(shù)值計(jì)算方法。實(shí)驗(yàn)方法實(shí)驗(yàn)方法比較精確,但實(shí)驗(yàn)成本一般較高,實(shí)驗(yàn)條件比較苛刻。理論模型分析方法理論模型分析方法都

6、是在一定的限制條件下提出的,許多假設(shè)與實(shí)際情況相差甚遠(yuǎn),因此結(jié)果也是近似的,很難指導(dǎo)實(shí)際情況。對(duì)于激光熱效應(yīng)而言,雖然材料在激光作用下的傳熱遵從熱力學(xué)的基本規(guī)律,包含傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射這三種傳熱形式,但它有自身的許多特殊性,例如:加熱速度快;溫度梯度大;材料表面激光作用區(qū)內(nèi)的激光光強(qiáng)分布不均勻;在激光輻射加熱過(guò)程中,材料的吸收率及其它熱物性參數(shù)隨溫度變化等。因此,這是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題,很多熱模型與實(shí)際情況存在一定的誤差,至今仍沒有與實(shí)際符合很好的激光熱模型而數(shù)值計(jì)算數(shù)值計(jì)算方法方法則非常靈活,能綜合考慮實(shí)際條件,較好的模擬激光與物質(zhì)相互作用過(guò)程,且成本低廉,不受實(shí)驗(yàn)條件限制。研究現(xiàn)狀研究現(xiàn)狀1.1

7、.長(zhǎng)脈沖作用于光電探測(cè)器的研究現(xiàn)狀長(zhǎng)脈沖作用于光電探測(cè)器的研究現(xiàn)狀 CarsalwHs(1959)CarsalwHs(1959)首先使用積分變換法給出了較簡(jiǎn)單的激光加熱問(wèn)題時(shí)物體溫度場(chǎng)的解析解或近似解。七十年代,KurerKurer等人對(duì)光電探測(cè)器的激光熱破壞進(jìn)行了研究,并利用熱傳導(dǎo)模型做了熱效應(yīng)分析。MoyerMoyer等人研究了短脈沖激光輻照下半導(dǎo)體材料的表面效應(yīng)。蔣志平蔣志平等研究了激光輻照Insb探測(cè)器的溫升過(guò)程,計(jì)算和討論了膠層的熱導(dǎo)率、厚度對(duì)激光破壞閩值及熱恢復(fù)時(shí)間的影響，還對(duì)激光輻照PC型HgCdTe探測(cè)器熱損傷做過(guò)計(jì)算。強(qiáng)希文強(qiáng)希文等考慮了自由載流子吸收、單光子光致電離吸收和雙

8、光子光致電離吸收等激光吸收機(jī)制,考慮了材料的光學(xué)、熱學(xué)性質(zhì)的溫度關(guān)系及熱輸運(yùn)的非線性關(guān)系,通過(guò)求解溫度和載流子密度的禍合擴(kuò)散方程,給出了材料內(nèi)溫度和載流子密度的瞬態(tài)分布,對(duì)半導(dǎo)體材料激光損傷效應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值求解。在激光與材料損傷機(jī)理研究中,很多情況下未考慮徑向熱傳導(dǎo)的影響.強(qiáng)希文等利用徑向熱傳導(dǎo)方程計(jì)算了薄靶材的徑向溫升分布。沈中華沈中華等考慮了材料的熱物性參數(shù)在計(jì)算過(guò)程中的變化和入射激光的空間分布,采用二維模型,得到Si材料在強(qiáng)激光作用下的軸向和徑向溫升分布,給出了表面層開始熔化的時(shí)間與激光功率密度關(guān)系。還根據(jù)激光加熱和熔融過(guò)程中的能量守恒方程,通過(guò)假設(shè)一種符合物理和數(shù)學(xué)要求的溫度分布形式,得

9、到材料熔融前后的溫度分布、熔融界面推進(jìn)速度和熔融深度變化的解析解,據(jù)此進(jìn)行計(jì)算,得到了幾種典型的半導(dǎo)體材料的動(dòng)態(tài)溫升曲線。研究現(xiàn)狀研究現(xiàn)狀2.2.飛秒激光研究現(xiàn)狀飛秒激光研究現(xiàn)狀 前蘇聯(lián)學(xué)者L.AnisimovL.Anisimov等在1974年就提出了超短脈沖燒蝕金屬的雙溫模型,該模型從一維非穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)方程出發(fā),給出了電子和晶格在脈沖持續(xù)期間溫度變化的微分方程。后來(lái),許多學(xué)者以此模型為基礎(chǔ)開展了大量的研究。例如,1986年GL.EesloyGL.Eesloy通過(guò)測(cè)量皮秒以下激光對(duì)銅作用時(shí)反射率的變化,研究了銅材料中的電子和晶格溫度的非平衡現(xiàn)象,并用雙溫模型給出了很好的解釋。1988年P(guān).Bco

10、rkumP.Bcorkum等在一定條件下對(duì)雙溫模型進(jìn)行了解析求解,推導(dǎo)出一個(gè)脈寬值表達(dá)式,揭示出當(dāng)脈寬小于這個(gè)表達(dá)式值時(shí),能流閩值不滿足正比1/2的規(guī)律.1996年B.N.ChiehkovB.N.Chiehkov等研究了脈沖激光對(duì)不同金屬靶材的燒蝕,揭示了超短脈沖燒蝕的優(yōu)越性;并在不同脈沖時(shí)間內(nèi),對(duì)雙溫方程進(jìn)行約化得到不同的解析模型.1999年FalkovskyFalkovsky和MsihchonkMsihchonk基于波爾茲曼方程和費(fèi)米狄拉克配分函數(shù)提出了熱電子爆炸模式,用以描述金屬材料中的超快形變.2002年J.K.ChneJ.K.Chne等,綜合雙溫模型及上述熱電子爆炸模式,在假定單軸應(yīng)

11、變?nèi)S高壓條件下,提出一系列相互關(guān)聯(lián)的瞬時(shí)熱彈性變形方程。 對(duì)激光與物質(zhì)相互作用的數(shù)值計(jì)算就是從特定的物理模型出發(fā),用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算或模擬,從而揭示激光與物質(zhì)相互作用的某些性質(zhì)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律。激光與物質(zhì)的熱作用研究主要是計(jì)算激光輻照下物質(zhì)溫度的變化,以及溫度變化引起的一些熱效應(yīng)。激光與物質(zhì)相互作用的基礎(chǔ)理論激光與物質(zhì)相互作用的基礎(chǔ)理論物質(zhì)對(duì)激光的反射和吸收物質(zhì)對(duì)激光的反射和吸收 激光束入射到材料表面,在材料表面會(huì)發(fā)生反射、散射、吸收等,要進(jìn)行激光輻照的熱效應(yīng)理論計(jì)算,首先要知道有多少輻射能量被材料吸收對(duì)于透明或半透明的材料,需要測(cè)量材料的反射率和透射率,而對(duì)于不透明材料,只需測(cè)量其反射率就足夠

12、了。 從微觀來(lái)看,激光對(duì)物質(zhì)的作用是高頻電磁波對(duì)物質(zhì)中自由電子或束縛電子的作用,物質(zhì)對(duì)激光的吸收與物質(zhì)結(jié)構(gòu)和電子能帶結(jié)構(gòu)有關(guān)金屬中存在大量的自由電子,在激光作用下這些自由電子受到光頻電磁波的強(qiáng)迫振動(dòng)而產(chǎn)生次波,這些次波形成了強(qiáng)烈的反射波和較弱的透射波,透射部分將被電子通過(guò)韌致輻射過(guò)程而吸收,繼而轉(zhuǎn)化為電子的平均動(dòng)能,再通過(guò)電子與晶格之間的馳豫過(guò)程轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芊墙饘倥c金屬不同,它對(duì)激光的反射比較低,對(duì)應(yīng)的吸收比較高電介質(zhì)對(duì)激光吸收與束縛電子的極化,單光子成多光子吸收,以及多種機(jī)制的非線性光學(xué)效應(yīng)有關(guān)透明電介質(zhì)表面或體內(nèi)的雜質(zhì)和缺陷往往強(qiáng)烈吸收激光,成為破壞的根源半導(dǎo)體對(duì)激光的吸收有多種機(jī)制,以本征

13、吸收最為重要,產(chǎn)生的電子一空穴對(duì)很快通過(guò)無(wú)輻射躍遷復(fù)合,將吸收的光能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿入x子體是特殊條件下存在的電離氣體,蒸氣等離子體對(duì)激光有很強(qiáng)的吸收作用激光與物質(zhì)相互作用的基礎(chǔ)理論激光與物質(zhì)相互作用的基礎(chǔ)理論折射率和吸收系數(shù)折射率和吸收系數(shù) 光波(電磁輻射)在不帶電的各向同性的導(dǎo)電媒質(zhì)中傳播時(shí),服從麥克斯韋方程組由麥克斯韋方程組出發(fā)可得 式中,激光在介質(zhì)中的電場(chǎng)強(qiáng)度為E,0和0是自由空間的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率，r是媒質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù),是媒質(zhì)的電導(dǎo)率。 這說(shuō)明對(duì)于非導(dǎo)電性材料,沒有光吸收,材料為透明狀在電介質(zhì)中,電磁波沒有衰減地傳播;而在導(dǎo)電媒質(zhì)中,如在金屬和半導(dǎo)體中,波的振幅隨著透入的深度而減小,即存

14、在光吸收。激光與物質(zhì)相互作用的基礎(chǔ)理論激光與物質(zhì)相互作用的基礎(chǔ)理論半導(dǎo)體的光吸收半導(dǎo)體的光吸收- -導(dǎo)體導(dǎo)體 半導(dǎo)體半導(dǎo)體 絕緣體的能帶絕緣體的能帶 固體按其導(dǎo)電性分為導(dǎo)體半導(dǎo)體絕緣體的機(jī)理,可以根據(jù)電子填充能帶的情況來(lái)說(shuō)明。固體能夠?qū)щ?是因?yàn)楣腆w中的電子在外電場(chǎng)作用下作定向運(yùn)動(dòng)。對(duì)于滿帶,其中的能級(jí)已為電子所占滿,在外電場(chǎng)作用下,滿帶中的電子并不形成電流,對(duì)導(dǎo)電沒有貢獻(xiàn),通常原子中的內(nèi)層電子都是占據(jù)滿帶的能級(jí),因而內(nèi)層電子對(duì)導(dǎo)電沒有貢獻(xiàn)對(duì)于被電子部分占滿的能帶,在外電場(chǎng)作用下,電子可從外電場(chǎng)中吸收能量躍遷到未被電子占據(jù)的能級(jí)去,形成了電流,起導(dǎo)電作用,常稱這種能帶為導(dǎo)帶。（a）絕緣體 （吧

15、）半導(dǎo)體和 （c）導(dǎo)體的能帶示意圖激光與物質(zhì)相互作用的基礎(chǔ)理論激光與物質(zhì)相互作用的基礎(chǔ)理論半導(dǎo)體的光吸收半導(dǎo)體的光吸收- -半導(dǎo)體的光吸收機(jī)理半導(dǎo)體的光吸收機(jī)理1.本征吸收本征吸收2.直接躍遷和間接躍遷直接躍遷和間接躍遷3.其他吸收過(guò)程其他吸收過(guò)程a.激子吸收激子吸收c.雜質(zhì)吸收雜質(zhì)吸收b.自由載流子吸收自由載流子吸收d.晶格振動(dòng)吸收晶格振動(dòng)吸收激光與物質(zhì)相互作用的基礎(chǔ)理論激光與物質(zhì)相互作用的基礎(chǔ)理論半導(dǎo)體的光吸收半導(dǎo)體的光吸收- -半導(dǎo)體的光吸收機(jī)理半導(dǎo)體的光吸收機(jī)理本征吸收本征吸收 理想半導(dǎo)體在絕對(duì)零度時(shí),價(jià)帶是完全被電子占滿的。價(jià)帶中的電子可能吸收光子而激發(fā)到空的導(dǎo)帶,在價(jià)帶中留下一個(gè)空

16、穴,形成電子一空穴對(duì)。這種由于電子自滿帶到空帶之間的躍遷稱為本征吸收。直接躍遷和間接躍遷直接躍遷和間接躍遷電子的直接躍遷直接躍遷和間接躍遷激光與物質(zhì)相互作用的基礎(chǔ)理論激光與物質(zhì)相互作用的基礎(chǔ)理論半導(dǎo)體的光吸收半導(dǎo)體的光吸收- -其他吸收過(guò)程其他吸收過(guò)程a.激子吸收激子吸收 在低溫時(shí)發(fā)現(xiàn)某些晶體在本征連續(xù)吸收光譜以前,即hvEg時(shí),就己出現(xiàn)一系列吸收線;并且發(fā)現(xiàn),激光與物質(zhì)相互作用的熱效應(yīng)研究對(duì)應(yīng)于這些吸收線并不伴有光電導(dǎo)?？梢娺@種吸收并不引起價(jià)帶電子直接激發(fā)到導(dǎo)帶,而形成所謂的激子吸收。b.自由載流子吸收自由載流子吸收 對(duì)于一般半導(dǎo)體材料,當(dāng)入射光子的頻率不夠高,不足以引起電子從帶到帶的躍遷或

17、形成激子時(shí),仍然存在著吸收,而且其強(qiáng)度隨波長(zhǎng)增大而增加這是自由載流子(即導(dǎo)帶中電子或滿帶中空穴)在同一帶內(nèi)的躍遷所引起的,稱為自由載流子吸收。激光與物質(zhì)相互作用的基礎(chǔ)理論激光與物質(zhì)相互作用的基礎(chǔ)理論半導(dǎo)體的光吸收半導(dǎo)體的光吸收- -其他吸收過(guò)程其他吸收過(guò)程c.雜質(zhì)吸收雜質(zhì)吸收 束縛在雜質(zhì)能級(jí)上的電子或空穴也可以引起光的吸收。若光子激發(fā)雜質(zhì)能級(jí)上的電子躍遷到導(dǎo)帶能級(jí);空穴也同樣可以吸收光子而躍遷到價(jià)帶。這種光吸收稱為雜質(zhì)吸收。d.晶格振動(dòng)吸收晶格振動(dòng)吸收 對(duì)離子晶體或離子性較強(qiáng)的化合物,存在較強(qiáng)的晶格振動(dòng)吸雜質(zhì)吸收中的電子躍遷雜質(zhì)吸收中的電子躍遷 關(guān)于計(jì)算激光加熱下物體的溫度場(chǎng),激光輻射可視為一

18、個(gè)熱加工的熱源,而激光作用材料表面的熱轉(zhuǎn)換主要是通過(guò)三種途徑進(jìn)行,即電子熱傳導(dǎo)、聲子熱傳導(dǎo)和輻射熱傳導(dǎo)。通過(guò)激光能量的吸收和熱擴(kuò)散,引起物體邊界上和內(nèi)部的熱流運(yùn)動(dòng),使得各處的溫度不同程度的上升激光加載條件、物體的形狀、初始和邊界條件以及物體的熱物理性質(zhì)決定了物體溫度場(chǎng)的時(shí)空變化。激光作用固體材料的熱效應(yīng)解析模型介紹激光作用固體材料的熱效應(yīng)解析模型介紹熱傳導(dǎo)方程和基本熱物理參數(shù)熱傳導(dǎo)方程和基本熱物理參數(shù) 一個(gè)三維熱傳導(dǎo)方程可寫為如下通用形式 式中K為熱導(dǎo)率,p為材料密度,c為材料比熱容,T為溫度,t為時(shí)間變量,A（x，y，z，t)為每單位時(shí)間、單位體積傳遞熱給固體材料的加熱速率由于材料的熱物理系數(shù)是溫度的函數(shù),所以方程是非線性的,其解非常復(fù)雜,很難得到解析解。然而事實(shí)上大部分材料的熱物理參數(shù)隨溫度變化并不明顯,故在一定條件下可假定其與溫度無(wú)關(guān),在一定的溫度范圍內(nèi)取其平均值進(jìn)行計(jì)算,這樣方程才可能得到解析解。若激光作用下材料是均勻各向同性的,則方程可簡(jiǎn)化為式中k=K/c聲為材料的熱擴(kuò)散率。由于求解熱傳導(dǎo)方程非常復(fù)雜,