长脉冲激光与硅相互作用气化过程的数值模拟

为了研究毫秒量级脉宽激光与半导体材料的相互作用机理,建立了一维有限元模型,对长脉冲激光与硅相互作用的气化现象进行了数值模拟。在计算中,利用热焓法处理了固-液相变过程,并根据热流方程考虑了气化产生的能量损失。在入射激光功率密度相同的条件下,定量地描绘了不同脉宽激光辐照材料的温度分布,前表面的温度历史,以及气化速度和气化深度,并估算出气化深度为0.5μm时,物质蒸汽使激光产生光学自聚焦现象的激光功率阈值仅为0.2 W,此阈值远小于长脉冲激光的功率。因此,在长脉冲激光与硅材料相互作用过程中,气化的物质蒸汽会使后续激光产生光学自聚焦现象。得到的结果可为长脉冲激光的应用提供理论依据。

长脉冲高能激光与半导体材料的热作用分析

在入射激光光斑半径远远大于材料热扩散长度的条件下,应用固体热传导理论,使用有限元方法建立了相关模型。对长脉冲(脉宽1 ms)强激光与半导体材料Si和Ge的热作用进行了分析,定量地描绘出了材料的温度分布,得到了不同能量激光辐照下靶材前、后表面中心点温度历史,以及不同能量激光辐照下的靶材后表面的温度分布情况。所得结果为高能量激光的应用提供了依据。

长脉冲激光对金属材料热破坏的分析

在入射激光光斑半径远远大于材料热扩散长度的条件下,应用固体热传导理论,建立并求解了描述表面吸收材料温升和熔融过程的一维热传导方程,得到了材料表面熔化前后温度场分布随脉冲宽度变化情况及熔融深度随脉冲宽度变化情况的解析表达式。计算了金属材料银、铝和铜的熔融破坏阈值和汽化破坏阈值,并与利用MSC.Marc有限元分析软件所得数据结果做了对比,相对误差小于4%。所得结果为高功率激光的应用提供了理论依据。