毫秒激光致砷化镓材料损伤研究

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近些年来,砷化镓材料在航天科技以及国防军事领域有着越来越多的应用。以其为原料所制造的太阳能电池在转化效率方面有着其他材料无法比拟的优势。而激光对材料的损伤一直以来都是科研的热点问题。目前,关于毫秒激光致砷化镓材料损伤方面的研究并不是很多,相关的损伤机理仍然有待于探索。为了探究1064nm毫秒激光损伤砷化镓材料的机理,本文通过实验以及建模的方法,对材料受辐照过程中热及热应力在损伤中的作用进行了分析。基于三维热传导方程建立了 1064nm毫秒激光辐照砷化镓材料时材料的温度场模型。模型结果显示,对于1064nm,1ms的激光,砷化镓材料的损伤阈值为61.5J/cm2。通过模型还得到了材料在不同能量密度激光辐照时,熔融,重凝固等相变过程的信息,以及不同能量密度时材料的熔融阈值,熔融半径,熔融深度。同时搭建实验平台,采用红外测温仪对受激光辐照时材料光斑中心点的温度进行实时的测量。实验所得到的温升曲线和模型所得到的结果相吻合,验证了模型的准确性。基于温度场模型,再考虑砷化镓的晶体结构,建立了毫秒激光辐照砷化镓材料的热应力场模型,并计算了砷化镓材料12个滑移系的分切应力在材料表面及体内的分布。模型结果显示,材料受激光辐照后产生裂纹是由于砷化镓晶体内滑移系分切应力超过临界分切应力而导致的滑移产生的。材料的滑移将在热熔损伤之前出现,其将最先在材料受辐照面光斑中心内部的区域产生。滑移的发生将为材料之后进一步的脆性断裂提供起始点。计算结果显示,材料受激光辐照后所出现的裂纹最有可能出现在光斑中心及边界附近,这与我们在实验中所得到的结果相吻合。本文的研究成果对于进一步的研究毫秒激光作用物质的机理提供参考。
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