高功率连续激光对半导体和金属材料的温升、应力及熔化效应研究

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自第一台红宝石激光器诞生以来,激光技术飞速发展。与普通光源相比较,激光具有一系列独特的优点,激光作为一种方向性和单色性好的高能量强光光束,它一出现,就引起了人们的普遍重视,并很快在生产和科学技术中得到了广泛的应用。现如今,激光技术已成为衡量一个国家现代化程度的重要指标之一。其中,激光和材料的相互作用效应研究是激光技术应用的一个重要方面,激光加工,激光武器,激光医疗等领域均以此为基础。因此,对这一领域的研究具有特别重要的实际意义。  本文详细阐述了材料吸收、反射及转化激光能量的宏观理论和微观机理。根据Fourier热传导理论和热弹性理论,分析了激光对半导体材料和金属材料的热效应、应力效应以及熔化效应。  首先,建立了连续激光辐照二维圆板型半导体材料的轴对称数学模型,从热传导方程出发,采用Green函数法推导了温度场分布的解析表达式。其次,由计算的材料内部温度分布,代入热弹性基本方程组,得到了材料内部热应力场分布,分析了材料内温度场和应力场随激光辐照时间和激光功率密度的变化关系。最后,根据前述温度场和应力场分布,我们讨论了激光辐照半导体材料的热-力损伤效应,并考虑了材料非线性效应对模拟结果的影响。  研究了激光对金属材料的熔化效应,建立了一维半无限大模型,基于热传导理论和温度分布形式,根据金属材料对激光吸收的特点,求得了固相区和液相区的温度分布,分析了不同金属表面到达熔化和汽化温度的时间。  本文的研究结果可为进一步研究激光与材料的相互作用中的温升、应力、熔融、汽化、等离子体效应等的分析和预测提供理论指导。增进激光与材料相互作用过程中热学效应以及力学效应的认识,亦有助于激光在激光加工、激光医疗,军事等领域的进一步应用。
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