1 西北工业大学 航空学院，陕西 西安 710072
2 西北核技术研究所 激光与物质相互作用国家重点实验室，陕西 西安 710024
为了研究以激光为热源开展材料高温力学性能测试的可行性，建立理论模型与数值模型，分析了材料在双面均匀激光光斑加热下的表面及内部温升。结果表明，理想情况下采用均匀化激光双面辐照的加热方式可以在试件加热区域内形成较均匀的温度场。为验证上述结论，建立了光斑匀化度达92%的激光双面辐照热力耦合测试试验平台，并基于相关测试方法获取了传统加热方式难以快速加热的CFRP层合板高温拉伸强度。结果表明，试件在激光加热中心测试区域（10 mm×10 mm）内的温度均匀性良好。试件在均匀化激光双面辐照下可被快速加热至923 ℃，测试区域内的最大温度波动为6.8%。文中提出的基于均匀化激光双面辐照的热力耦合测试方法相比传统测试方法具有通用性好、温升率高、测试温度高、测试效率高等一系列的优点。该研究可为进一步研制通用型材料/结构高温升率、高温力学性能试验系统提供关键技术支撑。
双面辐照 均匀激光 高温 拉伸强度 CFRP double-sided irradiation uniform laser high temperature tensile strength CFRP 红外与激光工程
2023, 52(1): 20220329
1 常州信息职业技术学院 智能装备学院, 常州 213000
2 南京理工大学 理学院, 南京 210094
3 西北核技术研究所 激光与物质相互作用国家重点实验室, 西安 710024
为了研究组合脉冲激光与单晶硅材料的相互作用过程, 采用两束脉宽分别为7ns和1ms的脉冲激光复合作用的方式, 进行了单束毫秒脉冲激光和组合脉冲激光辐照硅片的实验研究, 并结合数值计算对比了两种激光工作模式辐照造成的表面损伤形貌, 根据组合脉冲激光延迟时间的不同将损伤形貌分为3类, 对熔融深度和表面损伤半径做了进一步的研究。结果表明, 组合脉冲激光的损伤效应更为严重, 包括解理裂纹、烧蚀和皱褶, 表面损伤半径主要取决于入射毫秒脉冲激光的能量密度, 而熔融深度随延迟时间的增加而减小, 毫秒脉冲激光的预加热以及纳秒脉冲激光造成的表面损伤与后续毫秒脉冲激光的相互作用, 使得组合脉冲激光具有更好的损伤效果。该研究结果可为今后组合脉冲激光加工半导体材料提供参考。
激光技术 组合脉冲激光 硅 损伤形貌 延迟时间 laser technique CPL silicon damage morphology delay time
西北核技术研究所 激光与物质相互作用国家重点实验室, 陕西 西安 710024
开展了单结GaAs太阳电池808 nm、10.6 μm连续激光辐照实验研究, 结果显示, 相同激光耦合强度下两种激光对电池的损伤模式相似, 且随着激光耦合强度逐渐提高, 电池最大输出功率呈现“阶梯”状下降。通过对比辐照过程中温升速率、温度峰值以及高温持续时间对损伤结果的影响, 结合能谱仪和扫描电子显微镜的测量结果以及方差分析结果对损伤机理进行了分析和验证。认为高温导致GaAs分解、电极氧化是单结GaAs太阳电池性能退化的主因。
激光辐照效应 单结GaAs太阳电池 连续激光 热损伤 性能退化 laser irradiation effect single junction GaAs solar cell continuous wave laser thermal damage performance degradation 红外与激光工程
2018, 47(5): 0506001
西北核技术研究所 激光与物质相互作用国家重点实验室, 陕西 西安 710024
通过硅光电二极管激光辐照效应实验获取了辐照前后器件的I-V特性曲线, 利用粒子群优化算法对二极管的等效电路参数进行提取, 考察受损前后等效参数的变化规律。认为光电二极管在激光辐照受损后, 其反向饱和电流会减小, 等效串联电阻会增大, 等效并联电阻会减小。随后, 基于半导体物理理论, 对这些参数变化的内在因素进行了定性分析。认为反向饱和电流减小是由掺杂离子浓度减小造成的, 串联电阻增大是因掺杂离子浓度以及载流子寿命减小共同引起的, 并联电阻减小则是由半导体表面及内部的缺陷引起的。
二极管等效电路 激光辐照效应 粒子群优化算法 equivalent circuit of diode laser irradiation effect particle swarm optimization algorithm 红外与激光工程
2018, 47(1): 0106002
西北核技术研究所 激光与物质相互作用国家重点实验室,陕西 西安 710024
为研究光伏探测器瞬态响应特性在短脉冲激光作用下的变化规律, 以一种室温下零偏压工作的HgCdTe光电二极管为实验对象, 测量了该器件对脉冲宽度约16 ns的不同强度响应波段内激光的响应信号波形。在探测器的对数线性响应区内, 随着入射激光能量密度从约7.2 nJ/cm2增大到75 μJ/cm2, 响应波形的宽度逐渐增大, 半高宽约由55 ns增大到235 ns, 底宽约由170 ns增大到380 ns。脉冲响应波形的展宽意味着器件的瞬态响应特性发生了退化。通过分析强注入条件下光电二极管准中性区光生载流子扩散过程, 以及结电场与结电容变化对过剩载流子输运过程的影响, 对上述光伏探测器瞬态响应特性退化的特征进行了机理解释。
激光辐照效应 光伏探测器 瞬态响应 脉冲信号展宽 laser irradiation effect photovoltaic detector transient response pulse signal widening HgCdTe HgCdTe 红外与激光工程
2018, 47(1): 0106001
西北核技术研究所 激光与物质相互作用国家重点实验室, 陕西 西安 710024
用1 064 nm波长8 ns脉宽激光, 以1-on-1模式辐照在评估板驱动工作下的FT50M型FT-CCD图像传感器进行实验。结果显示, 随着脉冲能量密度的逐渐提高, 在FT-CCD输出图像中依次出现辐照点单侧黑线、白点、两侧白线等典型毁伤现象。这区别于IT-CCD在脉冲激光辐照下依次出现白点、白线的毁伤过程。通过对比FT-CCD与IT-CCD的结构异同, 结合已知的IT-CCD的毁伤机制, 分析认为单侧黑线毁伤现象的首先出现表明了FT-CCD多晶硅电极先于硅衬底受损的激光毁伤模式。文中丰富了对CCD图像传感器激光毁伤效应的认识, 为深入探索CCD激光毁伤机制提供了新的线索。
脉冲激光 毁伤效应 单侧黑线 FT-CCD FT-CCD pulse laser damage effect unilateral black line 红外与激光工程
2017, 46(10): 1003001
1 四川大学 物理科学与技术学院, 四川 成都 610064
2 西北核技术研究所 激光与物质相互作用国家重点实验室, 陕西 西安 710024
为了研究激光对CMOS图像传感器的干扰效果, 利用632.8 nm连续激光开展了对CMOS相机的饱和干扰实验。随着入射激光功率的增加, 分别观察到未饱和、饱和、全屏饱和等现象, 并发现, 在全屏饱和前, 功率密度达到1.4 W/cm2后, 光斑强区中心区域出现了像素翻转效应。进一步加大光敏面激光功率密度到95.1 W/cm2, 激光作用停止后相机仍能正常成像, 证明像素翻转效应并非源自硬损伤。基于CMOS相机芯片的结构和数据采集处理过程进行了机理分析, 认为强光辐照产生的过量光生载流子使得光电二极管电容上原来充满的电荷被快速释放, 使得相关双采样中的两次采样所得信号Vreset与Vsignal逐渐接近, 是输出像素翻转的一种可能原因。
激光 图像传感器 辐照效应 像素翻转 laser image sensor irradiation effect CMOS CMOS pixel upset 红外与激光工程
2016, 45(6): 0606004
西北核技术研究所 激光与物质相互作用国家重点实验室, 西安 710024
在用532 nm连续激光辐照TCD-1200D型线阵CCD的过程中，发现了光斑的全饱和单侧拖尾现象。为了分析这种现象的特性，实验测量了拖尾长度随激光功率、CCD积分时间和CCD驱动频率的关系，发现拖尾长度随着激光功率和积分时间的增加而增加，但在一定范围内与CCD驱动频率无关。通过理论计算和实验数据分析拟合发现，拖尾长度和激光功率密度和积分时间的乘积有关，并根据激光辐照下CCD器件光生电荷量的产生过程，推导出了拖尾长度与CCD势阱光生电荷量的关系，得到了拖尾长度随光生电荷量的变化曲线，为全饱和单侧拖尾现象机理分析提供了数据支持。
全饱和单侧拖尾 拖尾长度 激光功率密度 积分时间 光生电荷量 entirely saturated unilateral smear smear length laser power density integral time electric charge collecting quantity 强激光与粒子束
2015, 27(4): 041008
西北核技术研究所 激光与物质相互作用国家重点实验室, 陕西 西安 710024
为了准确测量中红外高能激光系统的远场功率密度时空分布等参数, 分析了室温光导型碲镉汞(HgCdTe)探测器在环境温度变化和光热效应情况下存在的探测器光敏元温升等热问题, 并分别给出了应对措施。从HgCdTe的电学参数经验公式和光导型探测器工作原理出发, 分析了暗电阻和响应率与光敏元工作温度的相关性。建立了计入接触热阻和自然对流效应的光导型HgCdTe探测器热分析模型, 并对模型进行了实验验证。分析了光敏元与环境温度间的热平衡时间特性, 提出了连续激光测量中的环境温度校正模型。讨论了激光辐照下探测器的动态响应特性, 给出了激光加热探测器光敏元导致的附加光热信号的修正方法, 该方法在典型应用条件下可将测量系统的单通道测量不确定度降低2%以上。目前, 所述方法均已成功应用于多套远场激光光斑定量测量系统。
激光参数测量 激光能量测量 中红外激光 HgCdTe光导探测器 热信号修正 laser parameter measurement laser energy measurement mid-infrared laser HgCdTe photoconductor detector thermal signal correction
西北核技术研究所激光与物质相互作用国家重点实验室, 陕西 西安 710024
烧蚀热可用于材料抗激光加固性能表征和材料的激光加工效率描述。实验研究了亚音速表面切向空气气流速度和激光功率密度对玻璃纤维/树脂复合材料烧蚀热的影响规律，结果表明，相同气流速度下，烧蚀热在100~500 W/cm2 激光功率密度范围内先迅速降低然后趋于稳定，转折点约位于200 W/cm2；相同激光作用下，功率密度较低时，烧蚀热随着气流速度提升而变大，功率密度高于一定值(约200 W/cm2)后，烧蚀热随气流速度提升而降低。分析认为材料内部扩散、热解气体燃烧、残碳氧化放热、辐射能量损失、气流剥蚀等多个因素的竞争是激光能量利用效率变化的原因。
激光光学 激光辐照效应 烧蚀热 玻璃纤维复合材料 切向气流速度 激光功率密度
