为研究大气结构常数、湍流特征尺度、跟踪距离以及接收孔径对激光跟踪系统角精度的影响，采用同时包含湍流内尺度和外尺度影响的综合湍流谱对大气湍流中激光到达角起伏引起的激光跟踪系统角误差进行了数值模拟。结果表明:激光跟踪系统测角精度与系统接收孔径大小有关，并随大气结构常数和跟踪距离的增大而降低;湍流内尺度和外尺度仅在有限范围内影响跟踪系统角精度。分析结果可为系统设计提供参考。
激光传输 大气湍流 内尺度 外尺度 到达角起伏 角误差 laser propagation atmospheric turbulence inner-scale outer-scale angle-of-arrival fluctuation angle error
为了研究超短脉冲激光辐照下半导体材料的热力效应，在热电子崩力和自洽场两种模型的基础上，得到了完全耦合的非线性热弹方程组。在单轴应力条件下，采用有限差分法，讨论了不同脉宽的超短脉冲激光辐照下，硅膜内载流子温度、晶格温度、热应力以及热电子崩力随时间及膜深度的变化情况。结果表明,脉冲宽度对硅膜的热力损伤过程起重要作用。能量密度一定时，载流子和晶格达到热平衡所需时间随脉冲宽度的增加而增加；热电子崩力呈现明显的双峰结构，同时脉冲宽度对第二个峰值的影响较大；脉宽越窄，热应力的峰值越大，越容易对材料造成损伤，为激光加工和光电器件的损伤提供了理论参考。
超快热弹模型 有限差分法 热电子崩力 热应力 ultrafast thermoelasticity model finite difference method hot-electron blast force thermal stress
1 四川大学电子信息学院， 四川 成都 610064
2 昆明冶金高等专科学校自动化与电力学院， 云南 昆明 650091
利用双曲-双温两步热传导和热电子崩力模型，考虑到晶格温度与应变速率的耦合效应，得到了用于描述飞秒激光作用下金属薄膜热力效应的超快热弹性模型。以飞秒脉冲激光辐照金属铜薄膜为例，运用具有人工粘性和自适应步长的有限差分算法，对不同能量密度和脉冲宽度条件下薄膜体内温度场和应力场的变化规律进行了数值模拟，对比分析了电子晶格耦合系数对超快加热过程的影响。结果表明，飞秒脉冲激光辐照早期为明显的非平衡加热过程，电子温度迅速升高，而晶格温度的升高却相对较慢；激光辐照早期的热力耦合效应导致薄膜前表面附近的热应力表现为压应力，随着时间的推移，热应力由压应力转变为张应力，为激光加工和激光对抗提供了理论参考。
飞秒脉冲激光 金属薄膜 热应力 非平衡加热 femtosecond pulsed laser metal thin films thermal stress non-thermal equilibrium
基于双曲双温两步热传导模型,利用具有人工粘性和自适应步长的有限差分算法,对超短脉冲激光辐照金膜时的温度场进行了一维数值模拟计算。讨论了不同能量密度和脉冲宽度条件下金膜表面温度场的分布情况; 分析了电子-晶格耦合系数对薄膜体内温度场的变化规律及电子-晶格耦合至热平衡所需时间的影响。结果表明, 激光脉冲的能量密度和脉冲宽度对电子温度的峰值有重大影响; 电子-晶格的耦合系数决定了二者的温升速率和耦合时间; 电子温度及电子温度的梯度在接近表面区域迅速达到最大值,与之相应的热电子崩力是造成金属薄膜早期力学损伤的主要原因。
激光技术 超短脉冲激光 金属薄膜 热效应分析 双曲双温模型
考虑到载流子和晶格的热容、热导率、弛豫时间等热力学参数随温度非线性变化因素的影响,利用有限差分算法,数值求解了半导体材料自相关热传导模型,讨论了2 μm厚硅膜在波长和脉宽分别为775 nm和500 fs的脉冲激光辐照下的升温规律.数值结果表明:硅膜前表面载流子温度在激光辐照过程的0.69 ps时刻达到最大值,在4.8 ps时刻以后硅膜基本趋于总体热平衡;载流子热容的快速变化以及单光子吸收和由载流子浓度变化而引起的载流子能流变化是导致载流子温度变化的主要原因;超短脉冲激光辐照时,激光作用时间短,各扩散项及传导项不起主要作用,因此硅膜内各主要计算参数与硅膜的厚度及基体材料类型等的关系不大.
超短脉冲激光 硅膜 激光退火 自相关模型 有限差分法
基于Boltzmann方程,采用了Chen J K等人建立的自相关模型,考虑了Si薄膜的热容、热导率、弛豫时间等热力学参量随温度非线性变化的影响.采用有限差分法,数值求解了脉宽为500 fs的激光脉冲辐照2 μm厚硅膜的自相关模型分析了膜表面载流子浓度、载流子温度、晶格温度等随入射激光功率和脉宽等的变化规律.结果表明:在脉冲辐照初期(t<0.68 ps),载流子和晶格之间存在着明显的非热平衡性,之后通过相互之间的弛豫碰撞,逐渐达到热平衡,载流子热容是引起载流子温度在早期迅速上升的原因;载流子温度速率方程中单光子吸收、载流子-晶格能量交换和载流子能流变化率对载流子温升影响较大,而多光子吸收、双极能流和带隙能量变化率对载流子温升的影响较小,可以忽略;较高脉冲激光能量(φ＞0.02 J·cm-2)辐照Si膜,会引起载流子密度方程中的俄歇复合项增大,从而使载流子密度下降率增大,导致载流子温度出现双峰.
超短脉冲激光 硅膜 自相关模型 有限差分法 单光子吸收 双光子吸收 俄歇复合
建立了高斯激光辐照光伏(PV)型光电探测器温升的三维物理模型，采用有限元分析方法计算了探测器的三维温度场分布，探讨了辐照时间、胶层厚度和胶层热导率对熔融损伤阈值及热恢复时间的影响。研究结果表明：InSb PV型探测器受到强激光连续辐照时会发生熔融损伤破坏，且最早发生于迎光面的光斑中心；激光的功率越高，造成损伤破坏所需要的时间越短；热导率越大，越薄的胶层对应的损伤阈值越大，但胶层厚度和热导率对熔融损伤阈值的影响在大功率激光辐照时才较明显。为了提高PV型探测器抗激光辐照能力，应选用热导率大且尽可能薄的胶层。采用该模型计算得到10W功率激光辐照下的熔融时间为3．26 s，与实验得到的3 s基本吻合。
PV型光电探测器 热效应 熔融损伤阈值 有限元分析 热恢复时间 热传导方程 photovoltaic detector thermal effect melting damage threshold finite element analysis heat recovery time heat conduction equation
1 四川大学,电子信息学院,成都,610064
2 西南技术物理研究所,成都,610041
采用数值求解被动调Q速率方程,并讨论了基于热键合技术被动调Q激光器的优化方法.通过数值仿真讨论分析了谐振腔的损耗、饱和吸收体的初始透过率、输出镜的反射率和泵浦功率等参数对激光输出的影响.结果表明:输出镜存在最佳透过率,使得输出功率最高和脉冲能量最大;减小饱和吸收体的初始透过率能有效提高脉冲能量,并压缩脉宽,但是会增加阈值泵浦功率;泵浦功率与脉冲重复率和输出功率近似成线性增加,增大泵浦功率可以压缩脉宽.并通过实验验证了理论分析的正确性.
热键合 LD泵浦 速率方程 被动调Q 可饱和吸收体
在主动调Q固体激光器上转换效应(ETU)理论的基础上,给出了包含上转换效应项的被动调Q固体激光系统的耦合速率方程组。采用变步长龙格-库塔数值方法,针对Nd:YAG激光晶体和Cr4+:YAG可饱和吸收体,对上转换效应对输出脉冲参数的影响进行了数值分析。在低抽运功率条件下,上转换效应对输出脉冲的能量和峰值功率影响较大；在高抽运功率条件下,上转换效应对平均输出功率影响较大。在抽运功率逐渐增加的过程中,上转换效应对输出脉冲能量和峰值功率的影响逐渐减弱,对输出激光的脉冲宽度(FWHM)和重复频率的影响则可以被忽略。数值计算结果与实验所得结果基本一致。
激光器 被动调Q 上转换 数值计算 速率方程
对双温模型的重要热学参量电子热容、电子弛豫时间、电子热导率进行量子化处理,使双温模型能适用于自由电子温度比较高的情况.利用前向差分算法,数值求解了电子-晶格双温双曲两步热传导模型,所得的结果更接近实验值.经过分析得出: 1)薄膜前表面自由电子温度达到最大值的时间约为0.27 ps,得到的损伤阈值与实验值符合较好.2)电子热容对电子温升规律影响非常大.电子热导率对自由电子温升规律也有较大的影响.3)在趋肤层内自由电子温升非常快,不同厚度自由电子温度达到最大值所需的时间延迟不明显.趋肤层以下自由电子温度升高较慢,不同厚度自由电子达到最大值所需的时间延迟明显.
超短脉冲激光 金属薄膜 非傅里叶导热 人工粘性 微加工
