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高重频CO_2激光损伤HgCdTe晶体的机理研究

汤伟  
【摘要】:激光辐照效应是目前国内外激光技术领域研究热点之一,HgCdTe晶体作为一种性能优异的红外光学材料,被广泛应用于红外探测器的制备。由于HgCdTe探测器在红外波段具有高探测率、响应波段可调以及工作温度范围较宽等优点,目前在国防军事、工业等领域得到了广泛的应用。高重频CO2激光长时间辐照下,HgCdTe材料或器件表面会发生多脉冲损伤。因此,研究HgCdTe材料或器件的多脉冲损伤机理,掌握高重频CO2激光作用下HgCdTe晶体的损伤规律是非常有意义的。 本文系统地研究了脉冲调Q CO2激光辐照下HgCdTe晶体的多脉冲破坏机理,首先介绍了HgCdTe材料的结构、热学、光学和缺陷等基本特性,了解了HgCdTe材料的光学和热学参数;然后通过理论与实验相结合的方法,得到了高重频CO2激光作用下HgCdTe晶体的温升特性和损伤特性,给出了HgCdTe晶体温升、熔化阈值、熔化深度与激光重频、辐照时间的一般性规律;最后通过对损伤形貌和组分变化的测量以及应力的计算,得到了多脉冲CO2激光辐照下HgCdTe晶体的损伤机理。 在研究过程中,我们取得了一些研究成果和创新性的结果结论。概括起来,本文的主要研究结果和结论如下: 1.建立了强激光辐照HgCdTe晶体的一维热传导解析模型,从理论上计算得到了脉冲调Q CO2激光辐照下Hg0.826Cd0.174Te晶体的单脉冲熔化阈值、熔化时间和烧蚀深度;理论结果表明:对于ns激光而言,Hg0.826Cd0.174Te晶体的单脉冲熔化阈值约为31.8J/cm2。 2.从理论和实验上研究了高重频CO2激光辐照Hg0.826Cd0.174Te晶体热损伤特性,分析了Hg0.826Cd0.174Te晶体温升特性和熔化阈值与激光重频和辐照时间的关系,研究结果表明:高重频CO2激光辐照下,Hg0.826Cd0.174Te晶体的温升过程和熔化阈值与激光重频的大小无关,晶体的熔化阈值应由平均功率密度来表征,且受辐照时间的影响,随着辐照时间的增加,晶体熔化阈值逐渐减小,然而当熔化阈值减小到某一值时,受热平衡的影响此时晶体的熔化阈值不再改变,其大小为0.95kW/cm2,理论模型与实验结果基本一致,进而证明了实验结论的正确性。 3.分析了单脉冲和多脉冲下Hg0.826Cd0.174Te晶体表面的力学效应,理论结果表明:对于单脉冲激光,熔化前晶体表面主要受热应力和蒸发波压力作用,而熔化后晶体表面主要受蒸发波压力作用;而多脉冲下,由于激光峰值功率低,晶体表面的应力主要受激光热应力影响。通过对晶体损伤形貌分析可知:高重频CO2激光辐照下HgCdTe晶体的损伤应为热熔损伤,扫描电镜下晶体表面熔化现象明显且未发现有裂纹产生,应力分析结果支持实验结果。 4.材料组分测量结果显示:损伤前后晶体组分变化明显,辐照区内出现了大量的O元素,随着辐照功率的增加,Hg元素的含量迅速减小,而Cd、Te和O元素的含量逐渐增加;分析认为Hg损失的主要原因是HgCdTe晶体中化学键Hg-Te键在激光热作用的影响下不稳定,易发生断裂,从而导致Hg蒸发,含量减少;而出现O元素主要是由于高温环境下晶体与空气中O2接触发生的氧化反应所致。


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