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TEA-CO_2脉冲强激光对Hg_(0.8)Cd_(0.2)Te晶片的破坏研究

蔡虎  
【摘要】:HgCdTe 晶体是应用于红外探测器的重要材料之一,作为各种光电导器件的核心工作部件,目前已经成功应用于航空、航天及军事等领域。强激光辐照HgCdTe 晶体时产生的热应力,物质的蒸发波和激光支持的燃烧波等冲击波都可对晶体产生破坏。由于Hg_(0.8)Cd_(0.2)Te适合于制造响应波段为8~14 μm的红外探测器,所以研究波长为10.6 μm 的强激光对Hg0.8Cd0.2Te 晶体材料的破坏机理,掌握强激光对Hg_(0.8)Cd_(0.2)Te 晶体材料的破坏规律是非常有意义的。 论文系统地研究了Hg_(0.8)Cd_(0.2)Te晶片在TEA-CO2脉冲强激光作用下的破坏机制。首先从理论上推导了Hg_(0.8)Cd_(0.2)Te 晶片材料在TEA-CO_2脉冲强激光辐照作用下的受力情况:从一般热传导方程出发,计算了TEA-CO2强激光辐照Hg_(0.8)Cd_(0.2)Te晶片材料时对其产生的最大热应力的大小;从气体动力学方程出发,计算了TEA-CO_2 强激光辐照Hg_(0.8)Cd_(0.2)Te晶体材料时对其表面产生的“蒸发波”压力;从流体动力学方程出发,计算了TEA-CO2强激光辐照Hg_(0.8)Cd_(0.2)Te晶体材料时对其表面产生的激光支持的吸收波压力。通过分析比较发现:在高能脉冲CO_2 激光作用下,Hg_(0.8)Cd_(0.2)Te晶片在升温熔化、冷却凝固的过程中由于温度差带来的热应力是三种力中最大的。同时,利用ANSYS 大型有限元分析软件模拟了TEA-CO_2 强激光辐照下Hg_(0.8)Cd_(0.2)Te晶体材料的温度升高、热变形和热应力大小,得到了TEA-CO_2强激光对Hg_(0.8)Cd_(0.2)Te 晶体材料破坏的阈值。其次本文从激光脉冲的特性(脉冲能量、脉冲波形、脉冲宽度和焦斑大小等)出发得出TEA-CO_2脉冲强激光对Hg0.8Cd0.2Te 晶片产生熔化破坏时的峰值功率密度阈值为3.11×10~6 W/cm~2和破坏需要的时间,并与实验结果对比,发现两者吻合较好。通过实验研究被辐照后的晶片表面形貌,揭示了晶片被破坏的主要原因:热效应是TEA-CO2强激光辐照Hg_(0.8)Cd_(0.2)Te 晶片材料时使其产生破坏的主要原因,熔化主要是激光辐照下,晶体升温至熔化点造成;裂纹的形成原因较复杂,晶片表面大的裂缝的产生是HgCdTe 晶片表面在熔化前由于热应力所引起的,晶片表面网状龟裂的产生是由于熔融物质在凝固过程中由于厚度的不一致而导致热膨胀的不同所引起。通过EDAX 能谱分析发现:激光热作用使晶体表面的Hg 损失程度与热作用过程的时间和


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