毫秒激光辐照单晶硅的晶体塑性有限元模拟(2)
4 热应力场的计算结果与分析 18
4.1 热应力场的有限元模型与计算参数 18
4.2 不同滑移系剪切应力的分布 20
4.3 塑性应变率在硅材料表面和深度的分布 26
4.4 本章小结 28
5 毫秒激光辐照单晶硅的损伤实验 30
5.1 实验装置 30
5.2 单晶硅材料损伤形貌 30
5.3 单晶硅材料损伤机理分析 31
总结 33
致谢 34
参考文献 35
1 引言
1.1 研究背景与意义
自从1960年梅曼研制出世界第一台红宝石激光器至今的五十多年里，激光技术得到了迅猛的发展，已经渗透到自然科学的各个领域，继而衍生出了许多的新兴学科。伴随着激光技术在各种不同领域的广泛应用，激光凭借其独特的优势和性能已经开始在武器、工业、医疗、科学研究等方面崭露头角。
激光与不同材料之间的相互作用是研究激光应用的重要物理基础。当激光辐照到材料表面时，一部分被材料反射，一部分则透射穿过材料，而大部分则被材料吸收。材料表面吸收大量的能量会造成温度升高、熔融、气化、甚至形成等离子体等现象[1]。具体的过程与激光的参数（波长、脉宽、能量密度、空间分布、重复率等）和材料的物理特性（密度、热容、导热系数、反射率、吸收率等），以及作用环境密切相关。以上现象为激光武器、激光加工与激光医疗奠定了一定的物理基础。
在军事方面，激光作为一种定向能武器，具有转移速度快、抵抗外界电磁干扰、灵活、准确、高效、廉价等优良特性，对于战略防空，打击军事目标具有重要的作用。近年来世界上各个军事强国纷纷开展相关的研究工作，并且不断加大激光器系统的研究力度。随着这些武器的不断研制成功，必将改变现有的战争方式和世界格局。
在工业加工方面，和传统制造技术相比，激光具有许多优势。激光加工是无触式的，因而工件的热损伤小，不易被污染，不存在工具的磨损。光束的发散角小、作用时间短、光斑直径可达微米量级，可以用于电子器件的精密微纳加工。光束容易控制，利用计算机和精密机械相结合，可以实现加工的高度自动化[2]。目前已经形成包括激光打标、切割、打孔、焊接、熔覆、快速成型等多种工艺。激光在军事和工业加工上扮演着越来越重要的角色，因而开展激光对物质的损伤机理与最佳加工参数的研究是非常有必要的。
硅是一种重要的半导体材料，在远红外波段具有较高的透射率。作为重要的红外窗口材料，是制作导弹、卫星以及光学观测等系统中光电探测器和红外滤光片的重要材料。和其他半导体材料相比，硅材料有着不可替代的优势，硅是地球上含量最为丰富的元素之一，制造工艺成熟，提纯简单。然而激光对光电子器件以及红外成像系统的破坏能够导致卫星、雷达、导弹等致盲或失控。而激光对这些器件的破坏归根结底是激光与硅材料的相互作用。
毫秒激光与材料相互作用时，因其单脉冲能量大，脉冲宽度宽，功率密度并不是很高，因而不会产生等离子体现象。此外毫秒激光与材料相互作用过程中能量耦合效率高，对于材料的损伤效果要比短脉冲激光好。因此，研究毫秒激光与硅材料相互作用的基本原理，特别是毫秒激光对硅材料的损伤效果和损伤机理，可以在一定程度上提高光学元件的抗损伤能力。这样的研究对于扩展激光在军事与工业方面的应用具有重要的意义。
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