飞秒脉冲激光辐照典型电子器件的径迹演化规律
发布时间：2022-02-21 07:45
利用飞秒脉冲激光模拟空间高能粒子的辐照效应在高能粒子对航天器的毁伤效应研究中占据越来越重要的地位。航天器在轨运行时,空间高能粒子首先作用于电子器件封装,进而影响电子器件的核心区域使其出现异常甚至完全失效。因此,研究激光辐照电子器件封装产生的热、力、电荷及烧蚀径迹演化特征对于明确高能粒子对航天器电子器件的辐照效应物理本质具有重要意义。本文以典型电子器件钝化层侧封装和掺硼单晶硅作为研究对象,通过构建飞秒脉冲激光辐照靶板的温度场采集系统、光压测量和靶板表面应变测量系统、诱导电荷采集系统,开展了不同激光辐照条件下电子器件钝化层侧封装和单晶硅的热、力、诱导电荷和烧蚀径迹的演化特征研究,取得的主要研究成果如下:（1）通过测量得到了不同激光辐照条件下典型电子器件钝化层侧封装和单晶硅在靶板辐照面及辐照方向截面的温度演化特征,明确了飞秒激光辐照下的热演化规律及与激光烧蚀作用之间的关系。实验结果表明由于激光烧蚀破坏封装结构发生能量转化,激光辐照封产生了振荡式的温升,并且封装表面温度的变化与烧蚀径迹演化特征相关。（2）得到了激光光压的强度以及激光作用下电子器件钝化层侧封装、单晶硅表面的应力演化过程;通过对激...
【文章来源】：沈阳理工大学辽宁省
【文章页数】：109 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
实验的测试系统示意图
中心波长527nm，脉冲重复频率可由0.1-10KHz间调节。输入泵浦光由分光镜（3:7）分为两束，其中一束用于再生放大的钛宝石晶体，另一束则进入多通放大的钛宝石晶体。经过CPA使种子脉冲经过展宽、放大和压缩等过程使激光脉冲在不改变脉宽的情况下将脉冲能量放大。展宽器将种子光源的脉冲宽度处理为纳秒级，经展宽器处理的激光脉冲通过再生放大腔的高增益介质吸收光能并放大，然后再经过多通放大器进行多次放大。经过上述过程的激光脉冲进入脉冲压缩器将其脉宽压缩至原脉宽，因此激光器可输出超短脉宽但能量较大的飞秒脉冲激光。图2.2为飞秒脉冲激光器的工作原理。图2.2飞秒脉冲激光器的工作原理Fig.2.2Theprincipleoffemtosecondlaser啁啾脉冲放大（CPA）是一种将超短激光脉冲放大到皮瓦量级的技术，激光脉冲在放大前的时间和光谱都被拉长。CPA是当前世界上大功率激光器共同应用的前沿技术。在CPA中，在将超短激光脉冲引入增益介质之前，用一对光栅使激光脉冲的低频分量比高频分量的传输路径短。在经过光栅对后，激光脉冲变为正啁啾，即高频分量滞后于低频分量，且脉宽比源脉冲长。由于被展宽的脉冲强度与每平方厘米千兆瓦的强度极限相比足够低，可以被安全的引入到增益介质中并放大106倍以上。最后，放大的激光脉冲通过反向拉伸过程被重新压缩会原始脉宽。2.3.2温度场测量系统实验中温度场的测量系统为美国FLIR公司生产的SC7700BB红外热像仪，其测量时设置的扫描频率为115Hz，温度的测量范围为5-2500℃。实验中激光器输出的激光波长为783nm的近红外光符合该红外热像仪测量范围。实验使用的红外镜头焦距为30mm。红外热成像仪是利用红外测温原理测量物体表面温度的仪器，通过测量物体自身辐射的红外辐射能量可以准确地测量物体表面的温度，其测量原
沈阳理工大学硕士学位论文-12-的热运动，一切高于绝对零度（-273.15℃）的物体在不断地向周围辐射电磁波，其中也包括辐射位于红外波段的电磁波，而物体的红外辐射能量大小及其按波长的分布与物体的表面温度是相对应的[42,43]，红外热成像仪测量温度就是通过采集这些红外波段的电磁波，通过软件处理得到可见的热图像。以下为本文进行温度场测量实验时用到的靶板布局。（1）辐照面温度场测量靶板布局图2.3为红外热成像仪测量靶板辐照面温度场时的靶板布局。图2.3辐照面温度场测量的靶板的布局Fig.2.3Layoutoftargetplateforfronttemperaturefieldmeasurement温度场测量实验中，激光输出光路沿靶板的表面法线方向辐照靶板的中心，由SC7700B型红外热像仪在靶板的激光辐照面一侧进行拍摄，红外热成像仪镜头与激光作用方向和靶板表面均呈45°，采集靶板的辐照面温度场，由ResearchIR软件处理并提取红外热像仪采集的靶板表面温度场分布数据。（2）截面温度场靶板布局图2.4为红外热成像仪测量靶板截面温度场时的靶板布局。图2.4截面温度场测量的靶板的布局Fig.2.4Layoutoftargetplateforcross-sectiontemperaturefieldmeasurement
【参考文献】：
期刊论文
[1]低温下硅橡胶直流沿面闪络特性研究[J]. 王宏旭,李卫国,张静媛,颜廷利,邢照亮,吉雅坤,张卓. 绝缘材料. 2019(03)
[2]组合激光辐照单晶硅的热作用数值分析[J]. 张明鑫,聂劲松,孙可,韩敏. 红外与激光工程. 2018(11)
[3]基于电荷积分采样技术的低信噪比激光功率测量技术研究[J]. 刘洋,郝东阳,吕勇. 激光杂志. 2018(10)
[4]脉冲激光模拟空间载荷单粒子效应研究进展[J]. 韩建伟,上官士鹏,马英起,朱翔,陈睿,李赛. 深空探测学报. 2017(06)
[5]不同晶面单晶硅在飞秒激光作用下的行为特性[J]. 张欣,黄婷,肖荣诗. 中国激光. 2017(01)
[6]锗硅异质结晶体管单粒子效应激光微束模拟[J]. 张晋新,郭红霞,文林,郭旗,崔江维,范雪,肖尧,席善斌,王信,邓伟. 强激光与粒子束. 2013(09)
[7]激光作用铝靶爆轰波流场观测与理论分析[J]. 王飞,陈朗,伍俊英,孙崔源. 强激光与粒子束. 2013(04)
[8]飞秒激光对两种不同的单晶硅的辐照损伤研究[J]. 马鹏飞,刘中山,常方高,宋桂林,王克栋. 人工晶体学报. 2013(01)
[9]脉冲激光背照射单粒子效应实验研究[J]. 王德坤,曹洲,刘海南,杨献. 原子能科学技术. 2011(07)
[10]新型航天器抗辐射加固技术的研究重点[J]. 蔡震波. 航天器环境工程. 2010(02)
博士论文
[1]激光烧蚀固体材料引起力学效应的数值模拟研究[D]. 袁红.中国工程物理研究院 2011
[2]聚合物电介质表面电荷动态特性研究[D]. 高宇.天津大学 2009
硕士论文
[1]铁电场效应晶体管的电离辐射总剂量效应数值模拟研究[D]. 熊维.湘潭大学 2017
[2]组合脉冲激光致单晶硅热力作用的数值计算[D]. 钟发成.南京理工大学 2017
[3]短脉冲激光对半导体Si辐照效应的计算研究[D]. 孙国荣.哈尔滨工业大学 2009
[4]飞秒激光与固体材料相互作用机理与应用研究[D]. 门海宁.中国科学院研究生院（西安光学精密机械研究所） 2006
本文编号：3636812
【文章来源】：沈阳理工大学辽宁省
【文章页数】：109 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
实验的测试系统示意图
中心波长527nm，脉冲重复频率可由0.1-10KHz间调节。输入泵浦光由分光镜（3:7）分为两束，其中一束用于再生放大的钛宝石晶体，另一束则进入多通放大的钛宝石晶体。经过CPA使种子脉冲经过展宽、放大和压缩等过程使激光脉冲在不改变脉宽的情况下将脉冲能量放大。展宽器将种子光源的脉冲宽度处理为纳秒级，经展宽器处理的激光脉冲通过再生放大腔的高增益介质吸收光能并放大，然后再经过多通放大器进行多次放大。经过上述过程的激光脉冲进入脉冲压缩器将其脉宽压缩至原脉宽，因此激光器可输出超短脉宽但能量较大的飞秒脉冲激光。图2.2为飞秒脉冲激光器的工作原理。图2.2飞秒脉冲激光器的工作原理Fig.2.2Theprincipleoffemtosecondlaser啁啾脉冲放大（CPA）是一种将超短激光脉冲放大到皮瓦量级的技术，激光脉冲在放大前的时间和光谱都被拉长。CPA是当前世界上大功率激光器共同应用的前沿技术。在CPA中，在将超短激光脉冲引入增益介质之前，用一对光栅使激光脉冲的低频分量比高频分量的传输路径短。在经过光栅对后，激光脉冲变为正啁啾，即高频分量滞后于低频分量，且脉宽比源脉冲长。由于被展宽的脉冲强度与每平方厘米千兆瓦的强度极限相比足够低，可以被安全的引入到增益介质中并放大106倍以上。最后，放大的激光脉冲通过反向拉伸过程被重新压缩会原始脉宽。2.3.2温度场测量系统实验中温度场的测量系统为美国FLIR公司生产的SC7700BB红外热像仪，其测量时设置的扫描频率为115Hz，温度的测量范围为5-2500℃。实验中激光器输出的激光波长为783nm的近红外光符合该红外热像仪测量范围。实验使用的红外镜头焦距为30mm。红外热成像仪是利用红外测温原理测量物体表面温度的仪器，通过测量物体自身辐射的红外辐射能量可以准确地测量物体表面的温度，其测量原
沈阳理工大学硕士学位论文-12-的热运动，一切高于绝对零度（-273.15℃）的物体在不断地向周围辐射电磁波，其中也包括辐射位于红外波段的电磁波，而物体的红外辐射能量大小及其按波长的分布与物体的表面温度是相对应的[42,43]，红外热成像仪测量温度就是通过采集这些红外波段的电磁波，通过软件处理得到可见的热图像。以下为本文进行温度场测量实验时用到的靶板布局。（1）辐照面温度场测量靶板布局图2.3为红外热成像仪测量靶板辐照面温度场时的靶板布局。图2.3辐照面温度场测量的靶板的布局Fig.2.3Layoutoftargetplateforfronttemperaturefieldmeasurement温度场测量实验中，激光输出光路沿靶板的表面法线方向辐照靶板的中心，由SC7700B型红外热像仪在靶板的激光辐照面一侧进行拍摄，红外热成像仪镜头与激光作用方向和靶板表面均呈45°，采集靶板的辐照面温度场，由ResearchIR软件处理并提取红外热像仪采集的靶板表面温度场分布数据。（2）截面温度场靶板布局图2.4为红外热成像仪测量靶板截面温度场时的靶板布局。图2.4截面温度场测量的靶板的布局Fig.2.4Layoutoftargetplateforcross-sectiontemperaturefieldmeasurement
【参考文献】：
期刊论文
[1]低温下硅橡胶直流沿面闪络特性研究[J]. 王宏旭,李卫国,张静媛,颜廷利,邢照亮,吉雅坤,张卓. 绝缘材料. 2019(03)
[2]组合激光辐照单晶硅的热作用数值分析[J]. 张明鑫,聂劲松,孙可,韩敏. 红外与激光工程. 2018(11)
[3]基于电荷积分采样技术的低信噪比激光功率测量技术研究[J]. 刘洋,郝东阳,吕勇. 激光杂志. 2018(10)
[4]脉冲激光模拟空间载荷单粒子效应研究进展[J]. 韩建伟,上官士鹏,马英起,朱翔,陈睿,李赛. 深空探测学报. 2017(06)
[5]不同晶面单晶硅在飞秒激光作用下的行为特性[J]. 张欣,黄婷,肖荣诗. 中国激光. 2017(01)
[6]锗硅异质结晶体管单粒子效应激光微束模拟[J]. 张晋新,郭红霞,文林,郭旗,崔江维,范雪,肖尧,席善斌,王信,邓伟. 强激光与粒子束. 2013(09)
[7]激光作用铝靶爆轰波流场观测与理论分析[J]. 王飞,陈朗,伍俊英,孙崔源. 强激光与粒子束. 2013(04)
[8]飞秒激光对两种不同的单晶硅的辐照损伤研究[J]. 马鹏飞,刘中山,常方高,宋桂林,王克栋. 人工晶体学报. 2013(01)
[9]脉冲激光背照射单粒子效应实验研究[J]. 王德坤,曹洲,刘海南,杨献. 原子能科学技术. 2011(07)
[10]新型航天器抗辐射加固技术的研究重点[J]. 蔡震波. 航天器环境工程. 2010(02)
博士论文
[1]激光烧蚀固体材料引起力学效应的数值模拟研究[D]. 袁红.中国工程物理研究院 2011
[2]聚合物电介质表面电荷动态特性研究[D]. 高宇.天津大学 2009
硕士论文
[1]铁电场效应晶体管的电离辐射总剂量效应数值模拟研究[D]. 熊维.湘潭大学 2017
[2]组合脉冲激光致单晶硅热力作用的数值计算[D]. 钟发成.南京理工大学 2017
[3]短脉冲激光对半导体Si辐照效应的计算研究[D]. 孙国荣.哈尔滨工业大学 2009
[4]飞秒激光与固体材料相互作用机理与应用研究[D]. 门海宁.中国科学院研究生院（西安光学精密机械研究所） 2006
本文编号：3636812
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