基于ANSYS的激光辐照焦平面探测器温度-应力场分析

摘要

近年来，随着激光技术与光电子技术的迅猛发展，使得光电探测器在各领域的应用也越来越广泛。由于激光具有一些独特的优异特性，以激光作为光源对探测器的损伤行为研究也日益增加。目前，激光对探测器辐照效应的研究主要集中在对激光辐照硅基 CCD探测器、或者光伏型锑化铟探测器方面，对于激光辐照红外焦平面探测器的实验和理论研究较少。随着红外焦平面探测器在军事、航空制导等领域的红外探测系统广泛应用，对红外焦平面探测器激光辐照效应研究也显得尤为重要。因此，本文以锑化铟红外焦平面探测器作为研究对象，对激光辐照下锑化铟红外焦平面探测器的热-力效应进行研究。
　　本文利用有限元分析软件 ANSYS，建立了高斯脉冲激光辐照锑化铟红外焦平面探测器的三维结构模型，考虑锑化铟红外焦平面探测器中材料热物参数随温度变化的特性，采用间接热-力耦合的方法，对激光辐照下锑化铟红外焦平面探测器三维温度场和应力场进行了研究。
　　仿真实验结果表明：激光辐照下锑化铟红外焦平面探测器最大温度出现在最上层的锑化铟芯片上，探测器最大温度达到锑化铟芯片熔点温度798K时，将会引起探测器的热熔融损伤，且熔融损伤阈值受到激光能量、脉宽、频率、光斑半径等激光参量的影响；随着锑化铟红外焦平面探测器中间层铟柱柱半径的增长，激光辐照下探测器的最大温度增速变缓；激光辐照下锑化铟红外焦平面探测器中各层材料的温度场分布呈现出非连续的高温极值区域，其主要原因是位于锑化铟红外焦平面探测器中间层相间分布的铟柱和底充胶具有迥异的热学性质，并且造成探测器温度场云图中锑化铟芯片、底充胶与硅读出电路高温极值区域形成类似于互补的高温分布。
　　基于激光辐照下锑化铟红外焦平面探测器温度分布，进一步研究了激光辐照热效应下应力场的分布规律。激光辐照下锑化铟红外焦平面探测器热应力极值出现在锑化铟芯片上；锑化铟红外焦平面探测器热应力随着脉冲激光参量的变化而变化，其中脉冲激光能量、频率逐渐增加应力极值逐渐减小，脉冲激光脉宽、光斑半径逐渐增加应力极值逐渐增加；随着锑化铟红外焦平面探测器中间层铟柱半径的增长，激光辐照下探测器应力极值呈起伏状变化；激光辐照下锑化铟红外焦平面探测器中各层材料的应力场分布呈现出区域性分布特征。
　　这些研究结果表明，本文基于所建立的三维锑化铟红外焦平面探测器结构分析模型，能有效地分析探测器各层材料结构在激光辐照作用下温度-应力场效应，为进一步研究激光辐照下红外焦平面探测器失效机理、提高探测器的激光防护性能提供重要的理论依据。

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第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 激光技术

1.3 红外焦平面探测器

1.4 国内外研究现状

1.5 论文的工作

1.6 论文结构安排

第2章 激光与材料作用的相关理论

2.1 材料对激光的吸收机制

2.2 热传递基本理论

2.3 热弹性的理论基础

2.4 激光对探测器的损伤机理

2.5 激光辐照损伤阈值

2.6 本章小结

第3章 激光辐照焦平面探测器有限元分析

3.1 有限元法

3.2 红外焦平面探测器模型及激光热源描述

3.3 时间步长与载荷施加求解

3.4 本章小结

第4章 仿真结果分析

4.1 三维InSb红外焦平面探测器温度场分析

4.2 三维InSb红外焦平面探测器应力场分析

4.3 本章小结

第5章 总结与展望

5.1 工作总结

5.2 工作展望

参考文献

致谢

攻读学位期间的研究成果