レーザー集光照射結晶化プロセスの空間温度プロファイル計測と機構解明

激光聚焦辐照结晶过程的空间温度分布测量和机理阐明

基本信息

批准号：
17760540
负责人：
紅野安彦
金额：
$ 2.24万
依托单位：
Nagaoka University of Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
财政年份：
2005
资助国家：
日本
起止时间：
2005 至 2006
项目状态：
已结题

项目摘要

研究初年度において構築を完了した顕微分光学的手法による光学系を利用し、レーザー集光照射加熱法による局所的結晶化プロセスにおけるレーザー照射位置近傍の温度プロファイルおよび温度変化に関する計測を実施した。また、有限要素法に基づく伝熱モデルを改良し、計測結果に基づく温度プロファイルとの比較を行い、計測手法および伝熱モデルの相互検証から双方の妥当性に関する情報を得た。各々の概要は以下の通りである。半導体レーザー(波長808nm、最大出力1.20W)を熱源用レーザーとし、この波長域に吸収帯を有し熱源となるDr^<3+>イオンおよび蛍光スペクトルが温度指標となるEr^<3+>イオンをビスマスホウ酸系ガラス組成に対してそれぞれ9mol%、1mol%添加することによりモデル試料とした。Arイオンレーザー(波長488nm)励起による顕微蛍光スペクトル測定で蛍光帯のブランチ比を指標として、照射裏面の温度分布およびその経時変化を計測した。局所温度計測にあたり、顕微鏡用ホットステージを用いた試料全体加熱時の蛍光スペクトルを参照して温度を決定した。加熱点の最高到達温度はレーザー照射エネルギーおよび照射時間に依存し、ガラス転移温度、軟化温度、結晶化温度に達することを示し、従来提案の本プロセスにおける照射痕形成モデルを支持した。一方、有限要素法を用いた伝熱モデル計算では、上記のビスマスホウ酸系ガラスにおける熱物性値とエネルギー消失に関するより現実的モデル化への改良を加えた結果、最高到達温度および流動変形領域(軟化温度境界内部に相当)に関して実測に矛盾しない温度プロファイルを再現した。不連続境界の移動モデルの導入、高温物性値の考慮により、さらに現実的モデルとして高度化が期待されることが示唆された。

利用研究第一年完成的采用显微分光方法的光学系统，我们使用激光聚焦照射加热方法测量了局部结晶过程中激光照射位置附近的温度分布和温度变化。此外，我们还基于有限元方法改进了传热模型，并与基于测量结果的温度剖面进行了比较，通过相互验证获得了测量方法和传热模型有效性的信息。各部分的概要如下。使用半导体激光器(波长808nm，最大输出1.20W)作为热源激光器，以在该波长范围内具有吸收带的Dr^3+离子作为热源，Er用作温度指数的 3+ 离子用作热源，通过分别向硼酸铋玻璃组合物添加9mol％和1mol％的离子来制备模型样品。以荧光带的分支比为指标，使用Ar离子激光（波长488 nm）激发的显微荧光光谱法测量了照射背面的温度分布及其随时间的变化。为了测量局部温度，参考使用显微镜热台加热整个样品时的荧光光谱来确定温度。结果表明，加热点达到的最高温度取决于激光辐照能量和辐照时间，并达到玻璃化转变温度、软化温度和结晶温度，支持了先前提出的在此过程中辐照疤痕形成模型。另一方面，在使用有限元法的传热模型计算中，对上述硼酸铋玻璃的热物理性质和能量耗散进行了更真实的建模，再现了与实际测量一致的温度分布。面积（对应于温度边界的内部）。建议引入不连续边界运动模型并考虑高温物性值，有望成为更加现实的模型。