Воздействие лазерного излучения на материалы

Воздействие лазерного излучения на материалы

Автор: Голубев Владимир Сергеевич.

Поглощение, отражение и рассеяние лазерного излучения материалами

Рис 1. Схематическое изображение падающего, отраженного и преломленного лучей

Характер и эффективность воздействия электромагнитных волн лазерного излучения на вещество определяется плотностью потока энергии (плотностью мощности или интенсивностью) электромагнитного поля.

В любом случае лазерного теплового воздействия на материалы важна не просто мощность лазерного излучения, а мощность, поглощенная материалом и идущая на получение полезного результата. Поглощательная способность в той или иной форме фигурирует во всех лазерных технологических процессах.

На первой стадии теплового воздействия лазерного излучения на материал, фазовое состояние твердого тела не успевает измениться. Основные явления в этом случае заключаются в отражении и поглощении излучения поверхностью, нагревании поверхности, распространении тепла в глубь среды за счет теплопроводности, рис. 1.

Процесс взаимодействия света с поверхностью твердого непрозрачного тела происходит следующим образом: световая волна, падающая на поверхность, взаимодействует с электронами, возбуждая их колебания. Вынужденные колебания электронов приводят к возникновению отраженной волны. Если электроны в твердом теле полностью свободны, то излучение полностью отражается, поглощение отсутствует. Если электроны частично связаны, то часть энергии падающей волны передается твердому телу, вызывая его нагревание. Весь процесс взаимодействия света с электронами обычно разыгрывается в тонком поверхностном слое, так что часто можно говорить о взаимодействии света с поверхностью твердого тела. Теплофизические коэффициенты, которые являются функциями температуры, в инженерных расчетах обычно считают постоянными и используют их усредненные значения.

Большое значение имеет в ряде случаев качество обработки поверхности (например, для металлов). Макроскопически шероховатая поверхность представляет собой большое число микроскопических участков, ориентированных под разными углами к направлению падения световой волны, а поэтому характеризуемых различным значением коэффициента отражения, в этом случае наблюдается рассеяние света поверхностью. Зависимость коэффициента отражения от угла падения и его величина различны для хорошо отполированной и шероховатой поверхностей.

Газовые среды

Для разреженных газов и паров металлов можно не учитывать влияния соседних атомов в акте поглощения излучения. Первичным результатом взаимодействия излучения с “изолированным” атомом является переход электрона в возбужденное состояние, на более отдаленную от ядра орбиту. В молекулах, в результате взаимодействия с излучением, могут также возбуждаться колебательные и вращательные степени свободы, колебательные и вращательные уровни. Спектр поглощения изолированных атомов (например, в случае разреженных газов) имеет вид узких линий, соответствующих частотам собственных колебаний электронов внутри атомов. Спектр поглощения молекул, определяемый колебаниями атомов в них, состоит из существенно более широких областей длин волн, так называемые полосы поглощения, и составляет от десятых долей нм до сотен нм. Определяющую роль в дальнейшей судьбе энергии, запасенной в возбужденных состояниях играют столкновения атомов и молекул друг с другом. С разной вероятностью энергия возбуждения может передаваться от одной частицы к другой, освобождаться в виде кванта света с возвращением частицы в невозбужденное состояние или переходить в энергию поступательного движения, то есть непосредственно на нагрев газа.

Металлы

Рис.2 Коэффициент поглощения некоторых металлов в зависимости от длины волны излучения.

Металл представляет собой трехмерную решетку из положительных ионов, которая погружена в газ электронов проводимости, связанных с ионной решеткой силами электростатического притяжения.

В видимом и инфракрасном диапазонах частот все излучение, которое не отражается от металла, поглощается им в весьма тонком поверхностном скин-слое (толщиной 10^-5...10^-6 см) на электронах проводимости. Это позволяет упростить описание и рассматривать лишь два процесса: отражение и поглощение, пренебрегая процессом распространения излучения в металле.

Для жидких и твёрдых тел поведение электронов, определяющих оптические свойства атома, резко меняются под действием полей соседних атомов. Поглощение твёрдых тел характеризуется, как правило, очень широкими областями (сотни и тысячи нм); качественно это объясняется тем, что в конденсированных средах сильное взаимодействие между частицами приводит к быстрой передаче энергии, отданной светом одной из них всему коллективу частиц.

Поглощенная энергия распространяется в веществе за счет различных механизмов теплопроводности. Для металлов основной является электронная теплопроводность.

Если коэффициент поглощения веществ зависит от длины волны света, говорят о спектре поглощения вещества. На рис.2 приведены коэффициенты поглощения некоторых металлов в зависимости от длины волны излучения. Выделены длины волн Nd:YAG и CO2-лазеров, наиболее часто применяемых в термических видах лазерной технологии.

Рис. 3. Обозначение типов линейной поляризации луча при наклонном падении излучения на поверхность материала.

При наклонном падении лазерного излучения на поверхность отражение зависит от поляризации, рис.3. Отражательные способности R_p -составляющей, лежащей в плоскости падения луча, и Rs -составляющей, перпендикулярной плоскости падения луча, в общем случае различны. Это означает, что отражательная способность поляризованного лазерного излучения зависит от ориентации вектора поляризации относительно поверхности металла и от оптических свойств его поверхности.

Рис.4. Зависимость отражательной способности для луча с перпендикулярной S и продольной P поляризацией ( λ = 10,6 мкм) от угла падения на поверхность меди.

Для примера, зависимость отражательной способности меди (при T = 0°С и 1000 °С) на длине волны λ = 10,6 мкм для двух составляющих R_s и R_p приведены на рис.4. Это, так называемый закон Френеля. Видно, что значение Rs велико при всех углах падения. В то же время значения R_p достигает минимума при угле, близком (но не равном) 90°, который носит название угла Брюстера. Отсюда следует, что с точки зрения поглощения излучения поверхностью воздействие излучения оптимально случае, когда вектор электрического поля лежит в плоскости падения (R_p-отражение).

Полупроводники

Для полупроводников и диэлектриков основной является фононная теплопроводность. Полупроводники имеют низкую концентрацию свободных электронов, и если энергия светового кванта меньше ширины запрещенной зоны (hλ<E), то их оптические свойства подобны свойствам диэлектриков. Если hλ>E, то за счет внутреннего фотоэффекта электроны из валентной зоны переходят в зону проводимости. При достаточно большой интенсивности излучения число свободных электронов существенно возрастает, значительно увеличивая долю световой энергии, поглощенной электронным газом и передаваемой в решетку за время 10^-10-10^-11 c.

Диэлектрики

Поглощение света диэлектриками обусловлено наличием колебательных степеней свободы кристаллической решетки, молекул и атомов, межмолекулярными колебаниями, имеющимися примесями, дефектами структуры и т. п. Коэффициент поглощения зависит от длины волны излучения и обычно имеет большое значение как в области ультрафиолетового (УФ), так и в области инфракрасного (ИК) излучений; в промежуточной спектральной области диэлектрики могут быть частично или полностью прозрачными.

На длине волны излучения СО2-лазеров (λ= 10,6 мкм) большинство диэлектриков имеют высокие коэффициенты поглощения, и излучение поглощается в поверхностном слое толщиной в несколько микрон, что в большинстве случаев также, как у металлов позволяет считать источник тепла поверхностным. Имеется довольно ограниченное число веществ, прозрачных для λ = 10,6 мкм; эти вещества применяются для изготовления оптических ИК элементов. Некоторые диэлектрики поглощают ИК излучение СО2-лазера в достаточно толстых слоях (от долей миллиметра и более), и для них лазерный тепловой источник необходимо считать объемным.

Нагрев материалов лазерным излучением

Временные режимы лазерного воздействия

В разнообразных видах лазерной технологии применяются лазеры с различными временными характеристиками: непрерывные, импульсные, и импульсно периодические. Однако в любом случае время воздействия излучения на произвольную точку поверхности конечно, и в этом смысле воздействие всегда импульсное. Если обработка ведется движущимся лучом непрерывного лазера, то характерное время воздействия излучения на точку поверхности составляет t_v = d/v, здесь d - диаметр пятна фокусировки излучения на поверхности, v-скорость движения луча. При использовании импульсного лазера, если длительность импульса τ_p<<t_v время воздействия равно τ_p. Импульсно периодическое воздействие (T -период следования импульсов) может приводить к чисто а аддитивному накоплению результата воздействия отдельного импульса, а также и к некоторым специфическим последствиям, таким как резонансное возбуждение гидродинамических колебаний расплава или измельчение зерен кристаллической структуры при циклическом тепловом воздействии.

Глубина h, на которую тепло проникает в течение времени τ, оценивается выражением , (χ - коэффициент температуропроводности). Одномерное приближение справедливо, если размер лазерного пучка на поверхности материала существенно превышает глубину проникновения тепла в материал. Если вместо h иметь ввиду диаметр луча на поверхности d, получим оценку времени выхода температуры поверхности на стационарное значение ts = d²/χ. Примерно за такое время тепло за счет теплопроводности распространится на расстояние порядка диаметра пятна, источник тепловыделения трансформируется из плоского в “точечный” в непрерывном режиме излучения. Отвод тепла и температура в зоне воздействия стабилизируются. Скорость отвода тепла в пятне облучения становится равной скорости его поступления; общий поток тепла пропорционален интенсивности лазерного излучения и коэффициенту поглощения. Если поток тепла достигает некоторого «критического» значения, пропорционального температуре фазового перехода материалов соответственно наступает этот переход. Так, в стали, при характерном радиусе пятна 10^-2 см, наступает плавление при интенсивности поглощаемого лазерного излучения около 2-10⁵ Вт/см² и кипение при интенсивности ~ 4•10⁵ Вт/см². В последнем случае давления паров металла начинает превышать атмосферное давление, и под пятном облучения образуется глубокая каверна – парогазовый канал. Сравнивая теперь несколько характерных времен тепловыделения и распространения тепла: t_v, τ_p, t_s, T мы можем выделить и несколько качественно отличающихся друг от друга тепловых режимов нагрева поверхности. Если пауза между импульсами велика T- τ_p >> t_s, то между импульсами будет наблюдаться практически полное остывание. В противоположном случае будем происходить накопление температуры от импульса к импульсу, то есть наблюдается некоторый коллективный эффект. Такое воздействие приближается по своим последствиям к случаю использования непрерывного лазера.

В таблице 1 приведены теплофизические параметры некоторых металлов и полупроводников.

Таблица 1. Теплофизические свойства некоторых чистых металлов и полупроводников

Элемент		Параметры нагрева при 20°С		Плавление		Испарение (кипение)
		Теплоемкость с, Дж/(г•°С)	Теплопро-водность λ, Вт/(см•°С)	Температура плавления Тпл, °С	Удельная теплота плавления ΔHпл, Дж/г	Температура испарения Тисп., °С	Удельная теплота испарения ΔHисп., кДж/г
Алюминий	Аl	0.90	2,18	660	400	~2500	10,8
Вольфрам	W	0,13	1,8	3420	320	~5700	4,0
Германий	Ge	0,32	0,60	958	510	~2850	4.7
Железо	Fe	0,448	0.75	1539	250	3200	6,27
Золото	Au	0.13	3,13	1046	63	2947	1.77
Кремний	Si	0.71	0,83	1415	1770	3250	12,7
Медь	Cu	0,385	4,0	1084	204	2540	4.75
Молибден	Mo	0,223	1,52	2620	375	4600	5,8
Никель	Ni	0.43	0,92	1455	300	2900	6.3
Серебро	Ag	0,235	4,20	961,9	105	2170	2,47
Титан	Тi	0,52	0,23	1668	320	3330	8,6
Графит	С	0,69	-1,5	3500	~	~3900	~
Хром	Cr	0,45	0,67	1890	400	2680	6,7

Фазовые переходы: плавление, испарение, абляция

Рис 5.Различные стадии теплового воздействия лазерного излучения на поверхность материала: нагрев, плавление, испарение и выплеск жидкой фазы давлением отдачи паров.

При описании процесса воздействия лазерного излучения на твердые непрозрачные тела (металлы, полупроводники, диэлектрики) целесообразно выделить несколько стадий: нагревание без изменения фазового состояния, плавление, испарение, ионизация испаряемого вещества и образование плазмы, рис.5.

Если обработка материала ведется в химически активной атмосфере, то при некоторой температуре существенную роль начинают играть термохимические процессы – окисление, образование нитридов, карбидов и проч. Так, при лазерной резке часто применяется поддув кислорода, что резко интенсифицирует процесс, как из-за выделения тепла окисления, так и из-за повышения поглощения лазерного излучения

Все металлы при нормальной температуре и нулевом угле падения (перпендикулярно поверхности) отражают более 80 % лазерного излучения (для длины волны СО₂-лазера 10,6 мкм). С достижением точки плавления способность поглощать лазерное излучение возрастает, однако характер зависимости коэффициента отражения от угла падения сохраняется, рис.4. Для некоторых металлов точку плавления достичь нелегко. Плотность потока энергии лазерного излучения, необходимая для плавления металлов, может варьировать от 2•10⁴ Вт/см² для углеродистых и коррозионностойких сталей до 2•10⁶ Вт/см² для вольфрама.

При некоторых условиях процесс разрушения материала лазерным излучением называют абляцией под воздействием. В современном, довольно широком понимании термин абляция включает известный механизм такого перехода вещества из твердого состояния в газообразное, как сублимация, однако им не исчерпывается. Согласно последним исследованиям при коротких длительностях лазерных импульсов (10^-9-10^-14секунды) и огромных интенсивностях лазерного излучения (≥10¹⁰ Вт/см2) наблюдается удаление материала по другому физическому механизму. Межмолекулярные связи разрываются не как вторичное следствие высокой температуры, а как результат непосредственного перехода энергии из возбужденных состояний. Такой механизм разрушения материала имеет качественные макроскопические особенности. Например, наблюдается высочайшее качество отверстий, пробиваемых короткими лазерными импульсами. Речь идет о форме отверстий, качестве краев, отсутствует зона термического влияния и какие либо признаки жидкой фазы. Однако, такой механизм разрушения является энергетически и экономически очень дорогим, поэтому используется лишь для специальных задач.

См. также

• Лазерные технологии обработки материалов

Это черновик статьи. Вероятно, статья находится в процессе написания.