Воздействие лазерного излучения на материалы — различия между версиями

Версия 18:37, 30 августа 2008

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, как-то: 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.

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/. 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: tv, p, ts, T мы можем выделить и несколько качественно отличающихся друг от друга тепловых режимов нагрева поверхности. Если пауза между импульсами велика T- p >> ts, 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.

См. также

• Лазерные технологии обработки материалов