Воздействие лазерного излучения на материалы
Воздействие лазерного излучения на материалы
Автор: Голубев Владимир Сергеевич.
Содержание
Поглощение, отражение и рассеяние лазерного излучения материалами
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
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.
При наклонном падении лазерного излучения на поверхность отражение зависит от поляризации, рис.3. Отражательные способности Rp -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.
Для примера, зависимость отражательной способности меди (при T = 0°С и 1000 °С) на длине волны λ = 10,6 мкм для двух составляющих Rs и Rp приведены на рис.4. Это, так называемый закон Френеля. Видно, что значение Rs велико при всех углах падения. В то же время значения Rp 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 (Rp-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.
См. также
