Вплив лазерного випромінювання на матеріали
Вплив лазерного випромінювання на матеріали
Зміст
Поглинання, відображення та розсіювання лазерного випромінювання матеріалами
Характер та ефективність впливу електромагнітних хвиль лазерного випромінювання на речовину визначається щільністю потоку енергії (щільністю потужності або інтенсивністю) електромагнітного поля.
У будь-якому випадку лазерного теплового впливу на матеріали важлива не просто потужність лазерного випромінювання, а потужність, поглинена матеріалом, що йде на отримання корисного результату. Поглинальна здатність у тій чи іншій формі фігурує у всіх лазерних технологічних процесах.
На першій стадії теплового впливу лазерного випромінювання на матеріал фазовий стан твердого тіла не встигає змінитися. Основні явища в цьому випадку полягають у відображенні та поглинанні випромінювання поверхнею, нагріванні поверхні, поширенні тепла в глибину середовища за рахунок теплопровідності, рис. 1.
Процес взаємодії світла з поверхнею твердого непрозорого тіла відбувається так: світлова хвиля, що падає на поверхню, взаємодіє з електронами, збуджуючи їх коливання. Вимушені коливання електронів призводять до виникнення відбитої хвилі. Якщо електрони в твердому тілі повністю вільні, то випромінювання повністю відображається , поглинання відсутня. Якщо електрони частково пов'язані, частина енергії падаючої хвилі передається твердому тілу, викликаючи його нагрівання. Весь процес взаємодії світла з електронами зазвичай розігрується в тонкому поверхневому шарі, тому часто можна говорити про взаємодію світла з поверхнею твердого тіла. Теплофізичні коефіцієнти, які є функціями температури, в інженерних розрахунках зазвичай вважають постійними тавикористовують їх усереднені значення.
Велике значення має у ряді випадків якість обробки поверхні (наприклад, для металів). Макроскопічно шорстка поверхня являє собою велику кількість мікроскопічних ділянок, орієнтованих під різними кутами до напрямку падіння світлової хвилі, а тому характеризуються різним значенням коефіцієнта відбиття, в цьому випадку спостерігається розсіювання світла поверхнею. Залежність коефіцієнта відбиття від кута падіння та його величина різні для добре відполірованої та шорсткої поверхонь.
Газові середовища
Для розріджених газів та пар металів можна не враховувати впливу сусідніх атомів в акті поглинання випромінювання. Первинним результатом взаємодії випромінювання з “ізольованим” атомом є перехід електрона у збуджений стан, більш віддалену від ядра орбіту. У молекулах, в результаті взаємодії з випромінюванням, можуть також збуджуватися коливальні та обертальні ступені свободи, коливальні та обертальні рівні. Спектр поглинання ізольованих атомів (наприклад, у разі розріджених газів) має вигляд вузьких ліній, які відповідають частотам власних коливань електронів усередині атомів. Спектр поглинання молекул, що визначається коливаннями атомів у них, складається з істотно ширших областей довжин хвиль, так звані смуги поглинання, і становить від десятих часток нм до сотень нм. Визначальну роль подальшій долі енергії, запасеної у збуджених станах грають зіткнення атомів і молекул друг з одним. З різною ймовірністю енергія збудження може передаватися від однієї частинки до іншої, звільнятися у вигляді кванта світла з поверненням частинки в збуджений стан або переходити в енергію поступального руху, тобто безпосередньо нанагрівання газу.
Метал є тривимірною решіткою з позитивних іонів, яка занурена в газ електронів провідності, пов'язаних з іонними гратами силами електростатичного тяжіння.
У видимому та інфрачервоному діапазонах частот все випромінювання, яке не відбивається від металу, поглинається ним у дуже тонкому поверхневому скін-шарі (товщиною 10 -5 . 10 -6 см) на електронах провідності. Це дозволяє спростити опис та розглядати лише два процеси: відображення та поглинання, нехтуючи процесом поширення випромінювання в металі.
Для рідких і твердих тіл поведінка електронів, що визначають оптичні властивості атома, різко змінюються під впливом полів сусідніх атомів. Поглинання твердих тіл характеризується, як правило, дуже широкими областями (сотні та тисячі нм); якісно це пояснюється тим, що в конденсованих середовищах сильна взаємодія між частинками призводить до швидкої передачі енергії, відданої світлом однієї з них усьому колективу частинок.
Поглинена енергія поширюється у речовині з допомогою різних механізмів теплопровідності. Для металів основною є електронна теплопровідність.
Якщо коефіцієнт поглинання речовин залежить від довжини хвилі світла, говорять про спектр поглинання речовини. На рис.2 наведено коефіцієнти поглинання деяких металів залежно від довжини хвилі випромінювання. Виділено довжини хвиль Nd:YAG і CO2-лазерів, що найчастіше застосовуються в термічних видах лазерної технології.
При похилому падінні лазерного випромінювання поверхню відбиток залежить від поляризації, рис.3. Відбивні здатності Rp -складової, що лежить у площині падіння променя, і Rs -складової, перпендикулярної площині падіння променя, в загальному випадку різні. Цеозначає, що відбивна здатність поляризованого лазерного випромінювання залежить від орієнтації вектора поляризації щодо поверхні металу та від оптичних властивостей його поверхні.
Наприклад, залежність відбивної здатності міді (при T = 0°З 1000 °З) на довжині хвилі λ = 10,6 мкм для двох складових Rs і Rp наведено на рис.4. Це так званий закон Френеля. Видно, що значення Rs велике при всіх кутах падіння. У той же час значення Rp досягає мінімуму при вугіллі, близькому (але не рівному) 90 °, який носить назву кута Брюстера. Звідси випливає, що з погляду поглинання випромінювання поверхнею вплив випромінювання оптимально у разі, коли вектор електричного поля лежить у площині падіння (Rp-відображення).
Напівпровідники
Для напівпровідників та діелектриків основною є фононна теплопровідність. Напівпровідники мають низьку концентрацію вільних електронів, і якщо енергія світлового кванта менша за ширину забороненої зони (hλ E, то за рахунок внутрішнього фотоефекту електрони з валентної зони переходять у зону провідності. При досить великій інтенсивності випромінювання число вільних електронів істотно зростає, значно збільшуючи частку світлової енергії , поглиненої електронним газом та переданої у ґрати за час 10 -10 -10 -11 c.
Діелектрики
Поглинання світла діелектриками обумовлено наявністю коливальних ступенів свободи кристалічної решітки, молекул і атомів, міжмолекулярними коливаннями, наявними домішками, дефектами структури тощо. в галузі інфрачервоного (ІЧ) випромінювань; у проміжній спектральній області діелектрики можуть бутичастково чи повністю прозорими.
На довжині хвилі випромінювання СО2-лазерів (λ= 10,6 мкм) більшість діелектриків мають високі коефіцієнти поглинання, і випромінювання поглинається в поверхневому шарі завтовшки кілька мікрон, що в більшості випадків також, як у металів дозволяє вважати джерело тепла поверхневим. Є досить обмежена кількість речовин, прозорих для λ = 10,6 мкм; ці речовини застосовуються виготовлення оптичних ІЧ елементів. Деякі діелектрики поглинають інфрачервоне випромінювання СО2-лазера в досить товстих шарах (від часток міліметра і більше), і для них лазерне теплове джерело необхідно вважати об'ємним.
Нагрів матеріалів лазерним випромінюванням
Тимчасові режими лазерного впливу
У різноманітних видах лазерної технології застосовуються лазери з різними часовими характеристиками: безперервні, імпульсні та імпульсно періодичні. Однак у будь-якому випадку час впливу випромінювання на довільну точку поверхні звичайно, і в цьому сенсі вплив завжди імпульсний. Якщо обробка ведеться променем безперервного лазера, що рухається, то характерний час впливу випромінювання на точку поверхні становить tv = d/v, тут d - діаметр плями фокусування випромінювання на поверхні, v-швидкість руху променя. При використанні імпульсного лазера якщо тривалість імпульсу τp 2 /χ. Приблизно за такий час тепло за рахунок теплопровідності пошириться на відстань порядку діаметра плями, джерело тепловиділення трансформується з плоского в точковий в безперервному режимі випромінювання. Відведення тепла та температура в зоні впливу стабілізуються. Швидкість відведення тепла у плямі опромінення стає рівною швидкості його надходження; загальний потік тепла пропорційний інтенсивності лазерного випромінювання та коефіцієнту поглинання.Якщо потік тепла досягає деякого «критичного» значення, пропорційного температурі фазового переходу матеріалів відповідно настає цей перехід. Так, у сталі, при характерному радіусі плями 10 -2 см, настає плавлення при інтенсивності лазерного випромінювання поглинається близько 2-10 5 Вт/см 2 і кипіння при інтенсивності
4•10 5 Вт/см 2 . У разі тиску парів металу починає перевищувати атмосферний тиск, і під плямою опромінення утворюється глибока каверна – парогазовий канал. Порівнюючи тепер кілька характерних часів тепловиділення та розповсюдження тепла: tv, τp, ts, T ми можемо виділити і кілька якісно відмінних один від одного теплових режимів нагрівання поверхні. Якщо пауза між імпульсами велика T-τp >> ts, то між імпульсами спостерігатиметься практично повне охолодження. У протилежному випадку відбуватимемося накопичення температури від імпульсу до імпульсу, тобто спостерігається певний колективний ефект. Така дія наближається за своїми наслідками щодо використання безперервного лазера.
У таблиці 1 наведено теплофізичні параметри деяких металів та напівпровідників.