5.2 Поглощение лазерного излучения
Основной процесс, определяющий технологическое воздействие лазерного излучения на вещество – это процесс поглощения излучения. Определенная часть падающего на границу раздела «обрабатываемый образец – окружающая среда» излучения при этом отражается образцом.
Механизм
поглощения излучения и соответственно
механизм рассеяния фотонов определяется
многими факторами, и в том числе агрегатным
состоянием вещества образца, его
структурой, энергией фотона
,
где h
– постоянная
Планка, ν
–
частота
волны излучения (напомним, что фотон
характеризуется также импульсом
и поляризацией).
В настоящее время в технологических
процессах используется в основном
лазерное излучение с энергией фотонов
0,1 –
5 эВ (λ =
10,6 –
0,2 мкм).
Как и в случае воздействия на вещество энергетическим потоками другого типа, технологическая задача взаимодействия лазерного излучения с веществом образца сводится, в первую очередь, к определению пространственно-временного распределения поглощенной энергии (интенсивности), в частности, нахождению функции q = q (x,y,z,t).
Эту функцию можно представить в виде произведения трех составляющих:
.
(5.2)
В конденсированных средах затухание интенсивности лазерного излучения следует известному экспоненциальному закону Бугера - Ламберта, который в изотропных и однородных средах для направления, вдоль которого распространяется излучение, записывается как
,
(5.3)
где А – коэффициент поверхностного поглощения, – коэффициент объемного поглощения, q0 – плотность мощности на поверхности твердого образца.
В большинстве технологических применений лазерного излучения имеет место цилиндрическая симметрия геометрии взаимодействия. Тогда при однородном распределении интенсивности по сечению лазерного пучка а для q2 справедливо выражение
,
(5.4)
где – коэффициент сосредоточения.
Функция q3, определяющая временную зависимость интенсивности излучения, зависит в основном от режима генерации лазера (свободная генерация, упорядоченные пульсации, модуляция добротности резонатора и пр.) и формы лазерного импульса. Эта зависимость может быть достаточно сложной и не всегда представляется в аналитическом виде.
Схема такой задачи взаимодействия лазерного излучения с твердым образцом показана на рис. 5.2
К
ак
следует из (5.2) и (5.3), задача описания
поглощения лазерного
излучения веществом при значениях
интенсивности, где действует
закон Бугера -Ламберта, в первую очередь,
сводится к определению
коэффициентов a
и
А.
Рисунок 5.2 – Схема
задачи взаимодействия лазерного
излучения кругового сечения с твердым
веществом (q0
– плотность
мощности на поверхности твердого
образца)
Для непрозрачных твердых тел доля интенсивности падающего монохроматического излучения, поглощенная телом, равна
,
(5.5)
где А – коэффициент поверхностного поглощения (степень черноты); R – отражательная способность при нормальном падении излучения. Значения R и А можно вычислить по данным измерений оптических постоянных или комплексного показателя преломления. При комплексном показателе преломления
(5.6)
отражательная способность в случае нормального падения излучения составит
(5.7)
а степень черноты
(5.8)
В
общем случае пиk
–
функции длины волны и температуры.
В качестве примера на
рис. 5.3 показаны
изменения пиk
с
длиной
волны и соответствующие изменения
А
для Ti
при температуре 300 К. Видно, что и п
и k
относительно
слабо зависят от λ
в интервале длин волн 0,4 < λ
<
1,0 мкм, а поглощательная способность в
этом интервале велика. При больших λ,
п
и k
быстро
увеличиваются с ростом λ,
в свою очередь А
падает до небольшой доли своего значения
на более
коротких длинах волн.
В конечном итоге значения коэффициентов поверхностного (А) и объемного поглощения (a) определяются в основном механизмами поглощения излучения веществом. Для твердых тел можно выделить следующие механизмы поглощения:
Рисунок 5.3 – Зависимость поглощательной способности А, действительной и мнимой части показателя преломления пиkот длины
волны λ для Ti при 300 К
поглощение свободными носителями заряда;фундаментальное (или основное) поглощение;
примесное поглощение;
решеточное поглощение.
Рассмотрим различные механизмы поглощения излучения конденсированным средами подробнее
Поглощение света свободными носителями заряда
Этот механизм преобладает в металлах и является одним из основных в полупроводниковых материалах. Такое поглощение связано с движением носителей заряда под действием электрической составляющей электромагнитной волны. Энергия волны затрачивается на ускорение носителей заряда и она уменьшается.
Поглощение энергии
излучения приводит к значительному
увеличению кинетической энергии
электронов проводимости. За время
~10-13
– 10-11
с электронный газ нагревается до
температуры Те,
значительно
превосходящей температуру решетки Тi
(Те
>> Тi).
За счет
неупругих взаимодействий с атомами
решетки в течение времени
10-11 – 10-10
с электроны передают избыточную энергию
решетке,
в результате чего температуры
выравниваются:
,
т.е. происходит
преобразование энергии излучения в
нагрев вещества (
).
Аналитический расчет дает для величин А и в случае металлов выражения:
,
(5.9)
,
(5.10)
где ω
– круговая
частота лазерного излучения (в
технологических лазерах
обычно
),
ε0
– электрическая
постоянная, μ0 – магнитная
постоянная, σэл – удельная
электрическая проводимость металла.
Э
кспериментальные
данные для объемного коэффициента
поглощения А
на длинах волн излучения технологических
лазеров при температуре 200С
приведены в табл. 5.1. На рис 5.4 представлены
экспериментальные
зависимости коэффициента отражения
R = 1 - А
для
некоторых
металлов от λ.
А
Рисунок 5.4 – Зависимость коэффициента
отражения лазерного излучения от длины
волны для полированных металлических
образцов
Так по данным некоторых исследователей, для нержавеющей стали при λ = 10,6 мкм коэффициент поглощения А увеличивается в 2,5 раза (при Т = 1000°С) при наличии поверхностных окислов. А коэффициент поглощения молибдена возрастает с А ≈ 0,027 до А ≈ 1 при окисления в воздухе при Т = 700 °С,
Таким образом, в практических условиях, различие между коэффициентом поглощения на длине волны излучения СО2 – лазера (10,6 мкм) и А в видимой области не настолько велико, как следовало бы из данных табл. 5.1.
Разогрев
вещества в процессе преобразования
энергии лазерного
излучения в тепло тоже может привести
к существенному изменению величины А.
Поскольку коэффициент А
зависит
от удельной
электрической проводимости σэл
(см. (5.9)),
а последняя уменьшается с ростом
температуры, то увеличение температуры
металла в процессе лазерной обработки
приводит к росту коэффициента поглощения
.
Экспериментальные данные по зависимости
степени черноты от температуры для
некоторых металлов приведены на рис.
5.5 (λ
=
10,6 мкм).
Таблица 5.1
Рисунок 5.5 –
Зависимость коэффициента поглощения
учения от температуры Т
для некоторых
металлов при λ
= 10,6 мкм
Фундаментальное и примесное поглощение света
Фундаментальное поглощение определяется поглощением энергии фотона электронами, находящимися в валентной зоне, т.е. связанными с атомами вещества. При поглощении фотона атом ионизуется, а электрон переходит из валентной зоны Ev в зону проводимости Ес (ΔEg = Ес - Ev). Такой процесс характерен для собственных полупроводников и диэлектриков, а поглощение происходит при условии hv >ΔEg и приводит к генерации пары носителей заряда – электрона и дырки.
П
ереведенные
из валентной зоны в зону проводимости
электроны не являются равновесными и
за время 10-10
– 10-9
с они релаксируют через промежуточные
уровни на дно зоны проводимости.
Разница энергий Евозб
- Ес
передается
решетке. Со дна зоны
проводимости электрон в результате
рекомбинации переходит опять в валентную
зону излучательным (люминесценция) или
безызлучательным образом. В последнем
случае энергия выделяется в виде кванта
колебаний кристаллической решетки –
фонона (рис. 5.6, а).
Рисунок 5.6 – Схемы
возможных механизмов фундаментального
поглощения лазерного излучения
полупроводниковыми материалами:
а - с безызлучательной рекомбинацией;
б - с излучательной рекомбинацией
Возможные каналы поглощения фотонов с последующим процессом излучательной рекомбинации показаны на рис. 5.6, б, где v' и v" – частоты рекомбинационного излучения.
Граница собственного поглощения зависит от ширины запрещенной зоны и для прямых переходов определяется как
,
(5.11)
где λгр в микрометрах, ΔEg в электронвольтах
Воздействие интенсивного лазерного излучения на полупроводник вызывает образование значительного количества неравновесных свободных носителей (обычно концентрация равновесных электронов и дырок составляет в собственном полупроводнике величину порядка 1020 см-3), что приводит к включению рассмотренного выше механизма поглощения свободными носителями заряда.
М
Рисунок 5.7 – Схема
примесного поглощения лазерного
излучения
полупроводником n-типа
Решеточное поглощение излучения
Этот вид поглощения реализуется при hv < ΔEg и связан с возбуждением колебаний решетки твердого тела. Решеточное поглощение возможно только в сложных кристаллах, т.е. в тех, у которых в одной элементарной ячейке содержится несколько атомов.
Этот механизм поглощения в основном реализуется в кристаллических диэлектриках, у которых ΔEg > 8 эВ (λгр < 0,15 мкм). Для большинства материалов спектр решеточного поглощения определяется диапазоном λ = 20 – 80 мкм. Выпускаемые серийные лазеры, как уже отмечалось, генерируют излучение в диапазоне 0,3 – 10,6 мкм, куда попадает полоса поглощения лишь некоторых аморфных диэлектриков, например, силикатных стекол.
Обработку кристаллических и аморфных диэлектриков обычно производят лазерным излучением, прозрачным для данного материала (под прозрачностью понимают отсутствие поглощения). При этом понятие прозрачности корректно для интенсивностей, при которых не изменяются оптические, теплофизические и упругие параметры материала.
Начиная с некоторой интенсивности излучения, определяемой целым рядом факторов, наблюдаются повреждения и разогрев материала прозрачных диэлектриков. Среди основных причин, приводящих к этому, можно выделить следующие:
загрязнение поверхности, наличие химических радикалов на ней;
поглощение на примесях и дефектах в объеме материала.
