Лекция 11

Раздел 5 Взаимодействие лазерного излучения технологической интенсивности с веществом

Использование лазерного излучения видимого и инфракрасного (ИК) диапазонов уже заняло достойное место среди самых эффективных и перспективных на сегодня технологий. Уникальные свойства лазерного излучения позволяют осуществлять рекордные скорости энерговклада в обрабатываемый материал, осуществлять очень тонкую локальную обработку, создавать сверхвысокие давления в поверхностной области материала и еще многое другое, представляющее интерес с точки зрения технологического воздействия на вещество.

При этом управление процессами воздействия (автоматизация технологического процесса) осуществляется более простыми средствами, чем, например, при использовании ионных или электронных пучков.

Многие новейшие технологии основываются на существенном повышении скоростей нагрева, охлаждения и деформации, что приводит к концентрации дефектов в обрабатываемом материале или их перераспределению, а это в свою очередь может значительно изменить (улучшить) свойства материала. Использование лазерного излучения для решения таких технологических задач во многих случаях наиболее эффективно, если не единственно возможно.

Так скорости локального нагрева и охлаждения металлов при лазерной обработке необычно высоки и могут достигать миллиона градусов в секунду. В то же время локальность взаимодействия луча и металла означает, что после прохождения луча практически мгновенно нагретый участок оказывается в окружении холодного металла, который интенсивно отводит тепло, обеспечивая почти столь же быстрое охлаждение. Скорость охлаждения за счет теплоотвода составляет сотни тысяч градусов в секунду, т.е. закалка осуществляется в условиях охлаждения, во много раз превосходящего по скорости обычное – в воде или в других закалочных средах. Тонкий поверхностный слой практически мгновенно нагревается и столь же мгновенно охлаждается – в этом специфика лазерной обработки, которая может привести к возникновению особых, характерных именно для данной обработки структур.

Взаимодействие лазерного излучения с веществом и соответствующие технологические процессы в существенной мере зависят от параметров самого лазерного излучения и режимов его воздействия на материалы.

5.1 Режимы лазерного воздействия и основные параметры лазерного излучения

В зависимости от временнóй структуры лазерного излучения режим его воздействия на материалы обычно разделяют на непрерывный, импульсный и импульсно-периодический.

С точки зрения технологического применения лазеров к основным параметрам лазерного излучения относятся:

• средняя мощность Р_ср (непрерывный режим);

• энергия лазерного импульса Е_имп (импульсный режим);

• длительность лазерного импульса τ;

• длина волны λ ;

• расходимость γ;

• частота повторения импульсов f (импульсно-периодический режим).

Важными характеристиками лазерной технологической установки являются ее КПД, габаритные размеры, степень безопасности ее эксплуатации.

Важнейшим параметром, характеризующим взаимодействие излучения с веществом, является плотность мощности лазерного излучения на поверхности материала: (или плотность потока фотонов ), где S – площадь области облучения поверхности. Для круговой области фокусировки при использовании объектива с фокусным расстоянием F для S можно использовать выражение

. (5.1)

Эффекты воздействия лазерного излучения на обрабатываемый образец очевидно определяются и характеристиками самого материала образца такими, как плотность вещества ρ, электропроводность σ_эл, теплоемкость с, коэффициент теплопроводности К, диэлектрическая проницаемость ε, ширина запрещенной зоны полупроводников и диэлектриков ΔE_g и рядом других электро- и теплофизических параметров. Кроме того, многие из перечисленных параметров заметным образом зависят от температуры материала, длины волны излучения и некоторых других величин, что требует предварительного учета при подготовке и проведении того или иного технологического процесса.

Немаловажными являются и параметры среды (давление, химический состав и др.), в которой находится образец, подвергаемый воздействию лазерным излучением.

Все это в совокупности обычно чрезвычайно затрудняет аналитическое описание процессов взаимодействия лазерного излучения с обрабатываемым объектом и соответствующие численные расчеты.

При рассмотрении взаимодействия лазерного излучения с веществом часто используется понятие критической плотности мощности (критической интенсивности) q_кp. Принято использовать следующие градации критической интенсивности :

• q_кp⁽¹⁾ – интенсивность, соответствующая началу плавления материала. При q < q_кp⁽¹⁾ происходит лишь разогрев вещества без его разрушения или фазового перехода. Для большинства материалов q_кp⁽¹⁾ ~10⁴ –10⁵ Вт/см².

• q_кp⁽²⁾ – интенсивность, соответствующая заметному испарению вещества. Обычно q_кp⁽²⁾ ~ n ^. 10⁶ Вт/см². При значениях q, незначительно превышающих q_кp⁽²⁾, испарение начинается лишь к концу импульса излучения. С ростом q уменьшается доля времени, затрачиваемая на разогрев до температуры, соответствующей интенсивному испарению.

• Начиная с некоторого значения интенсивности процесс испарения уже преобладает над переносом тепла в глубь образца. Эта интенсивность соответствует значению q_кp⁽³⁾ . По порядку величины для многих материалов q_кp⁽³⁾ ~10⁸ Вт/см².

• С увеличением интенсивности (q > q_кp⁽³⁾) внутренняя энергия пара вещества начинает превышать теплоту испарения. Возрастание температуры пара приводит к его ионизации, а в глубь образца начинает распространяться ударная волна. В сочетании с быстрым ростом коэффициента поглощения излучения испаренной массой эти процессы приводят к эффективному плазмообразованию. Соответствующая такому плазмообразованию интенсивность излучения определяет значение q_кp⁽⁴⁾ . При q > q_кp⁽⁴⁾ ~10⁹ Вт/см основную роль играют процессы поглощения излучения плазмой и газодинамическое движение лазерно-плазменного сгустка.

Следует отметить, что достижение значений плотности мощности q >10⁷ Вт/см² с использованием лазерных технологических установок требует, как правило, применения импульсного (импульсно-периодического) режима работы с длительностью импульса τ < 10^-6с.

Х

Рисунок 5.1 –  Характерные области реализации основных процессов,

протекающих при взаимодействии лазерного излучения с веществом

(диагональные пунктирные линии - линии постоянной плотности энергии, Дж/см²)

арактеристика процесса взаимодействия с использованием лишь одного параметра q (хотя и важного) является очень общей и достаточно условной. Привлечение для описания процесса большего числа параметров, очевидно, делает его более определенным и корректным. Рис. 5.1, в частности, иллюстрирует области реализации рассмотренных выше основных процессов в координатах q и τ.