Въздействието на лазерното лъчение върху материалите
Ефектът на лазерното лъчение върху материалите
Съдържание
Абсорбция, отражение и разсейване на лазерно лъчение от материали
Естеството и ефективността на въздействието на електромагнитните вълни на лазерното лъчение върху веществото се определя от плътността на енергийния поток (плътността на мощността или интензитета) на електромагнитното поле.
Във всеки случай на лазерно топлинно въздействие върху материалите, важна е не само силата на лазерното лъчение, но и мощността, погълната от материала и използвана за получаване на полезен резултат. Капацитетът на поглъщане под една или друга форма се проявява във всички лазерни технологични процеси.
На първия етап от топлинното въздействие на лазерното лъчение върху материала, фазовото състояние на твърдото тяло няма време да се промени. Основните явления в този случай са отразяването и поглъщането на радиация от повърхността, повърхностното нагряване, разпространението на топлина в дълбочината на средата поради топлопроводимостта, фиг. 1.
Процесът на взаимодействие на светлината с повърхността на твърдо непрозрачно тяло се осъществява по следния начин: падаща върху повърхността светлинна вълна взаимодейства с електрони, възбуждайки техните трептения. Принудените трептения на електрони водят до появата на отразена вълна. Ако електроните в твърдото тяло са напълно свободни, тогава радиациятасе отразява напълно, няма поглъщане. Ако електроните са частично свързани, тогава част от енергията на падащата вълна се прехвърля към твърдото вещество, което го кара да се нагрява. Целият процес на взаимодействие на светлината с електроните обикновено се играе в тънък повърхностен слой, така че често може да се говори за взаимодействие на светлината с повърхността на твърдо тяло. Термофизичните коефициенти, които са функции на температурата, обикновено се считат за постоянни в инженерните изчисления иизползвайте средните им стойности.
В редица случаи качеството на повърхностната обработка е от голямо значение (например за метали). Макроскопично грапава повърхност е голям брой микроскопични области, ориентирани под различни ъгли спрямо посоката на падане на светлинната вълна и следователно характеризиращи се с различни стойности на коефициента на отражение; в този случай светлината се разсейва от повърхността. Зависимостта на коефициента на отражение от ъгъла на падане и неговата стойност са различни за добре полирани и грапави повърхности.
Газова среда
За разредени газове и метални пари може да се пренебрегне влиянието на съседните атоми в акта на поглъщане на радиация. Основният резултат от взаимодействието на радиация с "изолиран" атом е преходът на електрона във възбудено състояние, към орбита, по-отдалечена от ядрото. В молекулите, в резултат на взаимодействие с радиация, вибрационни и ротационни степени на свобода, вибрационни и ротационни нива също могат да бъдат възбудени. Спектърът на поглъщане на изолирани атоми (например в случай на разредени газове) има формата на тесни линии, съответстващи на честотите на естествените вибрации на електроните вътре в атомите. Абсорбционният спектър на молекулите, определен от вибрациите на атомите в тях, се състои от много по-широки области с дължина на вълната, така наречените абсорбционни ленти, и варира от десети от nm до стотици nm. Сблъсъците на атоми и молекули един с друг играят решаваща роля в по-нататъшната съдба на енергията, съхранявана във възбудени състояния. С различни вероятности енергията на възбуждане може да бъде прехвърлена от една частица към друга, освободена под формата на квант светлина с връщане на частицата в невъзбудено състояние или прехвърлена към енергията на транслационното движение, т.е. директно къмотопление на газ.
Металът е триизмерна решетка от положителни йони, която е потопена в газ от електрони на проводимост, свързани към йонната решетка чрез силите на електростатично привличане.
Във видимия и инфрачервения честотен диапазон цялото лъчение, което не е отразено от метала, се абсорбира от него в много тънък повърхностен скин слой (дебелина 10 -5 . 10 -6 cm) върху проводящи електрони. Това ни позволява да опростим описанието и да разгледаме само два процеса: отражение и абсорбция, пренебрегвайки процеса на разпространение на радиацията в метала.
При течни и твърди тела поведението на електроните, които определят оптичните свойства на атома, се променя драстично под действието на полетата на съседните атоми. Абсорбцията на твърди вещества се характеризира като правило с много широки области (стотици и хиляди nm); Качествено това се обяснява с факта, че в кондензираната среда силното взаимодействие между частиците води до бързо предаване на енергията, отделена от светлината на една от тях, към целия колектив от частици.
Погълнатата енергия се разпространява в веществото поради различни механизми на топлопроводимост. За металите основната е електронната топлопроводимост.
Ако коефициентът на поглъщане на веществата зависи от дължината на вълната на светлината, те говорят за спектъра на поглъщане на веществото. Фигура 2 показва коефициентите на поглъщане на някои метали в зависимост от дължината на вълната на излъчване. Отделят се дължините на вълните на Nd:YAG и CO2 лазерите, които най-често се използват в термичните видове лазерна техника.
Когато лазерното лъчение пада под наклон върху повърхността, отражението зависи от поляризацията, фиг.3. Коефициентът на отразяване на Rp компонента, лежащ в равнината на падане на лъча, и Rs компонент, перпендикулярен на равнината на падане на лъча, обикновено са различни. Товаозначава, че отразяващата способност на поляризираното лазерно лъчение зависи от ориентацията на поляризационния вектор спрямо металната повърхност и от оптичните свойства на нейната повърхност.
Например зависимостта на отразяващата способност на медта (при T = 0°C и 1000°C) при дължина на вълната λ = 10,6 μm за два компонента Rs и Rp е показана на фиг.4. Това е така нареченият закон на Френел. Може да се види, че стойността на Rs е голяма при всички ъгли на падане. В същото време стойността на Rp достига минимум при ъгъл, близък до (но не равен на) 90°, който се нарича ъгъл на Брустър. От това следва, че от гледна точка на поглъщане на радиация от повърхността, ефектът от радиацията е оптимален, когато векторът на електрическото поле лежи в равнината на падане (Rp-отражение).
полупроводници
За полупроводниците и диелектриците основната е фононната топлопроводимост. Полупроводниците имат ниска концентрация на свободни електрони и ако енергията на светлинния квант е по-малка от забранената зона (hλ E), тогава поради вътрешния фотоелектричен ефект електроните от валентната лента преминават в проводимата зона.При достатъчно висок интензитет на излъчване броят на свободните електрони се увеличава значително, значително увеличавайки частта от светлинната енергия, абсорбирана от електронния газ и прехвърлена към решетката за време от 10 -10 -10 -11 s.
Диелектрици
Поглъщането на светлина от диелектриците се дължи на наличието на вибрационни степени на свобода на кристалната решетка, молекули и атоми, междумолекулни вибрации, съществуващи примеси, структурни дефекти и др. Коефициентът на поглъщане зависи от дължината на вълната на лъчението и обикновено е от голямо значение както в ултравиолетовото (UV), така и в инфрачервеното (IR) лъчение; в междинната спектрална област диелектриците могат да бъдатчастично или напълно прозрачни.
При дължина на вълната на излъчване на CO2 лазери (λ = 10,6 μm) повечето диелектрици имат висок коефициент на поглъщане и радиацията се абсорбира в повърхностен слой с дебелина няколко микрона, което в повечето случаи, точно както при металите, ни позволява да разглеждаме източника на топлина като повърхност. Има доста ограничен брой вещества, които са прозрачни за λ = 10,6 µm; тези вещества се използват за производството на оптични инфрачервени елементи. Някои диелектрици поглъщат инфрачервеното лъчение на CO2 лазер в достатъчно дебели слоеве (от части от милиметър или повече) и за тях лазерният топлинен източник трябва да се разглежда като обемен източник.
Нагряване на материали чрез лазерно лъчение
Временни режими на лазерно излагане
Различни видове лазерна технология използват лазери с различни времеви характеристики: непрекъснати, импулсни и повтарящи се импулси. Във всеки случай обаче времето на облъчване на произволна точка от повърхността е крайно и в този смисъл въздействието винаги е импулсивно. Ако обработката се извършва от движещ се непрекъснат лазерен лъч, тогава характерното време на излагане на радиация върху повърхностна точка е tv = d/v, тук d е диаметърът на петното за фокусиране на радиацията върху повърхността, v е скоростта на лъча. При използване на импулсен лазер, ако продължителността на импулса е τp 2 /χ. Приблизително през това време топлината, дължаща се на топлопроводимост, ще се разпространи на разстояние от порядъка на диаметъра на петното, източникът на топлина се трансформира от плосък в „точков” в непрекъснат режим на излъчване. Стабилизира се разсейването на топлината и температурата в засегнатата зона. Скоростта на отделяне на топлина в петното на облъчване става равна на скоростта на входяща топлина; общият топлинен поток е пропорционален на интензитета на лазерното лъчение и коефициента на поглъщане.Ако топлинният поток достигне определена "критична" стойност, пропорционална на температурата на фазовия преход на материалите, този преход се извършва съответно. И така, в стомана, с характерен радиус на петна от 10 -2 cm, топенето се извършва при интензитет на абсорбираното лазерно лъчение от около 2-10 5 W / cm 2 и кипене при интензитет
4•10 5 W/cm 2 . В последния случай налягането на металните пари започва да надвишава атмосферното налягане и под петното на облъчване се образува дълбока кухина - парогазов канал. Сравнявайки сега няколко характерни времена на топлоотдаване и разпространение на топлина: tv, τp, ts, T, можем да различим няколко качествено различни топлинни режима на повърхностно нагряване. Ако паузата между импулсите е дълга T- τp >> ts, тогава ще се наблюдава почти пълно охлаждане между импулсите. В обратния случай температурата ще се натрупва от импулс на импулс, тоест се наблюдава някакъв колективен ефект. По отношение на последствията подобно действие се доближава до случая на използване на непрекъснат лазер.
Таблица 1 показва топлофизичните параметри на някои метали и полупроводници.