Промышленное применение лазеров

тельной мере отражают падающее излучение, а для инфракрасной области коэффициент отражения превышает 90 %.

С уменьшением длины волны лазерного излучения величина коэффициента отражения снижается практически для всех металлов. Таким образом, излучение с меньшей длиной волны лучше поглоща­ ется. Например, коэффициент отражения для большинства металлов составляет 98+94 % для к =10,6 мкм (ССЬ-л&зер), 96+70 % для к =1,06 мкм (стекло с Nd, алюмо-иттриевый гранат, Nd-лазеры) и 90+60 % для к = 0,69 мкм (рубиновый лазер). Как видно из приве­ денного примера, поглощающая способность металлов невелика. Для ее повышения пользуются различными методами.

3.2. Поглощение и нагрев материала

Эффективность использования энергии лазерного излучения при обработке материалов непосредственно зависит от их поглоща­ тельной способности А.

Энергия лазерного излучения, поглощаясь в исследуемой среде, немедленно преобразуется в тепловую. При этом вследствие очень короткого времени материал можно рассматривать в виде кристал­ лической решетки, погруженной в «электронный» газ свободных но­ сителей заряда. Падающее на поверхность вещества лазерное излу­ чение за вычетом отраженной части практически полностью погло­ щается электронами кристаллической решетки в поверхностном слое толщиной 0,1+2 мкм, соответствующей глубине проникновения све­ та в материал (речь идет о металлах). Поверхностный слой, погло­ тивший излучение, становится мощным тепловым источником.

Поглощательная способность материала может быть сущест­ венно повышена путем специальной обработки его поверхности:

- нормированным повышением исходной шероховатости - с ее увеличением (уменьшением «зеркальности») поглощающая способ­ ность увеличивается;

-нанесением специальных поглощающих покрытий;

-предварительным облучением лазерным лучом и г.п.

Для неметаллических материалов характерна очень высокая по­ глощательная способность и, в частности, для излучения в инфракрасной области спектра. Повысить поглощающую способность вещества можно также путем нанесения на его поверхность специальных поглощающих покрытий. Эти покрытия могут быть: химические, например сульфатные или фосфатные; углеродистые в виде сажи или коллоидных растворов графита; лакокрасочные (следует иметь в виду, что поглощающая спо­ собность не зависит от цвета краски и способа ее нанесения); металличе­ ские (наносят напылением порошков или гальваническим методом); твердопленочныебумага или полиэтилен (наклеивают на поверх­ ность). Эти покрытия позволяют снизить коэффициент отражения в не­ сколько раз (а в некоторых случаях и в несколько десятков раз).

Замечено, что при повышении температуры облучаемой по­ верхности металлов коэффициент отражения снижается. С ростом температуры поглощательная способность растет соответственно уменьшению проводимости. При плавлении большинства металлов их электропроводность скачком уменьшается в несколько раз, что вызывает скачок в поглощении. При температуре поверхности веще­ ства, большей температуры его плавления, энергия воздействующего на материал лазерного излучения поглошается практически полно­ стью. Поэтому выгодно непосредственно перед основной обработкой привести вещество в «поглощающее» состояние воздействием на не­ го поджигающего импульса. Поджигающий (стартовый) импульс должен обладать следующими характеристиками: время нараста­ ния < 10 с; плотность мощности излучения >10 Вт/см2; длительность импульса < 10 с. Дальнейшую обработку можно производить и при меньшей плотности мощности излучения.

Существуют определенные количественные соотношения меж­ ду плотностью мощности, поглощательной способностью А (в кото­ рой учитываются состояние поверхности материала - степень меха­ нической и других видов обработки, оптические характеристики) и предельной температурой в зоне воздействия лазерного пучка. Ко­ эффициент А позволяет учесть тот факт, что на поверхности обраба­ тываемого тела действует в зависимости от плотности мощности из­ лучения и оптических свойств вещества точечный или распредели­

тельный источник тепла плотностью мощности q(r} 1). В большин­ стве практически важных случаях можно предположить, что

q(r9 1) = Aq ( x ) q ( r ) ,

где А - поглощательная способность, q(r) - пространственное рас­ пределение плотности потока излучения. При нагреве материалов без разрушения (закалка, термообработка, сварка) скорость лазерного

dT

разогрева материала очень велика -^ -«10|ОК/с. При этом характер-

dT

но, что процессы теплопроводности от параметра — пратсгически dt

не зависят в том смысле, что им сопутствуют одни и те же физиче­ ские явления: установление температурного поля, термо- и химические реакции, термоэлектронная эмиссия и т.д.

Поглощение света электронами повышает их энергию. Часть по­ глощенной энергии электроны передают при столкновении другим электронам, ионам решетки и дефектам кристаллической решетки (дис­ локациям, границам зерен, т.д.). При этом эффективность столкновений, величина которой, соответственно, и определяет разогрев металла, бу­ дет зависеть от частиц, между которыми происходит обмен энергией-

Энергия поглощенных световых фотонов передается электрон­ ному газу в результате тройных столкновений электрона, фотона и, например, дефекта решетки. При этом vee> v«,, > vep, где vee- частота столкновений электрон-электрон, vep- частота столкновений элек­ тронов с примесями и дефектами в металле, vei - частота столкнове­ ний электронов с фононами, которые рождаются в металле при дви­ жении свободных электронов, скорость которых выше скорости зву­ ка в металле. Фононы представляют собой акустические волны, которые и передают энергию электронов решетке.

Поглощенная поверхностным слоем энергия передается дру­ гим, более холодным слоям вещества за счет теплопроводности. Пе­ реносчики теплаэлектроны. Именно они, двигаясь с большими скоростями, передают (термализуют) энергию в глубь материала. Глубина проникновения теплового потока 8 при этом пропорцио­

При описании лазерного нагрева материала необходимо учиты­ вать два обстоятельства:

1. Вследствие проникновения световой волны в глубь среды оптические тепловые источники являются объемными, т.е. распреде­ ленными в объеме среды, а не локализованными на поверхности ма­ териала.

2. Выделение оптической энергии происходит неоднородно по объему взаимодействия вследствие уменьшения интенсивности ла­ зерного пучка по мере проникновения в глубь материала.

Последнее обстоятельство приводит к неоднородному нагреву вещества и, как следствие, вызывает интенсивные процессы тепло- и массопереноса между различными участками среды.

3.3. Плавление и испарение материала

При подводе к твердому телу посредством облучения его ла­ зерным излучением достаточного количества тепла температура ма­ териала может возрасти до температуры плавления Гп. Плавление твердого тела и переход его в жидкое состояние представляет собой нарушение дальних связей в решетке и происходит при такой темпе­ ратуре, когда амплитуда тепловых колебаний атомов решетки отно­ сительно положения равновесия достигает величины »0,2^0,3 меж­ атомного расстояния. При плавлении металла наблюдается фазовый переход I рода, что влечет за собой скачок коэффициента теплопро­ водности и поглощательной способности. Таким образом, как только температура поверхности металла достигнет точки плавления, воз­ никает новый режим его нагревания, характеризующийся изменени­ ем оптических и теплофизических свойств среды и дополнительной затратой тепла на плавление.

При достижении в зоне воздействия температуры плавления металл расплавляется и в глубь металла начинает перемещаться фа­ зовая граница жидкость-твердое тело. Очевидно, что скорость пере­ мещения границы, разделяющей твердую и жидкую фазу металла Уи будет сложным образом зависеть от характеристик обрабатываемого материала, пространственно-энергетических характеристик лазерно­

- третья фаза - перемещение зоны расплава и испарения от по­ верхности во все более глубокие области изделия при непрерывном выбросе материала в жидкой и паровой фазах.

Рис. 3.3. Схема лазерного удаления материала: 1 - испаренный материал; 2 - жидкий материал; 3 - нагретая зона за счет теплопроводности

Указанными процессами можно управлять как изменением плотности мощности лазерного потока и временем воздействия его на металлы, так и состоянием поверхности материала, поскольку по­ глощающая способность материала зависит от температуры, состоя­ ния парогазовой плазмы вблизи поверхности и т.д.

Режим нагрева и плавления материала представляет интерес для реализации операций поверхностной лазерной обработки, свар­ ки, маркировки. При этом целесообразно, чтобы плавление происхо­ дило без испарения материала с поверхности.

3.4. О бразо ван и е плазмы

Физическая сущность явления заключается в следующем. При поглощении средой импульсного резонансного излучения, т.е. световой волны с частотой, близкой к частоте перехода между уров­ нями энергии атомов вещества, наступает эффект насыщения, по­ скольку каждый атом вещества в среднем находится одинаковое

время в основном и возбужденном состояниях. По этой причине по­ глощение отсутствует и среда пропускает излучение, падающее на нее практически без потерь.

Получение высокотемпературной плазмы (Т = 108К) возможно при выполнении следующих условий:

а) в области фокуса лазерного пучка должно находиться как можно больше атомов вещества, при этом фокальное пятно лазера должно иметь размеры 30(Н700 мкм;

б) коэффициент поглощения лазерного излучения твердой ми­ шенью должен быть возможно большим, особенно в процессе разо­ грева образовавшейся плазмы котри 80 %;

в) для достижения высоких плотностей энергии необходимо за­ тормозить расширение плазмы, в частности, при помощи сильных магнитных полей.

Приповерхностная плазма может существовать в виде эрозион­ ного факела (ЭФ) продуктов разрушения мишени, в виде оптическо ­ го разряда в парах (ОРП) мишени, в виде оптического разряда в газе (ОРГ), окружающем мишень. Каждый вид плазмы возникает при оп­ ределенных условиях и имеет свои особенности. Различные состоя­ ния плазмы - ЭФ, ОРП, ОРГ - характеризуются возрастающим зна­ чением температуры, но не всегда при лазерном воздействии на ми­ шень обязательна последовательная реализация этих стадий.

Эрозионный факел возникает при достижении поверхностью температуры кипения (возгонки, окисления и т.п.) и представляет собой струю слабоионизированных паров. Температура такой эрози­ онной плазмы близка к температуре кипения (разрушения), а спектр ее излучения состоит в основном из молекулярных полос. ЭФ про­ зрачен для лазерного излучения, если не содержит компонентов с резонасным поглощением на длине волны лазера.

Увеличение плотности мощности излучения до определенного порога вызывает лавинообразный рост поглощения и температуры плазмы - возникает оптический разряд в парах. Этот разряд поджи­ гается и поддерживается за счет поглощения излучения на свобод­

ных электронах, однако может сказаться и резонансное поглощение молекул (для X = 10,6 мкм ими могут быть, например, W03 или SiO).

При достаточно больших интенсивностях оптический разряд может, распространяясь по лазерному лучу, переходить из области паров мишени в окружающий газ. Пороговая интенсивность возник­ новения оптического разряда в газе в присутствии мишени снижает­ ся на 2-КЗ порядка по сравнению с пробоем в чистом газе. Установле­ но существование принципиально различающихся механизмов ОРГ у металлической поверхности: лавинная ионизация электронами, оп­ ределяемая интенсивностью излучения, и тепловой взрыв газа, опре­ деляемый полной мощностью излучения. При интенсивности ~106 Вт/см2 пробой атомарного газа происходит по первому, а моле­ кулярного газа - по второму механизму.

С увеличением плотности мощности излучения в диапазоне плотности мощности излучения q = 109-И012 Вт/м2 наблюдаются взрывной выброс продуктов лазерной эрозии и образование плаз­ менного факела (облака) над обрабатываемой поверхностью, вызы­ вающее частичное экранирование лазерного излучения.

Важной характеристикой лазерного нагрева поверхности мате­ риала является локальность воздействия. При возникновении опти­ ческого разряда проявляется размерный эффект увеличения эффек­ тивной поглощательной способности металлических мишеней с ростом отношения их размера к радиусу пятна облучения. Общий энерговклад в металл и скорость нагрева образца в центре лазерного пучка возрастают после достижения порога ОРП. Плазма ОРГ из-за значительной удаленности от поверхности передает энергию на большую площадь, в результате чего в центре лазерного пучка на металле отрицательное экранирующее действие ОРГ оказывается основным и лишь на периферии сказывается нагрев плазмы.

При соответствующей организации процесса взаимодействия излучения с веществом возможно стационарное существование при­ поверхностной плазмы определенного вида, что может быть исполь­ зовано в лазерной технологии.