К.В. Фролов - Технологии, оборудование и системы (1062200), страница 55
Текст из файла (страница 55)
В неоднородно нагретом вещеспю возникает течение жидкости, паров, плазмы и окружающего пза. Перемещение вещества, в свою ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ЛАЗЕРОВ 153 очередь, оказывает существенное влияние на распространение лазерного излучения, изменяя фокусировку и условия поглощения и отражения излучения. В озиикшот сложные многофазные гидро- и шзодинамические течения, согласованные с распространением лазерного излучения в сильно поглощающей и преломляющей оптически нелинейной среде.
Соответствующий выбор длины волны излучения, интенсивности, времени воздейсппш, вида и давления окружающей атмооферы позволяет осуществлять различные технологические процессы, ряд которых невозможен без применения лазеров. Лазерное излучение характеризуется рядом уникальных свойств.
К их числу относятся большая иитенсивнооп (плотность потока) шсектромагнитной энергии, высокая монохроматичносп, значительная степень временной я пространственной когерентности. В отличие ст других источников электр оматнитной энергии лазерное излучение ойпшает очень узкой направленностью или малой расходимостью луча, Затухание плотности светового потока в конденсированных средах происходит в соствегчтвии с законом Бутера-Ламберта х д = доАехр~ — ( а(х)с(х, (2.5.1) где с) и Ио - плотность потока излучения соотвежтвенно на глубине х от поверхности и на поверхности облучаемото тела; А - доля попощеннопг потока; и — коэффициент попющения света. Для случая изотропной и однородной поглощающей среды выравсение (2.5.1) приводятся к вигсу д = А дсехр(-ах). Для металлических материалов поглощение лазерного излучения описывается моделью свободных электронов.
Согласно этой модели падающий на поверхность металла световой исток практически полносп ю поглощается свободными электронамл в тонком слое толшиной ос = и 1 = 10 з ... 10 с см. В дальнейшем происходит электрон-электронная релаксация с характерной частотой ч . Вместе с тем вследствие электрон-фононного взаимодействия с частотой ч, происходит передача энергии от элексронного газа решетке. В результате энерпся фононното газа или тепловых колебаяяй решепся возрастает. Если частота фононфононното взаимодействия ч р больше частоты элексрон-фононной релаксации ч, то энергетическая функция распределения фо- нонносо газа остается равновесной.
Для обшей оценки процессов лазерного воздействия на материалы проводят оценку для частот взаимодействия чад че„ч, чрр. Частоту столкновений электронов с фононами можно оценить с помощью соотношения че/= аде / (Ьчп'), (2 5.2) тде л' - концентрация поглощаемых элексронов. Поокольку для лазерного излучения видимого диапазона в блниней инфракрасной области выполняется условие /гч » аТс (Ь— постоянная Планка; ч — частота; ус — постоянная Бопьцмана; Т, - температура электрона), то в поглощении участвуют лишь электроны с Е = )гч вблизи уровня Ферми. Тогда п = — л, тде л = 51022 см-г - число элекгронов проводимости в единице обьема нормальных металлов; Е/- уровень Ферми.
Проводя, например, оценку для излучения лазера на итсрийалюминиевом гранате (вторая гармоника) и принимая и = 10а см-', в соответствии с формулой (2.5.2) получаем чу = (1 5 3 0)10200 Поскольку в перераспределении знертии в электронном тазе участвуют лишь электроны с кинетичеокими энерпшми в области тепловой размьпости функции распределения Ферми, то частота межэлектронных спикновений оценивается по формуле Резерфорда юш соответствующей концентрации заряженных частиц ч„=ч/пм п()сТс / Е/)2, где ч/ — скорость электрона на поверхности Ферми; пс, — резерфордовское сечение взанмодейспия для рассеяния электронов на электронах; )сТе - область размытости функции Ферми. Принимая для начальной и конечной электронных температур значения соответственно 300 К и 3000 К, получаем чы = (10г'...
10гз)с 1. Частота элексрон-фононной релаксации может быль выражена через коэффициент теплообмена между электронами и фононами и: и х п усу 2 чар угС; 15 усс;с(очи 154 Глана 221 РЕНТГЕНОВСКИЕ И ОПТИЧЕСКИЕ ЛУЧИ В ЭЛЕКТРОННОМ МАШИНОСТРОЕНИИ где у~ — плотность материала; сг - теплоем- кость; а~о — постоянная решетки; у, - скорость звука в металле. Подстановка числовых значе- ний дает оценку У~ = (10п ... 1052)с 1. Оценку частоты энергии фононного газа можно вьшолнить по формуле у = 1<Г2ТР / (йупуз), где Г - параметр Грюнайзена, определяющий коэффициент температурного расширения решетки; Тр - температура решетки; ш~ — масса иона.
При начальной и конечной температуре решетки 300 К и 3000 К получаем у = (1015 ... 1014)с'1. соответствующие времена передачи энергии обратны частотам процессов. В отличие от металлов в энергетическом спектре полупроводников и диэлектриков существует запрещенная зона Ед, не содержа- щая энеритических уровней.
Поэтому важным фактором является соотношение между энер- гией кванта угс и шириной запрещенной зоны Ед. В зависимости от этого соотношения лля полулроводниковых материалов выделюот следующие типы механюмов поглощения: а) металлический (лУ < Ед, Е~ К /<Т, где Е~— энергия примесных уровней; Т - температура материала, который характерен ди легирован- ных полупроводников, когда в зоне проводи- мости имеется большая концентрация свобод- ных носителей л, и ехЯ-Е~ / (ЙТ)); б) при- месный (/го < Ед, /го > 4 > ьУ), который характерен двя примесных полупроводников, когда энергия кванта авета меньше ширины запрещенной зоны, но превосходит энергию донорных или акцепторных уровней; в) инду- цированный металлический (лу > Еа), кото- Рый хаРактерен для поглощения в йолупро- водниках квантов видимого диапазона частот и существенен, когда вероятности процессов безизлучательной рекомбинации малы, а по- 5пощение происходит на неравновесных сво- бодных ноаитиих, генерируемых этим же из- лучением; г) полупроводниковый ()гу > Ед), который характерен для собственных (чистых) полупроводников и наблюдается при относи- тельно невысоких уровнях плотности потока излучения и в дальнейшем переходящий в индуцированный металлический тнп поглоще- ния; д) днэяекгрический ()го « Ед), когда поглощение проиаходит при непосредствен- ном взаимодействии излучения с решений (оптической ветвью фононного спектра).
При мощных коротких импульсах лазер- ного излучения на полупроводники за времена т «т, концентрация свободных электронов повышается до 1ОЮ ... 1025 и полупроводник по оптическим свой атвам приближается к металлу. Начальный коэффициент поглощения излучения в полупроводниках варьируется в диапазоне от 105 до 104 ам 1. Перенос энергии от поверхностного слоя, попютившего излучение, к объему материала как в алуив металлов, так и полупроводников определяется процессами теплопроводности. Поскольку учет всех параметров и особенностей сло:кных процессов взаимодействия лазерного излучения а веществом практически невозможен, при их анализе часто используют понятия "критическая интенсивность" или "критическая плотность потока". Эти термины в определенной степени условны, так как связаны а понятием разрушения вещеспю, также имеющим условный характер.
В лазерной обработке (технологии) под началом разрушения чаще всего подразумевают плавление поверхности, хотя необратимые изменения большинства материалов происходвт и при нагреве ниже температуры плавления. Использование коротких и мощных импульсов лазерного излучения ди модификации материалов достаточно перспективно ввиду реализации аномально высоких скоростей нагрева и остывания материала, поглотившего излучение. Используя критические плотности потока дс() = (1 = 1...4), можно классифицировать технологические процессм и рассматривать их последовательно при переходе от одной критической плотности потока к другой Обычно принимают: критическая плотность потока, необходимая для достижения к концу импульса излучения на поверхности тела температуры плав- (1) чк ТпвХ 2 Аз(атв критичеакая плотность потока„соответствующая достьпкению температуры кипения (без учета фазового перехода), (2) '- и Тхяв) критическая плотность потока, вылив которой процессы испарения преобладюот над переносом теплоты в конденсированную среду (режим "чистого" испарения), ( )н критическая плотность потока, вьппе которой в глубь материала раапространяеюя ударная волна, а ная поверхностью образуется плазменный факел, ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ЛАЗЕРОВ 155 Вт( а (4) () ~~)т 10 В этих формулах () 0,88 - коэффициент; Т„з и Т вЂ” температура соответственно плавления и кипения; Й - теплота испарения облучаемого вещества; Х - теплопроводность; а — температуропроводность; т„- двительнооп, лазерного импульса.
Численные оценки д . — дс юи ряда материалов при А = 1 представлены в табл. 2.5.б, для двух характерных длительностей лазерного воздействия т„= 10-з с (режим модулированной добротности — "гишнтскнй импульс" ) и ти = 10-1 с (режим свободной генерации). В определенной степени эти оценки пригодны и ди технологических операций (или воздействий с применением непрерывною излучения), если под временем т цодразумевают длительность не импульса, а нрохохдеиие луча через данную точку, определяемое скоростью движения луча.
При нагреве ниже температуры плавления возможны структурные превращения в полупроводниковых материалах (опкиг) или твердофазные превращения. Плввгение тонкого поверхностного слоя дает возможность получать покрытия, выполюць поверхностную очистку и легирование, создавать металлические пленки и проводить химико-термические процессы, приводящие к синтезу новых веществ на поверхности. Если плотность потока излучения превышает дс( ), то в газовой среде вблизи поверхности тел возможна реализация лазерно- плазменной обработки (разлохение веществ, синтез соединений, упрочнение материалов, окисление, восстановление). При а > а, и (4) дпгюльности импульсов, равной десяткам наносекунд, возможно утгрочнение поверхностного слоя толщиной в единицы и доли микрометров под действием ударной волньь обусловленное генерацией структурных дефектов (дислокаций, смещенных атомов и т.д.).
Плотность потока излучения а и время воздействия т„определяют вил технологического процесса. Например, при плотности потока, обеспечивающей расплавление поверхности, достаточно малое время воздействия приводит к быстрому охлаждению поверхностных слоев, что позволяет получать металлические стевла или поверхности с аморфной структурой. Чередование областей сжатия и растяжения в ударной волне создает структуры р-и-переходов в полупроводниковых материалах н т.д. Рае. 2.5.8. дяаграааа, хараазьчвзуаввая вгэвиесы врв ээямяеивэ вазераеге вэаугеавэ: 1 - воэввкнсаенне ударных волн, газо- н ЩЛРодвнпичеаксе Лвкяеиэе Обвученною вещества, плазменная обработка в травление; 2- испарение в травление; У - глубокое прсплавлевле сбвучаемою вещества; 4- Реструатууиреванве материала, 5- всэученве аыор4ээы структур Наряду с созданием необходимых плотностей потока для проведения того или иного технологичеокого процесса требуется обеспечить также соответствующий энерговклад (или необходимую плотносп энергии).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
