3.  ФИЗИЧЕСКИЕ  ПРОЦЕССЫ  ПРИ  ОБРАБОТКЕ                              МАТЕРИАЛОВ  ЛАЗЕРНЫМ  ИЗЛУЧЕНИЕМ

    

     Большинство технологических  операций,  осуществляемых с помощью лазеров, основано на тепловом воздействии света на обрабатываемые материалы.  В этом случае  процесс  взаимодействия лазерного излучения с веществом  условно  можно  разделить  на  следующие  стадии:  поглощение света;  передача  энергии  тепловым  колебаниям  решетки  твердого  тела;  нагревание  материала;  плавление,  разрушение материала  путем  испарения  и  выброса  расплава и  остывание после окончания светового воздействия. Процессы взаимодействия вещества с излучением будут рассмотрены применительно к металлам,  сильнопоглощающим полупроводникам и диэлектрикам,  причем  основное  внимание  будет уделено процессам, существенным при технологическом использовании лазеров.

 

     3.1.  ПОГЛОЩЕНИЕ  ИЗЛУЧЕНИЯ

 

     Интенсивность излучения на глубине  z  поглощаемого слоя  определяется  законом Бугера-Ламберта.  С учетом отражения от поверхности она равна

         I(z) = I(o) × (1-R) exp (-a×z),                                               (3.1)

где  a  и  R - коэффициенты поглощения и отражения,  соответственно; I(o) - интенсивность излучения на поверхности.  Эта формула применима  в  интересующем  нас  диапазоне к различным материалам. Значения величин  a  и   A =  1-R    (поглощающая  способность  материала)   определяется выражениями:

     a  =  4/c0  [ ( p × no × eo2) /mo* ]1/2,                                            (3.2)

     A  =  [ mo* /( p ×no × eo )]1/2 × nc .                                             

     Здесь  eo  и   mo* - заряд и эффективная масса электрона, no - концентрация свободных электронов в металле, сo - скорость света в вакууме, nc - частота столкновений электрона, при  котором происходит изменение импульса.

 

     3.2. ПЕРЕДАЧА  ЭНЕРГИИ

 

     В зависимости от материала механизмы поглощения света и  перехода его в тепло за счет передачи энергии сильно различаются.

     В металлах элементарными  процессами, сопровождающими  акты поглощения  фотонов,  являются  электрон-фотонные   nэ.ф взаимодействия с  частотой   104  - 109 с-1,  электрон-электронные   nэ.э =1014 , электрон-ионные  nэ.и=1011  и  ион-ионные  nи.и=1013с-1. Таким образом, видно, что в начале  разогреваются электроны проводимости (время разогрева tэ =1/nэ.э=10-14 с), при этом   температура решетки практически не меняется.  При значениях  t >  10-11с температуры электронного газа и решетки выравниваются, и с этого момента можно ввести понятие общей температуры металла. Сравнение всех частот показывает, что скорость нагрева металла лимитируется только скоростью ввода энергии излучения  nэф  и потому можно считать,  что механизмы нагрева металла следят за изменением светового потока практически без запаздывания.

     В полупроводниках,  в отличие от металлов,  поглощение света определяется в основном связанными носителями.  Сильно  поглощать излучение на  частоте  n будут лишь те полупроводники,  в которых  hn > Eq  (Eq - ширина запрещенной зоны). При  hn > Eq  валентные электроны будут переходить в зону проводимости в результате внутреннего фотоэффекта.  Не- смотря на процессы  рекомбинации,  через  ~ 10-9 - 10-8 с,  уже при интенсивности  Iи  > 106 Вт/см2,  концентрация свободных носителей достигает величины 1020 - 1021 см-3 и механизмы  передачи энергии становятся такими же,  как  у  металлов.

     В случае  hn <  Еq  поглощение осуществляется  существующими электронами проводимости,  их постепенный разогрев приводит к дополнительной термической ионизации и появлению новых электронов в валентной  зоне,  вызывая самоускоряющийся процесс нагревания решетки. При hn << Еq механизм поглощения решеточный и эффективен лишь в дальней ИК-области  (10-100 мкм).

     В диэлектриках поглощение фотонов обусловлено  лишь переходами из валентной зоны в зону проводимости (если  hn лежит в УФ или в видимой области спектра),  либо переходами между примесными уровнями и зоной проводимости, а также в результате решеточного поглощения (когда hn  лежит в ИК-области).

 

     3.3. НАГРЕВ МАТЕРИАЛОВ

 

     В результате поглощения света и перехода его в тепло начинается нагревание материала путем передачи этой энергии  с  помощью механизмов электронной,  фононной  и  лучевой  теплопроводности.  Размер  прогретой области сначала  определяется  величиной  скин-слоя ( d ),  а затем за счет теплопроводности как функция  (c ×t)1/2,  где  c - теплопроводность;  t - время. Границы дееспособности каждого из механизмов теплопроводности зависят от достигнутой температуры  Т.  При  Т < 100 К существенна фононная теплопроводность  cф ,  при  Т = ( 102 -104 ) K  преобладает электронная теплопроводность   cэ,  при  Т > 104. К  следует учитывать лучис-тую   cл   теплопроводность.  Как правило, при обработке материалов  Т не превышает  Ти  (рис.3.1) и поэтому основной механизм теплопроводности -

это  cэ.

 

 

Рис. 3.1. Схема физических процессов при взаимодействии   лазерного   излучения  с поверхностью  твердого  тела:  а - нагрев; б - плавление; в - испарение поверхности материала; 1- лазерное излучение;  2 - исходная   поверхность;  3 - нагретая  часть; 4 -  расплавленная  часть;  5 -  испаренная часть   материала;  Т - температура;   Тп - температура  плавления; Ти – температура испарения;  z - глубина воздействия света в материале;  t1, t2, t3 - времена облучения  (t3 > t2 > t1).

 

       Основные физические процессы, происходящие в результате лазерного нагрева, схематично представлены на рис.3.1. Лазерное излучение,  падая на  поверхность материала,  частично отражается от нее, а частично проникает во внутрь материала, поглощаясь в нем и нагревая его на глубине z поглощаемого  слоя.

       В зависимости  от  конкретных технологических операций может использоваться простой нагрев,  плавление или испарение (рис.3.1). Однако механизмы распространения тепла в глубь материала в зависимости от конкретной технологической ситуации существенно  различаются.  Так,  для  обработки  материалов используется фокусировка светового пучка до размеров dг ( dг = 10-20 мкм );  а так  как  при  этих значениях  dг << ( c×t)1/2, то становится понятным, что при t = 10-3 с  существенную роль играет отвод тепла в сторону  от места нагрева  ( область нагрева  ~ 100 - 300 мкм ),  что резко замедляет темп нагрева. Тем не менее, используя выражение для установившейся  (стационарной) температуры для сфокусированного пучка размером dг :

        Тс = ( Iо × dг ) / cэ ,                                                                                   (3.3)

где Iо  - интенсивность (плотность) светового потока,  можно сделать некоторые оценки. Из (3.3), а, также принимая во внимание, что глубина  прогретого  слоя   zпр =  10 dг,  можно найти минимальные плотности поглощаемого света   Io  для нагрева этой области скажем до температуры плавления  Т = Т п.  Данные таких оценок приведены в таблице 3.1.

 

                                                                                                Таблица 3.1

     Расчетные данные минимальных интенсивностей  ( Мвт/см2 ), способ-

     ных нагреть некоторые  металлы сфокусированным излучением  dг  до

     температуры плавления Тп

 ________________________________________________________________

     dг, мкм                                                   металл

                -------------------------------------------------------------------------------------

                         Медь    Алюминий   Серебро   Золото     Олово       Железо

-------------------------------------------------------------------------------------------------

          10             4,2            1,6              4,0             3,3           0,15           1,2

          50             0,84          0,31            0,81           0,66         0,03           0,23

          100           0,42          0,16            0,4             0,33         0,015         0,12

 ________________________________________________________________

 

 

     3.4  ПЛАВЛЕНИЕ  И   ИСПАРЕНИЕ

                                                                                                                              

     Оценки критических интенсивностей для трех стадий нагрева: просто нагрева,  плавления и  испарения можно сделать из приведенных  ниже  выражений  (3.4-3.6).  Понятно,  что  для  процесса просто  нагрева интенсивность излучения должна быть меньше критической интенсивности  Iо1,  достаточной для достижения на  поверхности температуры  Т = Тп . Величина  Iо1  описывается выражением

       I о1  =  Ö p / 2 [( Тп  × cэ ) / ( z × tn ) 1/2,                                    (3.4)

где  z -  коэффициент  температуропроводности;  cэ -  коэффициент электронной теплопроводности;  tn - время, достаточное для достижения на поверхности металла процесса плавления. 

          Плавление можно осуществить при интенсивностях, меньших, но близких к интенсивностям, при которых достигается ощутимое  испарение  поверхностных  слоев  материала   Iо2

           I о2 =  Öp /2 [(Tк ×cэ) / ( z ×tk )1/2 ].                                      (3.5)

Здесь   Тk_и   tk   -  параметры,  относящиеся  к процессу  кипения.  Для описания процесса интенсивного испарения  используется выражение

            I о3 = Lи × r (z / tи) 1,2.                                                                     (3.6)

Здесь  Lи - удельная  теплота  испарения,  tи - длительность  импульса,  при котором скорость испарения   uи ~ uТ  (скорости распространения тепла),  r - плотность материала.  Результаты оценок   I о1  ,  I о2   и  I о3  сведены в таблицу 3.2.

 

                                                                                             Таблица  3.2

     Критические интенсивности  лазерного  излучения для ряда металлов

     при длительности  импульса:  10 -3 с (1);  10 -8 с (2).

________________________________________________________________

                      c э,         z,         Тn,      Тk,          Io1,             Io2,              Io3,                                                                          

 материал  Вт/см×К   см2/с      К        К                         Вт/см2                          

-------------------------------------------------------------------------------------------------                                             

   Медь         3,89       1,12      1365   2868     1,1×105       2,7×105        1,4×106    1

                                                                      3,6×107       8,6×107        4,5×108     2

 Алюминий  2,07       0,87       933   2720      4,1×104       1,5×105            8,3×105    1

                                                                      1,3×107       4,8×107             2,6×108    2

 Вольфрам   1,30       0,65      3653   5803     1,5×105          2,5×105            2,4×108     1

                                                                      4,8×107          7,9×107        7,7×108    2

   Хром         0,67       0,22      2176   2915     7,6×104       1,1×105        8,0×105      1

                                                                      2,4×107       3,4×107         2,5×108    2

  Титан         0,15       0,06      1941   3553     3,0×104          5,8×104            3,4×105   1

                                                                      9,4×106        1,8×107            1,1×108   2

-------------------------------------------------------------------------------------------------

 

 

  3.5. ОБЛАСТИ  СУЩЕСТВОВАНИЯ  РАЗЛИЧЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ  ПРОЦЕССОВ  НА  ПЛОСКОСТИ "ИНТЕНСИВНОСТЬ - ДЛИТЕЛЬНОСТЬ ВОЗДЕЙСТВИЯ

 

     Результат действия  импульсного  лазерного излучения зависит от интенсивности и времени воздействия  (длительности  импульса). Поэтому  эффективная реализация каждого технологического процесса возможна лишь для ограниченных интервалов I о  и  tи  (рис.3.2).

     При   Io £  104 - 10 5 Вт/см2    происходит  нагрев материала без  изменения агрегатного состояния вещества.  Эта область термообработок применяется, в частности, для повышения твердости приповерхностных слоев и их износостойкости, для отжига полупроводниковых материалов, улучшающего характеристики, изготавливаемых из них  приборов, для разделения хрупких материалов за счет разрушающих (раскалывающих) напряжений.

     Повышение  I о   до 105 - 106 Вт/см2  приводит к плавлению без выброса материала.  Это область таких технологических приложений, как точечная и шовная сварка, имеющие преимущества перед контактными способами, сварка легко деформируемых материалов в труднодоступных местах и при минимуме теплового воздействия на  соседние  материалы, а также   некоторые  операции  лазерного  легирования.  В последнем случае реализуется высокая  стерильность  процесса модифицирования поверхностных слоев материалов и  в  операциях  полупроводниковой  технологии.

 

 

Рис. 3.2. Области  существования  различных  технологических процессов. 1 - термообработка;  2 -  область  без плавления;   3 - малая  глубина   проплавления; 4 - испарение отсутствует; 5 - сварка; 6 - большая зона прогрева; 7 -  испарение;  8 - пробивка   отверстий;  9 -  резка; 10 - удаление материла;  11 - образование плазмы

 

     Величина  I о  ~ 10 6  - 107 Вт/см2  позволяет производить нагрев  с удалением вещества из зоны теплового воздействия.  Благодаря этому можно пробивать отверстия, сверлить, фрезеровать, резать практически все материалы, скрайбировать хрупкие материалы, испарять, производить отбор микропроб  для  аналитических  целей.

     При  I о > 10 7 - 10 8 Вт/см2  возникает лазерная плазма, поглощающая излучение и  тем самым затрудняющая проведение технологических операций. Переход  же  в  область интенсивностей 1016 Вт/см2 приводит к развитию плазменных процессов, интересных в плане получения высокотемпературной  плазмы.

     Рассмотрим далее принципы, конструкции и узлы, положенные  в основу при разработке технологического лазерного оборудования. И если до сих пор основное внимание обращалось на  физические принципы построения лазеров и лазерной технологии, то в дальнейшем изложение материала  определяется  техническими  и  технологическими  аспектами.