Лекция 4

4. Физические основы лазерной обработки материалов

4.1. Взаимодействие электромагнитного излучения (фотонов)

с веществом

Механизм поглощения энергии электромагнитного поля (фотонов) определяется как физическими свойствами вещества, так и энергией падающего фотона – , где - частота электромагнитного излучения (фотона). В настоящее время в технологии обработки материалов имеют дело с излучением оптического диапазона с =0,1-4 эВ, что соответствует длинам волн =10,6 — 0,3 мкм. В метрологических целях используется рентгеновское излучение с =60-150 эВ. Как видно, энергия «технологических» фотонов оптического диапазона сравнима или даже меньше характерных значений энергии веществ, например, энергии связи, энергии Ферми и т.д. Это позволяет отвлечься от квантовых особенностей строения вещества и применять для описания и анализа процесса поглощения фотонов веществом наиболее простое и наглядное полуклассическое описание.

Поглощение фотонов свободными носителями заряда. Будем рассматривать поглощение света кристаллическими веществами, например, металлами. При малой интенсивности = и соответственно малой плотности фотонов , температура вещества - Т изменяется мало и, следовательно, зависимостью от Т его теплофизических и оптических свойств можно пренебречь. В этом случае в поглощающей среде интенсивность уменьшается с глубиной г по закону Бугера:

, (4.1)

где - коэффициент поглощения, связанный с полным сечением поглощения фотона - σ_погл соотношением

. (4.2)

Здесь N - число поглощающих центров в единице объема вещества. σ_погл зависит от и физических свойств вещества.

Механизм поглощения фотонов свободными носителями заряда (в металлах это - электроны проводимости) является преобладающим в металлах и одним из основных в полупроводниках.

Поглощая фотон, т.е. ускоряясь в электрическом поле электромагнитной волны, свободные электроны металла приобретают дополнительную кинетическую энергию. Сталкиваясь с решеткой, электроны передают свою избыточную энергию атомам и ионам вещества. Происходит преобразование энергии света в тепловую энергию решетки. Классическая теория дисперсии утверждает, что существует граничная частота - света в металле, выше которой металл прозрачен, т.е. поглощение в нем отсутствует.

Так, например, для щелочных металлов с^-1, для других металлов еще выше, так что они в оптическом диапазоне практически непрозрачны.

При падении света на границу раздела вакуум-металл подавляющая часть энергии отражается и только малая часть – А поглощается в металле. Например, для Сu при с^-1 ( м) А = 6,1·10^-2; для Аl - , т.е. порядка 5-10%.

Фундаментальное, или основное поглощение фотонов. Определяется поглощением энергии фотона электронами, находящимися в валентной зоне, т.е. связанными с атомами вещества. При поглощении фотона электрон отрывается от атома (ионизация) и переходит в зону проводимости, а в валентной зоне генерируется таким образом дырка. Возникает пара носителей заряда в виде электрона и дырки. Такой механизм поглощения света характерен для диэлектриков и полупроводников.

В случае так называемых прямых переходов электрона из валентной зоны в зону проводимости коэффициент поглощения фотона с энергией равен

, (4.3)

где - ширина запрещенной зоны, r= 0,5÷1,5 в зависимости от структуры энергетических зон диэлектрика (полупроводника).

Из (4.3) следует, что фундаментальное поглощение имеет пороговый характер, так как оно происходит, если

. (4.4)

Квантовомеханические расчеты дают:

. (4.5)

Здесь m_п, m_р - так называемые эффективные массы электрона и дырки соответственно, п - показатель преломления вещества. Так как величины m_п и m_р зависят от формы энергетических зон, то поглощение фотонов в результате прямых переходов зависит прежде всего от них.

За счет примесей или дефектов структуры в диэлектриках (полупроводниках) в запрещенной зоне могут находиться разрешенные состояния (энергетические уровни), так что эффективная ширина запрещенной зоны оказывается меньше . Это означает, что граница поглощения, определяемая условием (4.4), сдвигается в сторону меньших частот, т.е. более длинных волн. Подобные переходы получили название непрямых. В них принципиально участвуют три частицы: фотон, электрон и атом (ион), а не две: фотон и электрон, как в прямых. Поэтому вероятности непрямых переходов меньше, чем прямых, так что для прямых переходов α больше, чем α для непрямых.

Примесное поглощение. Оно вызывается переходами электронов с уровня примеси в зону проводимости или из валентной зоны на уровень примеси. Примесное поглощение имеет резко выраженный селективный характер (для определенных значений ) и проявляется в виде достаточно узких полос поглощения.

Решеточное поглощение фотонов. Этот вид поглощения связан с возбуждением колебаний кристаллической решетки. Он возможен только в сложных кристаллах, т.е. в таких, когда в кристаллической ячейке содержится достаточно много атомов и наряду с акустическими (низкочастотными) колебаниями решетки имеются и оптические (высокочастотные). При оптических колебаниях за счет сдвига фаз колебаний соседних атомов возникает переменный дипольный момент и, как его следствие, генерация им электромагнитных волн с той же частотой, что и частота падающих фотонов. Поэтому решеточное поглощение проявляется в виде так называемых остаточных лучей - в отраженном свете это полосы частот собственных колебаний решетки (резонанс). Наличие ангармонизма в колебаниях атомов приводит к тому, что часть энергии света переходит непосредственно в энергию хаотического движения атомов решетки. Однако поглощение энергии решеткой с переходом сразу этой энергии в теплоту достаточно мало. Решеточное поглощение, как и фундаментальное, является характерным для диэлектриков.