4.2. Преобразование энергии лазерного излучения в теплоту

На первом этапе взаимодействия лазерного излучения с веществом происходит поглощение фотонов согласно механизмам, описанным выше.

В металлах, как указывалось ранее, энергия фотонов передается электронам проводимости, увеличивая их кинетическую энергию. За время ~10^-12-10^-13 с электронный газ нагревается до температуры Т_е >> T_p, где T_p - температура решетки. Электроны, смещаясь на расстояние порядка 10^-3 мкм, передают избыточную энергию решетке, что приводит к выравниванию температур электронного газа и решетки. Этот процесс происходит за времена ~ 10^-10-10^-11 с, так что классическое понятие источника теплоты для металлов справедливо, начиная со времени, большего 10^-10 с. В результате происходит нагрев вещества, причем распространение теплоты из источника в материал может рассматриваться с позиций макроскопической теплопроводности (линейной или нелинейной). Границей такого рассмотрения является величина >10^-9 с.

Глубина проникновения излучения оптического диапазона в металл составляет 0,01-0,005 мкм. За время действия импульса длительностью с теплота распространяется на расстояние мкм.

Условие позволяет использовать представление о поверхностном источнике теплоты при нагреве импульсным лазерным излучением металла достаточной толщины.

Коэффициент поглощения — А в металлах возрастает с температурой как Т^1/2 из-за уменьшения σ. При плавлении металла, т.е. фазовом переходе, σ скачком уменьшается в 2÷3 раза, что сопровождается резким увеличением А. Например, для длины волны 1,06 мкм при плавлении металла А увеличивается до значений 0,6-0,7, что способствует повышению КПД лазерного нагрева.

В полупроводниках поглощение имеет иной механизм, чем в металлах. Во-первых, существуют ограничения на длину волны из-за порогового характера фундаментального поглощения. Во-вторых, сильно увеличивается с ростом температуры из-за зависимости от Т ширины запрещенной зоны:

, (4.6)

где - коэффициент, зависящий от свойств конкретного полупроводника. Например, для Si = 4-10^-4 эВ/К при эВ. В-третьих, возникает эффект так называемой «металлизации» полупроводника. При большой интенсивности поглощенного лазерного излучения  Вт/м² концентрация электронов в зоне проводимости возрастает до значений 10²⁶-10²⁷ м^-3, т.е. характерных для металла, и «включается» механизм поглощения свободными носителями заряда. Возникает дополнительный механизм нагрева полупроводника, правда одновременно с ним увеличивается и отражающая способность.

В среднем для так называемых непрямозонных полупроводников при Т=300 К, α~10²-10³ см^-1, для прямозонных α=10⁴-10⁵ см^-1. Таким образом, для первых м, для вторых м, что, по крайней мере, на один-два порядка больше, чем для металлов.

Для большинства кристаллических диэлектрических материалов ширина запрещенной зоны превышает 6÷8 эВ, так что пороговая граница «красного» поглощения лежит в интервале 0,1÷0,2 мкм. Серийные технологические лазеры генерируют излучение в ограниченном диапазоне длин волн от 0,6 мкм до 10,6 мкм, что заметно превышает и делает как бы «ненагреваемым» большинство диэлектриков. В указанный диапазон «попадает» лишь полоса поглощения, обусловленная решеточным механизмом поглощения некоторых аморфных диэлектриков, например, силикатного стекла. Для λ>4,5 мкм такое стекло непрозрачно и, следовательно, может обрабатываться (нагреваться) излучением СО-лазера (λ = 5,7 мкм) и СО₂-лазера (λ= 10,6 мкм).

И все-таки, большинство кристаллических и аморфных диэлектриков обрабатываются (нагреваются) лазерами длины волн которых лежат в области прозрачности этих материалов. Однозначным образом объяснить, как в данных условиях происходит их нагрев, т.е. лазерная обработка, в настоящее время не представляется возможным.

Можно указать лишь на возможные эффекты, ответственные в условиях λ>λ_гр за поглощение энергии лазерного излучения, приводящее в итоге к нагреву и разрушению обрабатываемого диэлектрического материала. Это:

а) наличие на поверхности пленок загрязнений;

б) наличие дефектов структуры и примесей в объеме материала;

в) многофотонное поглощение, существенное при больших интенсивностях;

г) самофокусировка лазерного излучения (тоже при больших интенсивностях);

д) вынужденное рассеяние Мандельштама-Бриллюена.

Многофотонное поглощение - рассеяние нескольких фотонов на связанном электроне, в результате чего происходит его переход из валентной зоны в зону проводимости. Фактически многофотонное поглощение понижает пороговую частоту – в фундаментальном механизме поглощения.

При распространении интенсивного лазерного луча в некоторых прозрачных материалах, под действием электрического поля - световой волны изменяется показатель преломления среды.

Так как на оси лазерного луча интенсивность, а вместе с ней и , выше, чем на периферии, то вначале плоский фронт волны по мере движения луча в веществе выгибается, становясь вогнутым в направлении распространения волны. Пучок света действует сам на себя подобно собирающей линзе. Это и есть явление самофокусировки. За счет самофокусировки пучок сжимается в тонкую нить, где плотность энергии и температура излучения вещества во много раз превосходит средние значения.

Разнообразие возможных физических эффектов, приводящих в итоге к поглощению лазерного излучения в диэлектриках, позволяет ответить на вопрос о характере теплового источника (поверхностный или объемный) только в результате анализа конкретной физической ситуации.