1.1.2. Основные особенности температурной кинетики при лазерном воздействии

Часть энергии лазерного излучения, падающего на поверхность материала, поглощается в нем, а часть отражается. Коэффициент отражения определяет долю энергии падающего излучения, которая поглощается и может быть использована для нагрева. По определению коэффициент отражения равен отношению мощности излучения, отраженного от поверхности, к мощности падающего излучения. Таким образом, коэффициент отражения является безразмерным параметром, величина которого лежит в пределах 0  1.

Коэффициент отражения всех металлов возрастает по мере смещения в дальнюю ИК-область спектра. Для длин волн, превышающих 5 мкм, коэффициенты отражения практически всех металлов превышают 90%. В указанной области коэффициент отражения связан с электропроводностью материала. Металлы с высокой электропроводностью обладают максимальными значениями коэффициента отражения в ИК-области спектра. Так, золото имеет более высокий коэффициент отражения, чем алюминий, а алюминий в свою очередь имеет более высокий коэффициент отражения, чем сталь. В такой же последовательности эти материалы располагаются в зависимости от их электропроводности.

Количество света, поглощаемого металлической поверхностью, пропорционально величине ( ). На длине волны 10,6 мкм коэффициент отражения 1 и величина ( ) становится малой. Отсюда следует, что при этой длине волны технологического лазера лишь небольшая часть падающей на поверхность энергии поглощается, то есть может быть использована для нагрева металла. Так, например, при длине волны 10,6 мкм значение ( ) для серебра или меди составляет ~ 0,02, тогда как для стали оно равно ~ 0,05. Отсюда следует, что сталь поглощает примерно в 2,5 раза больше падающей на ее поверхность энергии по сравнению с серебром или медью.

Поэтому важное значение имеет также правильный выбор длины волны технологического лазера. В области более коротких волн значение величин ( ) существенно выше, чем на длине волны СО₂-лазера. В частности, для стали при = 1,06 мкм величина ( ) составляет ~ 0,35, что в семь раз выше, чем при = 10,6 мкм. Отсюда следует, что если на поверхность стали падает излучение лазеров на иттрий алюминиевом гранате (ИАГ) с неодимом и СО₂-лазеров, имеющие одинаковую плотность мощности, то, по крайней мере, в начальной стадии, поглощение излучения лазера на ИАГ с неодимом в семь раз больше.

Поглощенная световая энергия переходит в тепловую и вызывает нагрев материала. Температура, до которой нагревается материал, зависит от длительности воздействия, плотности мощности излучения, теплофизических свойств вещества, геометрии образца и т.п. Коэффициент поглощения металлов имеет величину, порядка 10⁵ 1/см, поэтому большая часть поглощенной энергии выделяется в слое толщиной ~ 10^5 см.

Тепло из области воздействия лазерного излучения отводится за счет теплопроводности в стороны и в глубину материала. Эти потери тепла малы, если лазерные импульсы имеют малую длительность, но они могут стать существенными для импульсов с большой длительностью или при малых областях облучения. Нагрев может протекать с высокой скоростью.

Когда материал нагревается до температуры плавления, начинается процесс плавления, который требует дополнительных энергетических затрат (теплоты плавления). Граница жидкой фазы продвигается в глубь материала. При достаточной плотности мощности лазерного излучения расплав нагревается выше температуры плавления и начинается испарение поверхности до того, как материал успевает проплавиться на заметную глубину. Испарение также требует дополнительных затрат энергии (теплоты испарения). Если интенсивность излучения достаточно велика, то над поверхностью материала образуется высокотемпературная непрозрачная плазма. Возникшая плазма поглощает падающее лазерное излучение и экранирует поверхность.

Рассмотренная качественная схема механизмов и последовательности процессов поглощения света и перехода поглощенной энергии в тепло позволяет перейти к количественной оценке различных режимов поглощения.