WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 10 |
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Санкт–Петербургский государственный университет информационных технологий механики и оптики М.Н. Либенсон, Е.Б. Яковлев, Г.Д. Шандыбина ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ВЕЩЕСТВОМ (силовая оптика) Конспект лекций под редакцией Вейко В.П.

Часть I МЕХАНИЗМЫ ПОГЛОЩЕНИЯ И ДИССИПАЦИИ ЭНЕРГИИ В ВЕЩЕСТВЕ Санкт–Петербург 2005 Либенсон М.Н., Яковлев Е.Б., Шандыбина Г.Д. Взаимодействие лазерного излучения с веществом (силовая оптика). Конспект лекций. Часть I. Механизмы поглощения и диссипации энергии в веществе, под общей редакцией Вейко В.П. – СПб: СПб ГУ ИТМО, 2005. – 84 с.

Конспект курса лекций предназначен для самостоятельной работы студентов специальности 072300 «Лазерная техника и лазерные технологии». Часть I конспекта лекций посвящена описанию первой стадии воздействия лазерного излучения на материалы: поглощению, рассеянию и дисперсии световых волн.

© Санкт–Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, 2005 © М.Н. Либенсон, Е.Б. Яковлев, Г.Д. Шандыбина, 2005 3 Оглавление Предисловие редактора........................................................................................ 4 Введение................................................................................................................... 8 1. Основные положения классической электродинамики.......................... 10 1.1. Уравнения Максвелла................................................................................. 12 1.2. Оптические характеристики вещества...................................................... 21 1.3. Оптические постоянные вещества и его микрохарактеристики............ 23 1.4. Дисперсионные соотношения.................................................................... 29 2. Распространение электромагнитных волн в проводящих средах.

Основные уравнения оптики металлов.......................................................... 3. Поглощение излучения и оптические свойства металлов............. 4. Поглощение света и передача энергии в полупроводниках................... 4.1. Оптические процессы в поглощающих полупроводниках..................... 4.2. Процессы передачи энергии в поглощающих полупроводниках.......... 4.2.1. Особенности собственного поглощения............................................ 4.2.2. Внутризонное поглощение................................................................... 4.3. Кинетика фотовозбуждения полупроводников лазерным излучением. 4.4. Насыщение межзонного поглощения........................................................ 5. Поверхностные электромагнитные волны оптического диапазона..... 5.1. Основные свойства ПЭВ, структура и распределение полей, условия существования, дисперсионное соотношение................................................. 5.2. Поверхностные плазмон-поляритоны на границе металла с диэлектриком...................................................................................................... 5.3. Методы возбуждения ПЭВ......................................................................... 5.3.1. Призменный метод возбуждения ПЭВ............................................... 5.3.2. Возбуждение ПЭВ на решетке............................................................ 5.4. Цилиндрические ПЭВ................................................................................. Контрольные вопросы........................................................................................ Список рекомендуемой литературы................................................................ История кафедры................................................................................................. Предисловие редактора Создание лазеров – источников мощного когерентного света – вызвало к жизни появление не только целого ряда новых направлений в физике, химии, биологии и других науках, но и разработку большого количества новых технологий в микроэлектронике и обработке материалов, хранении, обработке, передаче информации, в приборостроении, связи, медицине, военной технике и контроле материалов, в точных измерениях, в науках о жизни, в искусстве и т.д.

Лазерное излучение обладает многими специфическими свойствами, которые в комплексе и открыли совершенно новые возможности и области приложений оптики. Все эти приложения основываются на комплексе следующих свойств:

– высочайшая спектральная и пространственная плотность энергии;

– высокая когерентность излучения, которая проявляется в его предельной направленности и высокой монохроматичности.

Ключевой дисциплиной, стоящей на стыке собственно лазерной физики и техники со всевозможными лазерными технологиями является взаимодействие лазерного излучения с веществом. При этом разнообразие «лазерных приложений», когда просто трудно назвать область человеческой деятельности, где бы они ни применялись, привело к тому, что и взаимодействие лазерного излучения с веществом имеет множество направлений и оттенков. Во–первых, упомянем собственно взаимодействие света с веществом в самой активной среде лазеров — в твердом теле, полупроводнике, жидкости или в возбужденных газах:

спонтанное и вынужденное поглощение света, процессы рассеяния и диссипации энергии и др. — это, собственно, составляет предмет квантовой электроники и лазерной техники.

Распространение света в прозрачных, слабопоглощающих средах — это другая сторона взаимодействия лазерного излучения с веществом. Основные особенности лазерного излучения здесь начинают проявляться при высоких интенсивностях света, когда значительный вклад дают нелинейные эффекты. В предельных случаях эти явления приводят к световому пробою среды, что определяет допустимые оптические нагрузки на соответствующие материалы, будь то активные элементы лазера или зеркала, волоконные световоды, водная среда или газы. Фундаментальные исследования оптического пробоя (лазерной искры) лежат в основе многих технологий, например, лазерного зажигания двигателей внутреннего сгорания и дизелей, создания лазерной плазмы для термоядерных реакций, лазерных реактивных двигателей и т.д. и т.п.



Резонансное поглощение света газами, жидкостями и биотканями — основа процессов разделения изотопов в атомной промышленности и фармацевтике, процессов катализа, многих разделов лазерной медицины, диагностики, терапии и некоторых видов хирургии, в биологии и биометрии.

Кроме этих явлений, есть огромный раздел «нерезонансного взаимодействия лазерного излучения с веществом», который включает силовое воздействие лазерного излучения в основном на конструкционные материалы промышленности — металлы, полупроводники и диэлектрики. Все эти процессы лежат в основе лазерных технологий обработки материалов.

Отметим, что рынок лазерной обработки материалов является самым мощным, наиболее мобильным и быстро развивающимся.

Рынок лазерных технологий.

Настоящее учебное пособие предназначено для студентов специальности 072300 «Лазерная техника и лазерные технологии», а курс «Взаимодействие лазерного излучения с веществом» в СПбГУ ИТМО традиционно трактуется, помимо своего общефизического значения, как основа лазерных технологий обработки материалов.

В этом свете напомним, что специфические свойства лазерного излучения, благодаря которым он воздействует на вещество иначе, чем обычный свет — это:

– большая плотность фотонов, определяющая возможность реализации многофотонных процессов;

– значительное давление света, которое позволяет осуществлять процессы атомно–силовой сборки, лазерной «левитации», ускорения и торможения атомов;

– мощные электромагнитные поля оптической частоты 1013 Гц;

– высокая плотность энергии.

Большая плотность энергии является основой подавляющего большинства применений лазеров для обработки материалов — сварки, резки, сверления отверстий и др., широко распространенных в промышленности.

Заметим, что этими процессами возможности лазерных применений не исчерпываются. Лазерное нагревание инициирует на поверхности твердого тела следующие группы процессов 1) Эмиссионные процессы – десорбция газа;

– термоэлектронная эмиссия;

– термоионная эмиссия;

– эмиссия нейтральных атомов;

– тепловое излучение (пироэлектрические измерения).

2) Структурные процессы – рекристаллизация;

– структурные изменения в сплавах Fe–C (закалка сталей);

– размягчение стекла и, соответственно, структурные изменения;

– аморфизация стеклокерамик;

– аморфизация тонких металлических пленок;

– взаимная диффузия нагретых слоев (микрометаллургия);

– отжиг дефектов (в полупроводниковых структурах).

3) Поверхностные химические реакции – локальное окисление;

– восстановление;

– термическое разложение металлорганик;

– полимеризация (деструкция) полимеров.

4) Термомеханические эффекты – тепловое расширение (включая пульсации);

– появление термонапряжений;

– генерация ударных волн в твердом теле и в воздухе;

– генерация ультразвука (дефектоскопия);

– оптический пробой в прозрачных диэлектриках (стекло, изображения в стекле).

5) Физические переходы – плавление;

– испарение;

– возгорание и горение;

– детонация активных и взрыв пассивных сред.

Причем одни из них используются для контроля за температурой поверхности (эмиссионные), другие для изменения структурно-фазового состояния материалов, третьи – для локального изменения количественного состава и связанных с этим свойств. Наконец, термомеханические эффекты и физические переходы – это основа процессов формообразования.

Основой всех указанных применений лазерного излучения является тепловое действие света. Тепловая модель взаимодействия, развита в начале 70–х гг.

С.И. Анисимовым, А.М. Бонч–Бруевичем и др.

По указанной причине именно ее детальному рассмотрению и посвящено настоящее учебное пособие. Часть 1 содержит описание механизмов поглощения света и диссипации поглощенной энергии в веществе. Часть 2 будет посвящена анализу процессов лазерного нагревания, а часть 3 – лазерному разрушению материалов.

Учебное пособие подготовлено на основе курса лекций М.Н. Либенсона.

Заслуженный деятель науки России, Лауреат Государственной Премии СССР, д.т.н., профессор В.П. Вейко Введение В 60-е годы прошлого века сформировалась «тепловая модель» взаимодействия лазерного излучения с поглощающими материалами. Эта модель позволила успешно описать теплопроводностное распространение тепла, плавление, модификацию структуры вещества, стимулированную нагреванием, испарение, разлет продуктов разрушения. Выводы тепловой модели хорошо совпадают с результатами различных экспериментов.

Световые волны, в том числе и лазерное излучение, это электромагнитные волны определенного спектрального диапазона. Мы будем рассматривать оптический диапазон длин волн. К оптическому диапазону принадлежит инфракрасное (ИК) излучение, видимый свет, ультрафиолетовое (УФ) излучение и рентгеновское излучение низкой частоты. Именно в оптическом диапазоне работают широко применяемые в лазерных технологиях источники.





Материал этой части посвящен первой стадии воздействия лазерного излучения на материалы: поглощению, рассеянию и дисперсии световых волн. Описание этих явлений возможно в рамках классической электродинамики. При этом можно установить основные закономерности перечисленных процессов.

Следует отметить, что определить такие важные для анализа лазерного воздействия оптические характеристики материалов, как коэффициент отражения R, поглощательную способность A и пропускание T возможно, используя макроскопическую теорию Максвелла совместно с микроскопической теорией Лоренца.

Напомним, что теория Максвелла - феноменологическая: в ней оптические свойства материала связаны с электрическими через диэлектрическую проницаемость, магнитную проницаемость, удельную электропроводимость, которые предполагаются известными из опыта.

Электронная теория Лоренца определяет микроскопические электромагнитные поля, создаваемые отдельными заряженными частицами, позволяя выяснить физический смысл постоянных,, в уравнениях Максвелла.

В основу учебного пособия положен курс лекций, который на протяжении многих лет читал Лауреат Государственной премии СССР; заслуженный деятель науки и техники Российской Федерации, доктор физико-математических наук, профессор Михаил Наумович Либенсон.

В разные годы им были рассмотрены проблемы лазерного нагрева металлов и металлических пленок с учетом кинетики изменения их оптических свойств; фотовозбуждения и нагрева полупроводников интенсивным излучением; оптического пробоя диэлектриков сложного химического состава. Был предложен и исследован термохимический механизм взаимодействия непрерывного лазерного излучения с металлами в окислительной среде (на воздухе).

В начале 80-х годов М.Н. Либенсон впервые обратил внимание на важную роль генерации поверхностных поляритонов и волноводных мод в процессе лазерного термического воздействия на поверхность различных материалов и предложил поляритонный механизм самоорганизации лазерно-индуцированного поверхностного рельефа – широко распространенного эффекта при лазерных воздействиях. В различные годы им были предложены и теоретически изучены несколько эффективных механизмов лазерно-индуцированных неустойчивостей в конденсированных средах, в том числе при действии сверхкоротких (фемтосекундных) импульсов. В последние годы он развивал представления о взаимодействии лазерного излучения с поверхностью в устройствах ближнепольной оптики, когда область локализации света значительно меньше длины его волны.

1. Основные положения классической электродинамики.

Существуют три основных подхода к описанию явлений, связанных с взаимодействием оптического излучения с веществом: классический, полуклассический и квантово-механический.

При классическом описании излучение представляют в виде электромагнитных волн, а вещество - в виде непрерывной среды, характеризуемой определенными оптическими макропараметрами. В этом случае используют уравнения Максвелла, дополненные материальными уравнениями, атомарная структура вещества игнорируется.

При полуклассическом приближении поле электромагнитного излучения описывают уравнениями Максвелла, а при описании материального объекта используют квантовомеханические представления. В этом случае оптические параметры не постулируют, а рассчитывают на основе данных об атомарной структуре и динамике среды с учетом вероятностей соответствующих квантовых переходов.

При квантовомеханическом описании излучение и вещество рассматривают как единую квантовую систему.

Ее описывают гамильтонианом* H = H + H + H (1.1) Здесь H - гамильтониан свободного излучения, H0 - гамильтониан вещества в отсутствие излучения, H - гамильтониан взаимодействия излучения с веществом. Гамильтониан свободного излучения можно представить как + H = (1.2) h cs cs + s + где cs и cs - операторы соответственно уничтожения и рождения фотона (с частотой ) в s -м состоянии, h -постоянная Планка.

Для кристалла гамильтониан H0 удобно представить в виде H0 = HL + He + HeL, (1.3) где HL - гамильтониан кристаллической решетки («фононный» гамильтониан), He - «электронный» гамильтониан, HeL - гамильтониан взаимодействия электронов с фононами (опускаемый при использовании адиабатического приближения). Фононный гамильтониан HL описывают выражением, аналогич ным выражению (1.2), а гамильтониан H удобно представить в виде H = He + HL, где He описывает взаимодействие фотонов с электронами, кристалла, а HL - взаимодействие фотонов с фононами.

* Курсивом выделен дополнительный материал, необходимый для более глубокого усвоения.

Наиболее полным и последовательным является, квантовомеханическое описание, которое позволяет учесть все аспекты взаимодействия, связанные как с изменением состояний вещества, так и с изменением состояний поля излучения.

Классическое описание является предельным случаем, существенно упрощающим рассмотрение процессов взаимодействия излучения с веществом. Основные ограничения применимости классического описания связаны с двумя обстоятельствами. Во-первых, должно быть оправданным классическое представление излучения в виде световых волн. Во-вторых, в рассматриваемой задаче должны быть несущественными атомарная структура и динамика среды.

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 10 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.