Классификация лазерных технологических процессов

При анализе процессов воздействия лазерного излучения на материалы часто используют понятие «критической интенсивности» или «критической плотности потока». Этот термин в определённой степени условен, так как связан с понятием разрушения вещества, также имеющим условный характер. В лазерной обработке под началом разрушения чаще всего подразумевают плавление поверхности тела, хотя необратимые изменения в объёме большинства материалов происходят и при нагреве ниже температуры плавления.

Критические интенсивности q_c ⁽ⁱ⁾ [Вт/см²] (i = 1, 2, 3, 4) являются основой, используя которую, можно классифицировать разнообразные технологические процессы и рассматривать их последовательно при переходе от одной критической интенсивности к другой. Отметим, что такой подход к анализу процессов лазерной технологии не является единственным.

Обычно принимают, что q_c⁽¹⁾ — критическая интенсивность, необходимая для достижения к концу импульса излучения на поверхности тела температуры плавления, q_c⁽²⁾ — критическая интенсивность, соответствующая достижению температуры кипения, q_c⁽³⁾ — критическая интенсивность, выше которой процессы испарения преобладают над переносом тепла в конденсированную среду, q_c⁽⁴⁾ — критическая интенсивность, выше которой над поверхностью возникает плазменный факел, а вглубь материала распространяется ударная волна. Возможно использование и других условий критической интенсивности, например, для реализации глубинного проплавления и т. д.

Для металлов величина q_c⁽¹⁾ лежит в диапазоне 10⁴ ÷ 10⁵ Вт/см² при длительности импульса лазерного излучения ∼1 мс. На этом уровне интенсивности лазерного излучения можно осуществлять термическую обработку большинства металлов.

На рис. 26 предложена общая схема импульсных лазерных процессов. В определённой степени эта схема пригодна и для технологических процессов с воздействием непрерывного излучения, если под временем воздействия подразумевать не длительность импульса, а время прохождения через данную точку луча, определяемое скоростью движения луча.

Рассмотрим схему подробнее. При нагреве ниже температуры плавления возможна закалка и термоупрочнение сталей и сплавов, а также геттерирование и отжиг дефектов в ионно-имплантированных слоях полупроводников. Плавление тонкого поверхностного слоя открывает возможности для получения покрытий, поверхностной очистки при плавлении, создания на поверхности металлических стёкол и проведения химико-термических процессов, приводящих к созданию новых веществ.

Если плотность мощности превышает q_c⁽³⁾, то в газовой среде вблизи поверхности тел возможна реализация процессов лазерно-плазменной обработки (разложение веществ, синтез соединений, упрочнение материалов, окисление, восстановление).