Поглощение лазерного излучения веществом 1 2 3 4

Поглощение лазерного излучения веществом 1. 2. 3. 4. 5. Введение. Закон Бугера-Ламберта. Поглощение света свободными носителями заряда. Фундаментальное поглощение света. Примесное поглощение света. Решеточное поглощение излучения. 1

Введение. • Технологическое воздействие лазерного излучения на вещество определяется его поглощением. • Некоторая часть лазерного излучения, падающего на границу раздела «обрабатываемый образец – окружающая среда» отражается от поверхности. • В настоящее время в технологических процессах используется в основном лазерное излучение с энергией фотонов 0, 1. . 5 э. В (длина волны: 10, 6… 0, 3 мкм). 2

Введение Механизм поглощения лазерного излучения определяется многими факторами, в том числе: - агрегатным состоянием вещества; - структурой вещества; - энергией фотонов (частотой э/м излучения). 3

1. Закон Бугера-Ламберта В конденсированных средах затухание лазерного излучения следует закону Бугера. Ламберта. Для направления, вдоль которого распространяется излучение, он имеет вид: (1) где q(Z) – плотность мощности потока излучения на глубине Z, q 0 – плотность мощности падающего на поверхность излучения; - коэффициент объемного поглощения; А – коэффициент поверхностного поглощения, причем А=1 -R, где R – коэффициент отражения излучения поверхностью. 4

1. Закон Бугера-Ламберта • Для изотропной и однородной поглощающей среды закон Бугера. Ламберта о поглощении света можно записать в виде: (2) - длина поглощения. 5

1. Закон Бугера-Ламберта • Задача описания поглощения лазерного излучения вещества в первую очередь сводится к определению коэффициентов α и А. • Значения α и А определяются в основном механизмами поглощения излучения веществом. 6

Для твердых тел можно выделить следующие механизмы поглощения: - поглощение свободными носителями заряда; - фундаментальное (или основное) поглощение; -примесное поглощение; - решеточное поглощение. 7

2. Поглощение света свободными носителями заряда Этот механизм преобладает в металлах и является одним из основных в полупроводниковых материалах. Энергия э/м волны затрачивается на ускорение носителей заряда, в результате она уменьшается. Поглощение связано с движением свободных электронов под действием электрической составляющей э/м волны и приводит к значительному увеличению кинетической энергии электронов проводимости. 8

2. Поглощение света свободными носителями заряда В приповерхностной области облучаемого твердого тела генерируется ток свободных носителей, который создает поток э/м излучения, направленный навстречу падающему излучению. В итоге происходит отражение э/м излучения от поверхности. Поглощенная энергия идет на нагрев тонких поверхностных слоев вещества. 9

2. Поглощение света свободными носителями заряда Механизм нагрева За время ~ 10 -13. . 10 -11 с электронный газ нагревается до температуры, значительно превосходящей температуру решетки (Te>>Ti). За счет неупругих взаимодействий с атомами решетки в течение времени ~10 -11. . 10 -10 с электроны передают избыточную энергию решетке, в результате чего температуры выравниваются: Te=Ti, т. е. происходит преобразование энергии излучения в нагрев вещества. 10

2. Поглощение света свободными носителями заряда При определении коэффициента объемного поглощения α электроны проводимости принимаются свободными и сталкивающимися с атомами решетки с частотой , где - время релаксации. Такой электронный газ характеризуется статической электронной проводимостью. 11

2. Поглощение света свободными носителями заряда ● Коэффициент объемного поглощения в любом веществе: (3) где ω – частота лазерного излучения (в технологических лазера обычно с-1); - диэлектрическая и магнитная проницаемость вакуума соответственно; - относительная диэлектрическая проницаемость вещества (точнее, ее мнимая часть). 12

2. Поглощение света свободными носителями заряда ● Статическая электронная проводимость: (4) ● Для металлов , тогда коэффициент поглощения равен: (5) α >10 -4 см-1. 13

2. Поглощение света свободными носителями заряда ● Об относительной диэлектрической проницаемости среды. Э/м волну в веществе правильнее рассматривать как результат взаимной интерференции исходной э/м волны, которая имела бы место в пустом пространстве, и вторичных волн, излучаемых заряженными частицами среды. В результате мы получаем суммарную волну, распространяющуюся с фазовой скоростью 14

2. Поглощение света свободными носителями заряда Об относительной диэлектрической проницаемости среды. Фазовая скорость э/м волны в веществе характеризуется показателем преломления n, который в прозрачной среде определяется относительной диэлектрической проницаемостью вещества ε: 15

2. Поглощение света свободными носителями заряда Об относительной диэлектрической проницаемости среды. Величина ε обычно не равна введенной проницаемости диэлектрика для электростатического поля, а может зависеть от частоты поля. В общем случае показатель преломления представляется комплексным числом: 16

2. Поглощение света свободными носителями заряда Мнимая часть показателя преломления n. I из-за потерь энергии на атомных осцилляторах приводит к ослаблению волн. Действительная часть показателя преломления n. R характеризует проницаемость диэлектрика для электростатического поля. 17

2. Поглощение света свободными носителями заряда ● Мнимая часть относительной диэлектрической проницаемости вещества: (6) где - частота столкновений электронов с атомами решетки, , - время релаксации, т. е. время передачи энергии от электронов атомам решетки; для металлов с-1. ne – концентрация свободных носителей заряда (свободных электронов), me- их масса. 18

2. Поглощение света свободными носителями заряда Об относительной диэлектрической проницаемости среды. В общем случае показатель преломления будет иметь вещественную и мнимую часть, и при распространении э/м волн в металлах происходит их поглощение. При показатель преломления металла имеет мнимую часть, и происходит поглощение волн, но при показатель преломления становится вещественным (n. I=0), а металл – прозрачным. 19

2. Поглощение света свободными носителями заряда ● Зависимость поглощающих свойств металлов от частоты падающего излучения - поглощающие свойства металлов очень сильно зависят от частоты падающего излучения; - при низких частотах э/м волна поглощается очень быстро; - при превышении частотой некоторой величины ωp, называемой плазменной частотой, металл становится прозрачным для э/м излучения; (7) 20

2. Поглощение света свободными носителями заряда ωp – граница прозрачности по частоте излучения; при ней мнимая часть относительной диэлектрической проницаемости равна 0. 21

2. Поглощение света свободными носителями заряда ● Затухание э/м волн происходит примерно на длине: (9) ● Скин-слой δ – расстояние, на котором амплитуда э/м волны уменьшается в e раз; (10) 22

2. Поглощение света свободными носителями заряда ● Коэффициент поверхностного поглощения излучения А=1 -R, где R – коэффициент отражения, равен: (11) 23

2. Экспериментальная зависимость некоторых металлов для 1 – полированное серебро; 2 – медь; 3 – никель; 4 – углеродистая сталь 24

2. Зависимость поверхностного коэффициента поглощения излучения неодимового лазера образцом из серебра от температуры его поверхности 25

2. Поглощение света свободными носителями заряда Для полупроводниковых материалов механизм поглощения свободными носителями заряда работает при условии: где - ширина запрещенной зоны, - глубина залегания примесных донорных уровней, т. е. когда на дне зоны проводимости имеется достаточное количество свободных электронов. 26

3. Фундаментальное поглощение определяется поглощением энергии фотона электронами, находящимися в валентной зоне, т. е. связанными с атомами вещества. При поглощении фотона атом ионизируется, а электрон переходит в зону проводимости. Такой процесс характерен для: - собственных полупроводников, - диэлектриков. 27

3. Фундаментальное поглощение Поглощение происходит при условии: (12) и приводит к генерации пары носителей заряда: электрона и дырки. ΔЕg – ширина запрещенной зоны, т. е. энергия, которую нужно затратить на переход электрона из валентной зоны Ev в зону проводимости Ec : В зависимости от формы энергетического спектра вещества это поглощение может быть вызвано либо прямыми, либо непрямыми переходами электрона из валентной зоны Ev в зону проводимости Ec. 28

3. Фундаментальное поглощение Переведенные из валентной зоны в зону проводимости электроны не являются равновесными и за время 10 -10. . 10 -9 с они релаксируют через промежуточные уровни на дно зоны проводимости. Разница между Евозб и Ec передается решетке (Евозб-Ec). Со дна зоны проводимости электрон в результате рекомбинации опять переходит в валентную зону излучательным (люминесценция) или безызлучательным образом. В последнем случае энергия выделяется в виде фонона. Вероятность безызлучательной рекомбинации на ловушках пропорциональна концентрации свободных носителей заряда в зоне проводимости ne. 29

3. Схемы возможных механизмов фундаментального поглощения лазерного излучения полупроводниковыми материалами 30

3. Фундаментальное поглощение Граница собственного поглощения зависит от ширины запрещенной зоны ΔЕg и для прямых переходов определяется как: (13) где в мкм, ΔЕg в э. В. Т. о. , фундаментальное поглощение будет иметь место при длине волны падающего излучения, меньшей. 31

3. Фундаментальное поглощение В результате поглощенная энергия э/м излучения расходуется на: а) энергию фононов, если электроны из зоны проводимости переходят в валентную зону с передачей энергии фононам (колебаниям решетки); б) фотоны люминесценции, если энергия в результате перехода электронов из зоны проводимости в валентную зону выделяется в виде фотонов люминесценции); в) кинетическую энергию свободных носителей на дне зоны проводимости. 32

3. Фундаментальное поглощение В случае прямых переходов коэффициент объемного поглощения: (14) где r=1/2. . 3/2 в зависимости от структуры энергетических зон полупроводника. Выражения для α 0 подбираются в каждом конкретном случае. Значения объемного коэффициента поглощения α при прямых переходах выше, чем при непрямых. 33

3. Зависимость коэффициента поглощения света в полупроводниках от энергии фотона 34

3. Фундаментальное поглощение. Зависимость коэффициента поглощения от температуры Ширина запрещенной зоны зависит от Т как: (15) где коэффициент β (э. В/К) для многих полупроводников принимает значения. Подставим (15) в (14) и получим α(Т). С ростом Т α увеличивается. 35

3. Фундаментальное поглощение. Металлизация полупроводников. Воздействие интенсивного лазерного излучения вызывает образование значительного количества неравновесных свободных носителей (обычно концентрация равновесных электронов и дырок составляет в собственном полупроводнике величину порядка 1020 см-3), что приводит к включению механизма индуцированного поглощения свободными носителями заряда. Так, в течение времени релаксации неравновесных электронов из возбужденных состояний на дно зоны проводимости концентрация электронов в ней может достигнуть 1020. . 1021 см-3. В этом случае полупроводник по своим свойствам приближается к металлам – металлизация полупроводника. 36

4. Примесное поглощение Механизм примесного поглощения определяется переходами электронов с примесных уровней в зону проводимости или из валентной зоны на уровни примеси. Такое поглощение наблюдается при и hν близких к энергии активации данной примеси: Если считать, что , то где Nd – концентрация атомов донорной примеси, k – коэффициент, определяемый параметрами полупроводника. При обычных см -3 см-1. 37

4. Схема примесного поглощения лазерного излучения полупроводником n-типа 38