Поглощение излучения и передача энергии.

При взаимодействии лазерного излучения с материалом (поглощающей средой), это излучение частично отражается от поверхности, а частично проникает внутрь материала и поглощается. Обозначим плотность мощности лазерного излучения - (ранее - усреднённое значение плотности потока мощности в пучке излучения), т.е. - есть количество энергии, приходящееся на единицу поверхности материала в единицу времени. Изменение потока мощности излучения в поглощающей среде описывается законом Бугера-Ламберта и обуславливается скин-эффектом:

Где - плотность мощности излучения на поверхности материала;

А – поглощательная способность материала, причём А=1-R (R – коэффициент отражения);

- коэффициент поглощения излучения в среде (в материале);

- координата, отсчитывается вглубь материала.

Приведённая формула соответствует случаю нормального скин-эффекта, применима к различным материалам. Однако, конкретные значения входящих в неё величин А и для различных материалов существенно различаются. Поэтому механизмы поглощения излучения и перехода его энергии в тепло могут также сильно отличаться для разных материалов.

В металлах кванты излучения поглощаются в основном электронами проводимости, которые затем рассеивают поглощённую энергию на тепловых колебаниях решётки. Этот процесс протекает в слое толщиной см, что соответствует глубине проникновения излучения в материал. Полная передача энергии кванта тепловым колебаниям решётки происходит за время сек. Это время значительно меньше длительности используемых для обработки материалов импульсных лазерных излучений. Поэтому можно считать, что выделение тепла в материале при воздействии лазерного импульса происходит с пренебрежимо малым временем запаздывания по отношению к изменению мощности излучения во времени.

Для металлов при воздействии излучения оптических частот (т.е. коэффициент поглощения не зависит от координаты в глубь материала). Тогда закон Бугера-Ламберта принимает вид:

,

а значения А и можно определить по формулам:

и - заряд и эффективная масса электрона;

- концентрация свободных электронов в металле;

- частота столкновения электронов (при которых происходит изменение импульса);

- скорость света в вакууме.

Глубина проникновения излучения определяется выражением:

Для большинства металлов в оптическом диапазоне длин волн характерны низкая поглощательная способность % и большой коэффициент поглощения .

В полупроводниках при комнатной температуре концентрация свободных электронов сравнительно мала (по сравнению с металлами). Поэтому поглощение излучения определяется в основном связанными носителями заряда. Причём сильно поглощают излучение с частотой будут такие собственные полупроводники, для которых энергия кванта излучения больше ширины запрещённой зоны, т.е. . Коэффициент поглощения излучения достигает значений .

Если , то под действием лазерного излучения электроны валентной зоны переходят в зону проводимости. С течением времени концентрация свободных электронов возрастает. При достижении концентрации свободных электронов порядка основная часть лазерного потока поглощается уже свободными электронами. Т.е. процесс поглощения начинает протекать также, как в металлах. Время достижения указанной концентрации свободных электронов составляет сек. Поэтому выделение тепла в таких полупроводниках, как и в металлах, происходит практически без запаздывания по отношению к изменению мощности излучения во времени (т.е. повторяет временное изменение импульса излучения).