Рассеяние лазерного излучения на полидисперсных сферических частицах

ВЕСТНИК УДМУРТСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
31

ФИЗИКА. ХИМИЯ
2012. Вып. 1

Физика и химия наноматериалов

УДК 541.49

С.Н. Костенков, Е.В. Харанжевский

РАССЕЯНИЕ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ПОЛИДИСПЕРСНЫХ СФЕРИЧЕСКИХ 
ЧАСТИЦАХ

Рассматриваются основные подходы к описанию взаимодействия лазерного излучения с полидисперсными металлическими частицами, средний размер которых сопоставим с длиной волны излучения. Показано, что в рамках решения данной задачи могут быть использованы геометрическая модель, не учитывающая явления дифракции излучения; аналитическая модель дифракции Ми на изолированных полидисперсных частицах; численная модель на основе уравнений Максвелла. Представлены достоинства и недостатки каждой модели. 

Ключевые слова: рассеяние, поглощение, порошковая среда, лазерное излучение, селективное лазерное спекание.

Введение

Сканирование порошкового слоя лазерным пучком является базовой операцией различных 

процессов формирования сложных объектов. Лазерное воздействие на порошковые среды используется в важных технологических процессах при лазерном спекании порошков, при послойном лазерном синтезе объемных изделий, при селективном лазерном спекании (SLS). К настоящему времени 
SLS применяется как для быстрого создания трехмерных прототипов деталей, так и при изготовлении 
самих деталей для промышленного производства практически из любых материалов. Теоретическое и 
экспериментальное исследование физико-химических процессов [1-6], протекающих в порошковых 
материалах при интенсивных внешних воздействиях и взаимодействии лазерного излучения с многокомпонентными порошковыми композициями с целью послойного синтеза из них объемных функциональных изделий, до сих пор остаются одними из привлекающих к себе внимание и всесторонне 
развиваемых областей физики. Скоростной нагрев, присущий лазерному воздействию в процессах 
SLS и интегрированных с ним технологий, открывает возможности для изучения особенностей тепловых, диффузионных, кинетических, реологических и механических процессов в состояниях, далеких от равновесия и потому слабоизученных. 

При осуществлении численных расчетов и моделировании переноса излучения в слое порошка, 

облучаемом узким лазерным пучком с осесимметричным колоколообразным профилем распределения интенсивности необходимо пользоваться различными подходами, которые рассматриваются в 
работе.

1. Поглощение и рассеяние излучения металлами и их оптические свойства, распространение 
электромагнитных волн в проводящих средах, основные уравнения оптики металлов

В инфракрасной области оптического диапазона металлы отражают падающее излучение [7], свет 

рассеивается при его взаимодействии со свободными электронами. Электроны излучают в процессе 
рассеяния вторичные волны. Поглощение квантов света непосредственно электронами проводимости 
возможно только при их одновременных столкновениях с фононами, с поверхностью металла, границами зерен и кристаллов. Столкновение и формирование из рассеянного света отраженной волны происходит в тонком приповерхностном слое, в котором затухает проникающее в металл излучение.

Роль свободных электронов во взаимодействии электромагнитного излучения с металлами яв
ляется определяющей в широком диапазоне частот. В результате такого влияния оптические и электрические свойства металлов взаимосвязаны.

Распространение электромагнитных волн в однородной и изотропной среде, обладающей прово
димостью, можно исследовать с помощью уравнений Максвелла, с учетом материальных соотношений, 
при этом необходимо учесть, что внутри однородного проводника электрическое поле отсутствует.