Взаимодействие лазерных, электронных и ионных пучков с поверхностью твердых тел.Часть 1. Основы физики лазерного излучения

УДК 621.375.8 
         В 99 

В 99 
А.Ф. Вяткин. Взаимодействие лазерных, электронных и ионных пучков  с поверхностью твердых тел: Ч.1 Основы физики 
лазерного излучения: Курс лекций. – М.: МИСиС, 2001. – 59 с. 

Применение лазерных пучков занимает ведущее место в современных технологиях производства новых материалов, приборов и оборудования. 
Однако, для грамотного использования лазеров нужно знать физические 
особенности как самих лазеров так и процессов их взаимодействия с твердыми телами. Данное учебное пособие представляет собой курс лекций описывающих основы физики лазерного излучения и предназначен для студентов, 
специальностей 5401, 0709, 0710. 

© Московский государственный 
институт стали и сплавов 
(Технологический университет) 
(МИСиС), 2001 

ВЯТКИН Анатолий Федорович 

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЛАЗЕРНЫХ, 
ЭЛЕКТРОННЫХ И ИОННЫХ ПУЧКОВ  
С ПОВЕРХНОСТЬЮ ТВЕРДЫХ ТЕЛ 

Часть 1: Основы физики лазерного излучения 

Курс лекций 
для студентов специальностей 5401, 0709, 0710 

Рецензент д-р. хим. наук, проф. М.И. Астахов 

Редактор Т.А. Кравченко 

Заказ 951 
Объем  59 стр.  
Тираж  25 экз. 

Цена “С” 
Регистрационный   № 430 

Московский государственный институт стали и сплавов , 
119991, Москва, Ленинский пр-т, 4 
Отпечатано в типографии издательства «Учеба» МИСиС, 
117419, Москва, ул. Орджоникидзе, 8/9 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Введение....................................................................................................4 
Глава 1. Лазерные и электронно-лучевые системы...............................6 

1.1. Основные принципы работы лазера............................................6 

1.1.1. Активная среда. Атомные процессы, ответственные  
за работу лазера...........................................................................6 

1.1.2. Лазерная накачка. Создание инверсной населенности........12 
1.1.3. Оптическая обратная связь. Лазерный резонатор................19 

Глава 2. Свойства лазерного излучения ...............................................21 

2.1. Общие сведения ..........................................................................21 
2.2. Направленность...........................................................................21 
2.3. Яркость ........................................................................................22 
2.4. Монохроматичность...................................................................22 
2.5. Когерентность .............................................................................23 
2.6. Поляризация................................................................................24 

Глава 3. Характеристики лазерного излучения ...................................25 

3.1 Спектральные характеристики ...................................................25 

3.1.1. Механизмы уширения...............................................................25 
3.1.2. Лазерные моды...........................................................................27 

3.2. Временные характеристики .......................................................30 
3.3. Пространственные характеристики ..........................................33 
3.4. Фокусировка лазерного излучения ...........................................34 

Глава 4. Типы лазеров ............................................................................35 

4.1. Газовые лазеры............................................................................35 

4.1.1. Атомные лазеры.........................................................................35 
4.1.2. Ионные лазеры ...........................................................................36 
4.1.3. Молекулярные лазеры...............................................................38 
4.1.4. Химические лазеры....................................................................41 
4.1.5. Другие молекулярные лазеры..................................................43 

4.2. Твердотельные лазеры................................................................45 
4.3. Полупроводниковые лазеры ......................................................47 
4.4. Лазеры на красителях.................................................................52 
4.5. Лазеры на структурах с квантовыми ямами.............................54 
4.6. Лазеры будущего ........................................................................57 

Рекомендуемая литература....................................................................58 

ВВЕДЕНИЕ 

Физические процессы взаимодействия лазерного излучения с 
твердыми телами развиваются, как правило, в тонких поверхностных 
слоях, поэтому с помощью лазерных пучков удается изменять свойства материалов только в этих слоях, оставляя без изменений объемные свойства материалов. Принимая во внимание возможность реализации огромных плотностей мощности лазерного излучения, возможность фокусировки лазерного излучения, как и обычного света, 
высокую монохроматичность лазерного излучения и ряд других 
свойств лазерного излучения (когерентность, полязризуемость и др.), 
можно представить, насколько широкой является область практического применения лазеров. 

Разработка технологических процессов модификации поверхностных слоев материалов для придания им свойств, отличных 
от объемных, имеет давнюю историю. Для надежной работы большинства изделий требуется определенное сочетание свойств материала объема и поверхности: например, высокая конструкционная 
прочность (объемное свойство) и высокая износостойкость или коррозионная стойкость (поверхностные свойства). В ответ на эти требования возник широкий круг технологических методов направленной 
обработки 
поверхности. 
Это 
различные 
виды 
химикотермической обработки материалов: азотирование, цементация, алитирование, цианирование и другие; гальванические методы осаждения покрытий: хромирование, никелирование; механические методы 
упрочнения поверхности: дробеструйная обработка и др.; термические методы упрочнения поверхности: поверхностная закалка и т.д. 

Однако, несмотря на наличие могучего арсенала методов обработки поверхности материалов, научно-технический прогресс выдвигает новые требования к технологическим процессам: более высокий уровень производительности, а также обеспечение условий 
получения материалов с экстремальными свойствами. Одновременно 
с этим появились новые отрасли техники, например, современная 
микроэлектроника, в которых рабочие элементы и функциональные 
процессы реализуются непосредственно в тонких поверхностных 
слоях материалов. Все это послужило основанием для развития новых методов обработки поверхности материалов: лазерная, электронно- и ионно-лучевая технологии. 

Принципиальная возможность обработки материалов с использованием излучения лазера и электронного пучка связана с передачей 
энергии от этих двух энергоносителей твердому телу. Специфические 
особенности такой энергопередачи и определяют новые технологические возможности указанных методов. В настоящее время достигаемые 
уровни концентрации энергии составляют до 5·108 Вт/см2 для электронного пучка и до 1014 Вт/см2 для лазерного излучения в режиме пикосекундного импульса. 

В то же время, при использовании этих методов за чрезвычайно короткие временные интервалы к материалу подводится настолько 
большое количество энергии, что удается реализовать не только многие из традиционных способов обработки материалов, но и провести 
их в режимах, ранее неосуществимых. Речь идет о таких методах обработки материалов, как нагрев материала до заданной температуры, 
плавление, испарение, резка, сварка, получение плазмы и др. 

Новые эффекты, приводящие к получению новых свойств обрабатываемых материалов, реализуются при этом в результате больших скоростей передачи энергии лазерного излучения и энергии 
пучка электронов материалам. Эти скорости могут достигать значений порядка 1010 град/с. Кроме того, поскольку поглощение энергии 
лазерного излучения и энергии пучка происходит в достаточно тонких поверхностных слоях, удается реализовать и большие скорости 
охлаждения этих слоев, а это значит, что открывается возможность 
формирования новых структур. 

Автор выражает глубокую благодарность Горюновой М.И. за 
помощь в подготовке этого пособия к изданию. 

Глава 1. ЛАЗЕРНЫЕ И ЭЛЕКТРОННОЛУЧЕВЫЕ СИСТЕМЫ 

1.1. Основные принципы 
работы лазера 

Для работы большинства лазеров требуется выполнение трех 
основных условий. 
Во-первых, необходима активная среда, т.е. совокупность атомов, 
молекул или ионов, которые излучают в оптическом диапазоне спектра электромагнитных волн. 
Во-вторых, должна быть реализована так называемая инверсная населенность. В то время, как в естественных условиях такое состояние 
довольно редко, в лазере инверсная заселенность достигается в результате процесса возбуждения электронной подсистемы, известного 
как «накачка». 
И наконец, в-третьих, лазерная генерация возможна только при наличии в лазерной системе оптической обратной связи в той или иной 
форме. Если же обратная связь отсутствует, то лазер работает как 
усилитель света в очень узком диапазоне частот. При этом он никогда не сможет создать хорошо сколлимированный монохроматический световой пучок, свойства которого определяют основные достоинства лазера. 

Рассмотрим эти три условия и принципы, лежащие в их основе. 

1.1.1. Активная среда. Атомные процессы, 
ответственные за работу лазера 

Еще в 50-е годы XIX столетия были получены результаты, которые в дальнейшем способствовали развитию квантовой теории света 
и материи. Так, например, было обнаружено, что газоразрядные трубки, предшественники современных неоновых реклам, излучают дискретный спектр линий, а не непрерывный, как предсказывала классическая теория. При прохождении испускаемого этими источниками 
света через щель и разложении его диспергирующей призмой в спек