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

тре атомов, возбужденных электрическим разрядом, наблюдались 
группы спектральных линий. Подобным же образом было установлено, что многие газы при освещении их светом с белым спектром существенно поглощают свет только в некоторых спектральных линиях. 

За эти характерные особенности спектры поглощения и испускания атомов назвали линейчатыми спектрами. В 1823 г. было 
доказано, что атомы каждого элемента испускают характерный, 
только ему присущий линейчатый спектр. Позже обнаружили, что и 
молекулы ведут себя подобным же образом, испуская и поглощая 
свет в инфракрасной области спектра. 

В 1913 г. Нильс Бор изложил теорию, которая позволила рассчитать длины волн линий в самом простом из спектров такого рода 
– спектре водорода. Бор предположил, что атом может пребывать 
длительное время в определенных дискретных энергетических состояниях, и постулировал, что при переходе атома из одного энергетического состояния в другое он испускает или поглощает свет. 

Частота испускаемого или поглощаемого света ν определяется разницей энергий атома в этих состояниях: 

 
Δ E = h ν, 
(1.1) 

где h – коэффициент пропорциональности, так называемая постоянная Планка.  

Изменение энергетического состояния атома, сопровождающееся поглощением и испусканием света, называют атомным переходом. Если вероятность перехода велика, то такой переход называют 
разрешенным. Если вероятность мала, то переход запрещенный. Мера 
вероятности перехода – это время жизни уровня, т.е. время, по прошествии которого совершается переход, или промежуток времени, в течение которого атом с наибольшей вероятностью может быть найден в 
начальном состоянии, до перехода, которое определяется решением 
уравнения Шредингера. Типичные значения времени жизни для разрешенных переходов составляют микросекунды и доли микросекунд, 
для запрещенных переходов эти значения больше в 103 – 106 раз. 

Излучение и поглощение. Рассмотрим более детально процессы излучения и поглощения, происходящие в атомах и молекулах. 
Для простоты предположим, что атомы газа имеют два энергетических состояния: основное состояние с энергией E0 и единственное 
возбужденное состояние с энергией E1 (E1 > E0). 

Пусть пучок белого света проходит через ячейку с частицами 
активной среды и с помощью призмы разлагается в спектр. Спектр, 
полученный при отсутствии газа в ячейке, имеет типичный для источников белого света вид с плавно меняющимся распределением 
цвета. При заполнении ячейки газом на фоне непрерывного спектра 
появляются темные линии, длина волны каждой из которых определяется соотношением 

λ = λ01 = λ10 = с /ν10,

где ν01 = ν10 =(E1–E0) / h = ΔE10 / h, E1 > E0 в соответствии с уравнением (1.1). 

Атомы газа в ячейке поглощают кванты световой энергии с 
частотой ν10. Точнее, атомы, возбужденные излучением с частотой 
ν10, совершают переход с основного уровня на возбужденный. 
Уменьшение уровня освещенности на выходе спектрометра на длине 
волны перехода λ10 соответствует удалению соответствующей доли 
энергии из падающего светового пучка. Такой процесс часто называют вынужденным поглощением, так как для его протекания необходима энергия падающего света. Но что происходит с атомами на 
уровне E1? Будет ли процесс поглощения продолжаться до тех пор, 
пока не останется ни одного атома на основном уровне? Этого, естественно, не случится, так как процессы излучения быстро приводят к 
тому, что основное состояние оказывается вновь заполненным, поскольку все системы в природе, предоставленные сами себе, стремятся перейти в состояние с минимальной энергией. Как только прекращается возбуждение, атомы переходят в основное состояние, излучая 
кванты световой энергии на частоте ν10. 
Излучение светa может происходить двумя путями. В противоположность процессу поглощения, который инициируется энергией падающего света, излучение фотона возбужденным атомом может происходить либо спонтанно, либо под действием света с частотой, равной частоте соответствующего перехода. Таким образом, излучению 
света соответствуют два различных процесса: спонтанное излучение, 
которое возможно без какого-либо внешнего возбуждения, и вынужденное излучение, которое имеет место при взаимодействии возбужденного атома с квантом света на частоте перехода.  

Эти два независимых друг от друга процесса вместе с процессом вынужденного поглощения показаны схематически на рис. 1.1. 

Рис. 1.1. Диаграмма переходов между энергетическими уровнями, 
демонстрирующая различие между вынужденным поглощением, 
спонтанным и вынужденным излучениями 

Кружочком обозначено состояние атома до и после перехода. 
Энергия волны накачки увеличивается в случае вынужденного излучения; при вынужденном поглощении энергия черпается из волны накачки. 

Вынужденное излучение является основным процессом, определяющим работу лазера, о чем свидетельствуют третья и четвертая буквы в слове laser – light amplification by stimulated emission of radiation – 
усиление световых колебаний при помощи вынужденного излучения. В 
отличие от атомов, которые излучают свет при спонтанных переходах, 
происходящих во времени беспорядочно, кванты энергии, излучаемые 
атомами при вынужденных переходах, находятся в фазе с излучением, 
стимулирующим эти переходы. Это означает, что в случае вынужденного излучения появляются дополнительные кванты света, и амплитуда 
возбуждающей электромагнитной волны возрастает. 

 
 
9 

Возвращаясь к эксперименту с ячейками, заполненными газом, 
отметим, что часть падающего на ячейку излучения с длиной волны λ01 
поглощается атомами газа. Малая доля поглощенной энергии переизлучается в процессе вынужденного излучения, усиливая световой пучок. 
Однако основная часть энергии возбужденных атомов высвобождается 
в процессе спонтанного излучения и распространяется изотропно во 
всех направлениях от ячейки. Таким образом, в этом эксперименте 
уменьшение интенсивности пучка на частоте ν10 происходит в основном из-за поглощения и последующего спонтанного излучения света. 

Все три процесса: вынужденное поглощение, спонтанное и 
вынужденное излучение – происходят в коллективах атомов. В 1917 
году Альберт Эйнштейн доказал, что существует математическая 
связь между вероятностями протекания этих процессов. Среднее относительное число атомов, которые ежесекундно переходят в результате спонтанных переходов из состояния E1 в низшее энергетическое 
состояние E0, обозначают символом A10 и называют коэффициентом 
Эйнштейна для спонтанного излучения. 

Аналогично вводится коэффициент Эйнштейна для вынужденного излучения B10 и коэффициент Эйнштейна для вынужденного 
поглощения B01. 

Можно показать, что в условиях термодинамического равновесия коэффициент вынужденного поглощения равен коэффициенту 
вынужденного излучения, т.е. B01=B10, а коэффициенты спонтанного 
и вынужденного излучения связаны соотношением, которое носит 
название первого соотношения Эйнштейна: 

A10 = 8 π h ν10

3 B10 / с3. 

Несмотря на то, что эти уравненения получены для случая 
термодинамического равновесия, можно предположить, что они будут выполняться для стационарных случаев (постоянных во времени) 
даже тогда, когда истинное термодинамическое равновесие или равновесие абсолютно черного тела не установилось. 

Второе соотношение Эйнштейна гласит, что отношение вероятностей спонтанного и вынужденного излучений для данной пары уровней пропорционально кубу частоты излучательного перехода. Кубическая зависимость от частоты является причиной принципиальных трудностей при создании лазера в рентгеновской области спектра, где ν имеет порядок 1016 Гц. Спонтанное излучение на этих частотах (для переходов с большой энергией) происходит так быстро, что добиться усиления света в результате вынужденного излучения нелегко. 

Поглощение и коэффициенты усиления слабого сигнала. 
Рассмотрим сколлимированный пучок света, распространяющийся в 
направлении оси z и проходящий через атомарный газ (рис.1.2). Для 
простоты предположим, что имеется лишь один излучательный переход между двумя уровнями Ei и Ej (Ej > Ei), а падающее на газ излучение является монохроматичным с частотой, соответствующей 
частоте перехода: 

ν ij = (Ej – Ei) / h. 

Рис. 1.2. Прохождение коллимированного пучка света 
через поглощающую среду (газ): изменение интенсивности пучка 
при прохождении им тонкого слоя газа пропорционально 
интенсивности и толщине слоя Δz 

Пучок света характеризуется интенсивностью I, которая является функцией координаты вдоль оси z. Рассмотрим изменение I (z) 
при прохождении светом небольшого расстояния между плоскостями 
z и (z +Δ z) в газе: 

 
Δ I(z) = I(z+Δ z) – I(z)  
(1.2) 

В случае однородного газа ΔI(z) пропорциональна Δz для достаточно малых Δz и I(z); константа пропорциональности, по определению, является коэффициентом поглощения α: 

 
Δ I(z) = −α I(z) Δ z. 
(1.3) 

Знак минус в правой части указывает на то, что в результате 
поглощения интенсивность света убывает (α – величина положительная). 
Переписав равенство (1.3) в форме дифференциального уравнения, 
получим выражение, характеризующее скорость поглощения света 
при его прохождении через ячейку: 

 
d I(z) / dz = −α I(z). 
(1.4) 

 
 
11