تحليل الاختلافات في معدلات الامتصاص للأطوال الموجية للليزر من قبل مواد مختلفة

في المعالجة بالليزر، يعتمد ما إذا كان يمكن للطاقة الليزرية أن تؤثر بشكل فعّال على مادة ما على قدرة المادة على امتصص طول موجة ليزر معين. تُظهر مواد مختلفة فروقات كبيرة في معدلات الامتصاص عند أطوال موجات مختلفة، وتؤثر هذه الفروقات مباشرة على كفاءة واستقرار وجودة المعالجة في عمليات القطع واللحام والوسم والتنظيف بالليزر. إن فهم خصائص الامتصاص بين المادة وطول الموجة يُعد الأساس لاختيار عملية الليزر وتحسين معاييرها.

العلاقة الأساسية بين طول موجة الليزر ومعدل الامتصاص

يشير معدل امتصاص الليزر إلى النسبة من طاقة الليزر الساقطة التي تم امتصاصها بواسطة سطح المادة. ويتأثر بالعوامل التالية:

طول موجة الليزر

البنية الإلكترونية وخصائص الشبكة البلورية للمادة

حالة السطح (الخشونة، الطبقة الأكسيدية، الطلاءات)

زاوية السقوط وحالة الاستقطاب

في معظم الحالات، لا تكون نسبة امتصاص المادة قيمة ثابتة، بل تختلف بشكل كبير باختلاف الطول الموجي. ولذلك، يمكن لنفس المادة أن تُظهر نتائج معالجة مختلفة بوضوح عند تعرضها لأنواع مختلفة من الليزر (مثل ليزر CO₂، أو ليزر الألياف، أو الليزر الأخضر، أو الليزر فوق البنفسجي).

ثانيًا. خصائص الامتصاص لموجات الليزر المختلفة بالنسبة للمواد المعدنية
1. المعادن الحديدية (الفولاذ الكربوني، الفولاذ المقاوم للصدأ)

تُظهر المعادن الحديدية امتصاصًا مستقرًا نسبيًا في نطاق الأشعة تحت الحمراء القريبة (حوالي 1.06 ميكرومتر):

امتصاص عالٍ لليزر الليفي ذي الطول الموجي 1064 نانومتر

اقتران جيد للطاقة مع ليزر CO₂ ذي الطول الموجي 10.6 ميكرومتر

زيادة إضافية في الامتصاص بعد أكسدة السطح أو جعله خشنًا

نتيجة لذلك، يُستخدم ليزر الألياف وليزر CO₂ على نطاق واسع في قطع ولحام المواد الفولاذية.

2. المعادن شديدة الانعكاسية (الألومنيوم، النحاس، الذهب، الفضة)

تمتلك المعادن شديدة الانعكاسية امتصاصًا منخفضًا في نطاق الأشعة تحت الحمراء:

امتصاص أولي منخفض لليزر عند طول موجة 1064 نانومتر، مع انعكاس قوي

امتصاص أعلى بشكل ملحوظ عند الأطوال الموجية الأقصر (الأخضر 532 نانومتر، والأزرق 450 نانومتر)

يزداد الامتصاص ديناميكيًا مع ارتفاع درجة الحرارة

هذا هو السبب الرئيسي وراء تبني الليزر الأخضر والأزرق بسرعة في لحام النحاس والمعالجة الدقيقة للألومنيوم في السنوات الأخيرة.

ثالثًا: خصائص امتصاص الطول الموجي للمواد غير المعدنية
1. البلاستيك والمواد البوليمرية

تتعلق خصائص امتصاص البلاستيك ارتباطًا وثيقًا بهيكلها الجزيئي:

معظم أنواع البلاستيك شفافة أو ضعيفة الامتصاص في نطاق الأشعة تحت الحمراء القريبة

امتصاص عالي في نطاق الأشعة تحت الحمراء المتوسطة إلى البعيدة (10.6 ميكرومتر)

يمكن تغيير خصائص الامتصاص بشكل كبير بإضافة أصباغ أو مواد ماصة

لذلك تُستخدم أشعة الليزر CO₂ على نطاق واسع في قص البلاستيك، والوسم، ومعالجة الأغشية الرقيقة.

2. الخشب، والورق، والمواد العضوية

تشير المواد العضوية عمومًا إلى امتصاص عالٍ لأجهزة الليزر تحت الحمراء:

كفاءة امتصاص عالية لأجهزة ليزر CO₂

معرضة للتحلل الحراري، والتكتل الكربوني، والتسامي

مناطق مؤثرة حراريًا كبيرة نسبيًا أثناء المعالجة

هذه المواد مناسبة للمعالجة بليزر تحت الأحمر المستمر أو النابض ذي القدرة المنخفضة.

رابعًا. السيراميك، والزجاج، والمواد الشفافة

تُظهر المواد الشفافة أو شبه الشفافة اعتمادًا قويًا على الطول الموجي في الامتصاص:

امتصاص منخفض ونفاذية عالية في المدى تحت الأحمر والمرئي

زيادة ملحوظة في الامتصاص في النطاق فوق البنفسيجي

الليزر ذي الموجات القصيرة يحفز بسهولة امتصاص متعدد الفوتونات

نتيجةً لذلك، فإن الليزر فوق البنفسيجي يتمتع بمزايا واضحة في الحفر الزجاجي والمعالجة الدقيقة للسيراميك.

خامسًا: تأثير سطح المادة على معدل الامتصاص

بالإضافة إلى الخصائص الجوهرية للمادة، فإن الحالة السطحية تؤثر أيضًا على كفاءة الامتصاص:

الأسطح الخشنة تمتص طاقة الليزر بسهولة أكبر من الأسطح المرآتية

طبقات الأكسيد والطلاءات يمكن أن تقلل الانعكاسية

الملوثات السطحية يمكن أن تزيد من الامتصاص الأولي في بعض العمليات

في معالقة المواد شديدة الانعكاس، غالبًا ما تُستخدم المعالجة السطحية المسبقة لتحسين اقتران طاقة الليزر.

سادسًا: تأثير الاختلافات في الامتصاص على المعالجة بالليزر

تؤثر اختلافات معدلات امتصاص المواد عند أطوال موجية مختلفة للليزر بشكل مباشر على:

اختيار نوع الليزر

إعدادات القدرة وكثافة الطاقة

سرعة المعالجة والاستقرار

حجم المنطقة المتأثرة بالحرارة وجودة التشكيل

من خلال مطابقة المادة بشكل مناسب مع طول موجي ليزري مناسب، يمكن تقليل استهلاك الطاقة مع تحسين جودة المعالجة وسلامة المعدات.

توجد اختلافات كبيرة في معدلات امتصاص المواد المختلفة عند أطوال موجية مختلفة للليزر. وتتحدد هذه الاختلافات من خلال البنية الإلكترونية للمادة، وخصائص الاهتزاز الجزيئي، والحالة السطحية. في تطبيقات المعالجة بالليزر، يُعد اختيار طول موجي ليزري يتماشى مع خصائص امتصاص المادة أمراً أساسياً لتحقيق نتائج عالية الكفاءة وعالية الجودة. ومع تطور تقنيات الليزر ذات الأطوال الموجية القصيرة، تستمر قدرات المعالجة للمواد العاكسة بشدة والمواد الشفافة في التحسن.