Аналіз адрозненняў у хуткасцях паглынання лазерных даўжынь хваль рознымі матэрыяламі

У лазэрнай апрацоўцы здольнасць лазэра да дзеяння на матэрыял залежыць ад здольнасці матэрыялу паглынаць пэўную даўжыню хвалы лазэра. Розныя матэрыялы паказваюць істотныя адрозненні ў паказніках паглынення на розных даўжынях хваль, і гэтыя адрозненні непасрэдна ўплываюць на эфектыўнасць, стабільнасць і якасць лазэрнай рэзкі, зваркі, маркіроўкі і ачысткі. Зразуменне характарыстыкаў паглынення матэрыялаў у залежнасці ад даўжыні хвалы з'яўляецца асновай для выбару лазэрных працэсаў і аптымізацыі параметраў.

I. Асноўная залежнасць паміж даўжынёй хвалы лазэра і паказнікам паглынення

Паказнік паглынення лазэра — гэта адносіна падаючай энергіі лазэра, якая паглынаецца паверхняй матэрыялу. Ён залежыць ад наступных фактараў:

Лазерная хвала

Электронная структура і рэшачкавыя характарыстыкі матэрыялу

Стан паверхні (шаршыкасць, акісны слой, пакрыцця)

Вугал падаючага праменя і стан палярызацыі

У большасці выпадкаў каэфіцыент паглынання матэрыялу не з'яўляецца пастаяннай велічынёй і значна змяняецца ў залежнасці ад даўжыні хвалі. Таму той жа матэрыял можа паказваць істотна розныя вынікі апрацоўкі пры экспазіцыі розных тыпаў лазераў (напрыклад, CO₂, валокныстыя, зялёныя ці ультрафіялетавыя лазеры).

II. Характарыстыкі паглынання розных даўжынь хваль лазера для металічных матэрыялаў
1. Чорныя металы (вугляродная сталь, нержавеючая сталь)

Чорныя металы маюць адносна сталую абсалютную велічыню паглынання ў блізкім ІЧ-дыяпазоне (каля 1,06 мкм):

Высокае паглынанне для валокныстых лазераў 1064 нм

Добры энергетычны сувязак з CO₂-лазерамі 10,6 мкм

Яшчэ большае павелічэнне паглынання пасля акісацыі ці шарашаватасці паверхні

Таму валокныстыя і CO₂-лазеры шырока выкарыстоўваюцца для рэзкі і зваркі сталёвых матэрыялаў.

2. Высокадзідуктныя металы (алюміній, медь, золата, срэбра)

Высокадзідуктныя металы маюць нізкае паглынанне ў інфрачырвоным дыяпазоне:

Нізкая пачатковая абсорцыя для лазераў 1064 нм, з моцным адлюстраваннем

Значна вышэйшая абсорцыя на кароткіх даўжынях хваль (зялёны 532 нм, сіні 450 нм)

Абсорцыя дынамічна павялічваецца з падвышэннем тэмпературы

Гэта асноўная прычына, чаму зялёныя і сінія лазеры былі хутка прынятыя ў зварцы медзі і ў дакладнай апрацоўцы алюмінію ў апошнія гады

III. Характарыстыкі пашырэння даўжыні хваль для немэталічных матэрыялаў
1. Пластыкі і палімерныя матэрыялы

Характарыстыкі абсорцыі пласцікаў цесна звязаныя з іх малекульнай структурай:

Большасць пласцікаў прозорыя ці слабка пашыраюць у блізкай інфрачырвонай вобласці

Высокая абсорцыя ў сярэдняй да далякай інфрачырвонай пасме (10,6 мкм)

Характарыстыкі абсорцыі магутна змяняюцца шляхам дадання пігментоў ці абсарбентаў

Таму CO₂ лазеры шырока выкарыстоўваюцца для рэзкі плашчу, маркіроўкі і апрацоўкі тонкіх плёнак.

2. Драўгіна, папера і арганічныя матэрыялы

Арганічныя матэрыялы звычайна маюць высокі ўзровень пашырання для інфрачырвоных лазераў:

Высокая эфектыўнасць пашырання для CO₂ лазераў

Схільныя да цеплавага разкладання, угляваджэння і выпарэння

Адносна вялікія зоны цеплавага ўплыву пры апрацоўцы

Гэтыя матэрыялы прыдатныя для апрацоўкі нізка-магутных цыклічных ці імпульсных інфрачырвоных лазераў.

IV. Кераміка, шкло і прапорныя матэрыялы

Прапорныя ці паўпрозорыя матэрыялы паказваюць моцную залежнасць пашырання ад даўжыні хвалі:

Нізкае пашырання і высокая прапорнасць у інфрачырвоным і бачным дыяпазонах

Значна павялічанае паглынанне ў ультрафіялетавай вобласці

Лазеры кароткай даўжыні хвалі лягчэй выклікаюць шматфатоннае паглынанне

У выніку лазеры ўльтрафіялетавага дыяпазону маюць вельмі высокія перавагі пры свердзяньні шкла і прэцызійнай апрацоўцы керамікі.

V. Уплыў паверхні матэрыялу на хуткасць паглынання

Акрамя ўласных уласцівасцей матэрыялу, стан паверхні таксама ўплывае на эфектыўнасць паглынання:

Шорсткія паверхні лягчэй паглынаюць лазерную энергію, чым дзеркальныя паверхні

Аксідныя плёнкі і пакрыцці могуць памяншаць адбівальную здольнасць

Забруджванні паверхні могуць павялічваць пачатковае паглынанне ў некаторых працэсах

Пры апрацоўцы выскаальбоўвальных матэрыялаў для паляпшэння злучэння з лазернай энергіяй часта выкарыстоўваецца папярэдняя апрацоўка паверхні.

VI. Уплыў розніц у паглынанні на лазерную апрацоўку

Адрозненні ў ступенях паглынання матэрыялу на розных даўжынях хваль лазера непасрэдна ўплываюць на:

Выбар тыпу лазера

Наладкі магутнасці і шчыльнасці энергіі

Хуткасць і стабільнасць апрацоўкі

Памер зоны тэрмічнага ўздзеяння і якасць фармавання

Правільна падабраўшы матэрыял да адпаведнай даўжыні хвалі лазера, можна знізіць спажыванне энергіі, паляпшаючы пры гэтым якасць апрацоўкі і бяспеку абсталявання.

Існуюць значныя адрозненні ў ступенях паглынання розных матэрыялаў на розных даўжынях хваль лазера. Гэтыя адрозненні вызначаюцца электроннай структурай матэрыялу, характарыстыкамі малекулярных ваганняў і станам паверхні. У прыкладаннях лазернай апрацоўкі выбар даўжыні хвалі лазера, якая адпавядае характарыстыкам паглынання матэрыялу, мае ключовае значэнне для дасягнення высокай эфектыўнасці і высокаякаснага выніку. З развіццём тэхналогій кароткахвалевых лазераў магчымасці апрацоўкі выскараздзеркальных і празрыстых матэрыялаў пастаянна паляпшаюцца.