Analýza rozdílů v rychlostech absorpce laserových vlnových délek různými materiály

Při laserovém zpracování závisí, zda se laserová energie může efektivně působit na materiál, na schopnosti materiálu absorbovat určitou vlnovou délku laseru. Různé materiály vykazují významné rozdíly v míře absorpce při různých vlnových délkách a tyto rozdíly přímo ovlivňují účinnost, stabilitu a kvalitu zpracování při laserovém řezání, svařování, značení a čištění. Porozumění vlastnostem absorpce materiálu ve vztahu k vlnové délce je základem pro výběr laserového procesu a optimalizaci parametrů.

I. Základní vztah mezi vlnovou délkou laseru a mírou absorpce

Míra absorpce laseru označuje podíl dopadající laserové energie pohlcené povrchem materiálu. Ovlivňují ji následující faktory:

Vlnová délka laseru

Elektronická struktura a mřížkové vlastnosti materiálu

Stav povrchu (drsnost, oxidační vrstva, povlaky)

Úhel dopadu a polarizační stav

Většinou není absorpční koeficient materiálu pevnou hodnotou, ale výrazně se mění v závislosti na vlnové délce. Proto může tentýž materiál vykazovat značně odlišné výsledky zpracování při použití různých typů laserů (např. CO₂, vláknové, zelené nebo ultrafialové lasery).

II. Absorpční vlastnosti různých laserových vlnových délek u kovových materiálů
1. Železné kovy (uhlíková ocel, nerezová ocel)

Železné kovy vykazují relativně stabilní absorpci v blízké infračervené oblasti (okolo 1,06 μm):

Vysoká absorpce u vláknových laserů 1064 nm

Dobré spřažení energie s CO₂ lasery 10,6 μm

Absorpce se dále zvyšuje po oxidaci nebo drsnosti povrchu

Vláknové lasery a CO₂ lasery se proto běžně používají pro řezání a svařování ocelových materiálů.

2. Vysoce odrazivé kovy (hliník, měď, zlato, stříbro)

Vysoce odrazivé kovy mají nízkou absorpci v infračervené oblasti:

Nízká počáteční absorpce pro lasery s vlnovou délkou 1064 nm, se silným odrazem

Výrazně vyšší absorpce při kratších vlnových délkách (zelená 532 nm, modrá 450 nm)

Absorpce dynamicky stoupá s rostoucí teplotou

To je hlavním důvodem, proč byly zelené a modré lasery v posledních letech rychle přijaty při svařování mědi a přesného opracování hliníku.

III. Vlastnosti absorpce vlnové délky u nekovových materiálů
1. Plasty a polymerové materiály

Absorpční vlastnosti plastů jsou úzce spjaty s jejich molekulární strukturou:

Většina plastů je v blízkém infračerveném pásmu průhledná nebo slabě absorbující

Vysoká absorpce ve středním až dalekém infračerveném pásmu (10,6 μm)

Absorpční vlastnosti lze výrazně změnit přidáním barviv nebo absorbérů

Proto jsou CO₂ lasery široce využívány pro řezání plastů, značení a zpracování tenkých vrstev.

2. Dřevo, papír a organické materiály

Organické materiály obecně vykazují vysokou absorpci u infračervených laserů:

Vysoká účinnost absorpce pro CO₂ lasery

Náchylné k tepelnému rozkladu, karbonizaci a odpařování

Relativně velké tepelně ovlivněné zóny během zpracování

Tyto materiály jsou vhodné pro zpracování nízkovýkonými nepřetržitými nebo pulzními infračervenými lasery.

IV. Keramiky, sklo a průhledné materiály

Průhledné nebo poloprůhledné materiály vykazují silnou závislost absorpce na vlnové délce:

Nízká absorpce a vysoká propustnost v infračerveném a viditelném spektru

Výrazně zvýšené absorpce v ultrafialovém rozsahu

Laserové záření krátké vlnové délky více podporuje vícefotonovou absorpci

V důsledku toho mají ultrafialové lasery jasné výhody při vrtání skla a přesné obrábění keramiky.

V. Vliv povrchu materiálu na rychlost absorpce

Kromě vnitřních vlastností materiálu ovlivňuje účinnost absorpce také stav povrchu:

Drsné povrchy snadněji absorbují laserovou energii než zrcadlové povrchy

Oxidové vrstvy a povlaky mohou snížit odrazivost

Povrchové kontaminanty mohou zvýšit počáteční absorpci u určitých procesů

Při zpracování vysoce reflexních materiálů se často používá předúprava povrchu za účelem zlepšení vazby laserové energie.

VI. Dopad rozdílů v absorpci na laserové zpracování

Rozdíly v rychlosti absorpce materiálů při různých vlnových délkách laseru přímo ovlivňují:

Výběr typu laseru

Nastavení výkonu a hustoty energie

Rychlost a stabilitu zpracování

Velikost tepelně ovlivněné zóny a kvalitu tváření

Při vhodné volbě materiálu v kombinaci s příslušnou vlnovou délkou laseru je možné snížit spotřebu energie, zároveň však zlepšit kvalitu zpracování a bezpečnost zařízení.

Různé materiály vykazují významné rozdíly v absorpci při různých vlnových délkách laseru. Tyto rozdíly jsou určeny elektronickou strukturou materiálu, charakteristikami molekulových vibrací a stavem povrchu. V aplikacích laserového zpracování je klíčové pro dosažení vysoké účinnosti a kvality výběr vlnové délky laseru, která odpovídá absorpčním vlastnostem materiálu. S rozvojem technologií krátkovlnných laserů se neustále zlepšují možnosti zpracování vysoce reflexních a průhledných materiálů.