Analyse af forskellene i absorptionshastigheder af laserbølgelængder ved forskellige materialer

I laserbehandling afhænger det, om laserenergi kan virke effektivt på et materiale, af materialets evne til at absorbere en bestemt laserbølgelængde. Forskellige materialer viser betydelige forskelle i absorptionsgrad ved forskellige bølgelængder, og disse forskelle påvirker direkte effektiviteten, stabiliteten og bearbejdningskvaliteten ved laserskæring, svejsning, mærkning og rengøring. At forstå sammenhængen mellem materiale og bølgelængdes absorption er grundlaget for valg af laserproces og optimering af parametre.

I. Grundlæggende sammenhæng mellem laserbølgelængde og absorptionsgrad

Laserabsorptionsgrad henviser til den andel af indfaldende laserenergi, der absorberes af overfladen af et materiale. Den påvirkes af følgende faktorer:

Laserbølgelængde

Materialets elektroniske struktur og gitteregenskaber

Overfladetilstand (ruhed, oxidlag, belægninger)

Indfaldsvinkel og polarisationsstatus

I de fleste tilfælde er et materiales absorptionsgrad ikke en fast værdi, men varierer betydeligt med bølgelængden. Derfor kan samme materiale vise markant forskellige bearbejdningsergebneder, når det udsættes for forskellige typer lasere (såsom CO₂-, fiber-, grønne eller ultraviolette lasere).

II. Absorptionsegenskaber for forskellige laserbølgelængder for metalmaterialer
1. Jernholdige metaller (carbonstål, rustfrit stål)

Jernholdige metaller viser relativt stabil absorption i det nærinfrarøde bånd (omkring 1,06 μm):

Høj absorption for 1064 nm fiberasere

God energikobling med 10,6 μm CO₂-lasere

Yderligere øget absorption efter overfladeoxidation eller ruhed

Som resultat anvendes fiberasere og CO₂-lasere bredt til skæring og svejsning af stålmateriale.

2. Højt reflekterende metaller (aluminium, kobber, guld, sølv)

Højt reflekterende metaller har lav absorption i infrarødt bånd:

Lav begyndelsesabsorption for 1064 nm lasere, med stærk refleksion

Betydeligt højere absorption ved kortere bølgelængder (grøn 532 nm, blå 450 nm)

Absorptionen stiger dynamisk, når temperaturen stiger

Det er den primære årsag til, at grønne og blå lasere de senere år er blevet hurtigt adopteret inden for kobber-svejsning og præcisionsbearbejdning af aluminium.

III. Bølgelængdeabsorptionsegenskaber for ikke-metalliske materialer
1. Plast- og polymere materialer

Plastmaterialers absorptionsegenskaber er tæt forbundet med deres molekylære struktur:

De fleste plastmaterialer er gennemsigtige eller svagt absorberende i det nære infrarøde område

Høj absorption i midt- til langbølget infrarødt område (10,6 μm)

Absorptionsegenskaberne kan ændres markant ved tilsætning af pigmenter eller absorberende stoffer

Derfor anvendes CO₂-lasere bredt til skæring, mærkning og behandling af tyndfilm i plast.

2. Træ, papir og organiske materialer

Organiske materialer viser generelt høj absorption for infrarøde lasere:

Høj absorptions-effektivitet for CO₂-lasere

Vil ofte gennemgå termisk nedbrydning, carbonisering og fordampning

Relativt store varmepåvirkede zoner under bearbejdningen

Disse materialer er velegnede til laveffekt kontinuerlig eller pulseret infrarød laserbearbejdning.

IV. Keramik, glas og transparente materialer

Transparente eller halvtransparente materialer viser stærk bølgelængdeafhængighed i absorptionen:

Lav absorption og høj gennemsigtighed i infrarødt og synligt lys

Betydelig øget absorption i det ultraviolette område

Kortbølgede lasere fremkalder nemmere multiphoton-absorption

Som resultat har ultravioletlasere klare fordele ved boring i glas og præcisionsbearbejdning af keramik.

V. Indflydelse af materialeoverflade på absorptionsrate

Ud over indre materialeegenskaber påvirker overfladetilstanden også absorptionseffektiviteten:

Ru overflader absorberer laserenergi nemmere end spejllignende overflader

Oxidlag og belægninger kan reducere refleksiviteten

Overfladeforureninger kan øge den initiale absorption i visse processer

Ved bearbejdning af stærkt reflekterende materialer anvendes ofte overfladeforbehandling for at forbedre koblingen af laserenergi.

VI. Indvirkning af absorptionsforskelle på laserbearbejdning

Forskelle i materialeabsorptionshastigheder ved forskellige laserbølgelængder påvirker direkte:

Valg af lasertype

Effekt- og energitæthedsindstillinger

Behandlingshastighed og stabilitet

Størrelsen på varme-påvirkede zoner og formningskvalitet

Ved korrekt at matche materialet med en passende laserbølgelængde er det muligt at reducere energiforbruget, samtidig med at behandlingskvaliteten og udstyrets sikkerhed forbedres.

Der findes betydelige forskelle i absorptionshastighederne for forskellige materialer ved forskellige laserbølgelængder. Disse forskelle bestemmes af materialets elektroniske struktur, molekylære vibrationskarakteristikker og overfladetilstand. I laserbehandlingsapplikationer er valg af en laserbølgelængde, der matcher materialets absorptionskarakteristikker, nøglen til at opnå høj effektivitet og kvalitet. Med udviklingen inden for korte bølgelængder forbedres bearbejdningsevnerne for stærkt reflekterende og gennemsigtige materialer løbende.