Analyse der Unterschiede in den Absorptionsraten von Laserwellenlängen durch verschiedene Materialien

Bei der Laserbearbeitung hängt es davon ab, ob die Laserenergie effektiv auf ein Material einwirken kann, von der Fähigkeit des Materials, eine bestimmte Laserwellenlänge zu absorbieren. Unterschiedliche Materialien weisen bei verschiedenen Wellenlängen erhebliche Unterschiede in den Absorptionsraten auf, und diese Unterschiede beeinflussen direkt die Effizienz, Stabilität und Bearbeitungsqualität beim Laserschneiden, Schweißen, Kennzeichnen und Reinigen. Das Verständnis der Absorptionseigenschaften zwischen Material und Wellenlänge ist die Grundlage für die Auswahl der Laserprozesse und die Optimierung der Parameter.

I. Grundlegende Beziehung zwischen Laserwellenlänge und Absorptionsrate

Die Laserabsorptionsrate bezeichnet den Anteil der einfallenden Laserenergie, der von der Materialoberfläche absorbiert wird. Sie wird von folgenden Faktoren beeinflusst:

Laserwellenlänge

Elektronische Struktur und Gittereigenschaften des Materials

Oberflächenzustand (Rauheit, Oxidschicht, Beschichtungen)

Einfallswinkel und Polarisation

In den meisten Fällen ist die Absorptionsrate eines Materials kein fester Wert, sondern variiert erheblich mit der Wellenlänge. Daher können dieselben Materialien deutlich unterschiedliche Bearbeitungsergebnisse aufweisen, wenn sie verschiedenen Lasertypen ausgesetzt werden (wie CO₂-, Faser-, grüne oder ultraviolette Laser).

II. Absorptionseigenschaften verschiedener Laserwellenlängen für metallische Materialien
1. Ferrometalle (Kohlenstoffstahl, Edelstahl)

Ferrometalle weisen eine relativ stabile Absorption im nahen Infrarotbereich (ca. 1,06 μm) auf:

Hohe Absorption bei 1064 nm Faserlasern

Gute energetische Kopplung mit 10,6 μm CO₂-Lasern

Weitere Erhöhung der Absorption nach Oberflächenoxidation oder Rauhigstellung

Daher werden Faserlaser und CO₂-Laser häufig zum Schneiden und Schweißen von Stahlmaterialien eingesetzt.

2. Hochreflektierende Metalle (Aluminium, Kupfer, Gold, Silber)

Hochreflektierende Metalle weisen eine geringe Absorption im Infrarotbereich auf:

Geringe anfängliche Absorption für 1064 nm-Laser, mit starker Reflexion

Deutlich höhere Absorption bei kürzeren Wellenlängen (grün 532 nm, blau 450 nm)

Die Absorption steigt dynamisch mit steigender Temperatur an

Dies ist der Hauptgrund, warum grüne und blaue Laser in den letzten Jahren schnell in der Kupferschweißung und der präzisen Aluminiumbearbeitung übernommen wurden.

III. Wellenlängen-Absorptionseigenschaften von Nichtmetall-Materialien
1. Kunststoffe und Polymermaterialien

Die Absorptionseigenschaften von Kunststoffen hängen eng mit ihrer molekularen Struktur zusammen:

Die meisten Kunststoffe sind im nahinfraroten Bereich durchlässig oder schwach absorbierend

Hohe Absorption im mittleren bis fernen Infrarotbereich (10,6 μm)

Die Absorptionseigenschaften können durch Zugabe von Pigmenten oder Absorbern erheblich verändert werden

Daher werden CO₂-Laser häufig für das Schneiden, Markieren und die Dünnschichtbearbeitung von Kunststoffen eingesetzt.

2. Holz, Papier und organische Materialien

Organische Materialien weisen im Allgemeinen eine hohe Absorption für Infrarotlaser auf:

Hohe Absorptionseffizienz für CO₂-Laser

Anfällig für thermische Zersetzung, Verkohlung und Verdampfung

Relativ große wärmeeinflussste Zonen während der Bearbeitung

Diese Materialien eignen sich für die Bearbeitung mit niederiger Leistung durch kontinuierliche oder gepulste Infrarotlaser.

IV. Keramik, Glas und transparente Materialien

Transparente oder halbtransparente Materialien zeigen eine starke wellenlängenabhängige Absorption:

Geringe Absorption und hohe Transmission im Infrarot- und sichtbaren Bereich

Deutlich erhöhte Absorption im ultravioletten Bereich

Kurzwellige Laser induzieren leichter Mehrphotonenabsorption

Daher bieten Ultraviolett-Laser klare Vorteile beim Bohren von Glas und bei der präzisen Bearbeitung von Keramiken.

V. Einfluss der Materialoberfläche auf die Absorptionsrate

Neben den inhärenten Materialeigenschaften beeinflusst auch der Oberflächenzustand die Absorptionseffizienz:

Raue Oberflächen absorbieren Laserenergie leichter als spiegelähnliche Oberflächen

Oxidschichten und Beschichtungen können die Reflektivität verringern

Oberflächenverunreinigungen können die anfängliche Absorption bei bestimmten Prozessen erhöhen

Bei der Bearbeitung hochreflektierender Materialien wird häufig eine Vorbehandlung der Oberfläche eingesetzt, um die Kopplung der Laserenergie zu verbessern.

VI. Auswirkungen von Absorptionsunterschieden auf die Laserbearbeitung

Unterschiede in der Materialabsorptionsrate bei verschiedenen Laserwellenlängen beeinflussen direkt:

Auswahl des Lasertyps

Leistungs- und Energiedichteeinstellungen

Bearbeitungsgeschwindigkeit und -stabilität

Größe der wärmeeinflussten Zone und Formqualität

Durch die richtige Abstimmung des Materials auf eine geeignete Laserwellenlänge ist es möglich, den Energieverbrauch zu senken, während gleichzeitig die Bearbeitungsqualität und die Anlagensicherheit verbessert werden.

Es bestehen erhebliche Unterschiede in der Absorptionsrate verschiedener Materialien bei unterschiedlichen Laserwellenlängen. Diese Unterschiede werden durch die elektronische Struktur des Materials, seine molekularen Schwingungseigenschaften sowie den Oberflächenzustand bestimmt. In der laserbasierten Materialbearbeitung ist die Auswahl einer Laserwellenlänge, die auf die Absorptionseigenschaften des Materials abgestimmt ist, entscheidend für hohe Effizienz und hervorragende Ergebnisse. Durch die Entwicklung kürzerer Wellenlängen bei Lasertechnologien verbessern sich die Bearbeitungsmöglichkeiten für hochreflektierende und transparente Materialien kontinuierlich.