Ανάλυση των Διαφορών στους Συντελεστές Απορρόφησης των Μήκών Κύματος Λέιζερ από Διαφορετικά Υλικά

Στην επεξεργασία με λέιζερ, η ικανότητα της λέιζερ ενέργειας να ενεργεί αποτελεσματικά σε ένα υλικό εξαρτάται από την ικανότητα του υλικού να απορροφά μια συγκεκριμένη μήκος κύματος λέιζερ. Διαφορετικά υλικά εμφανίζουν σημαντικές διαφορές στους ρυθμούς απορρόφησης σε διαφορετικά μήκη κύματος, και αυτές οι διαφορές επηρεάζουν άμεσα την αποδοτικότητα, τη σταθερότητα και την ποιότητα επεξεργασίας στην κοπή, συγκόλληση, σήμανση και καθαρισμό με λέιζερ. Η κατανόηση των χαρακτηριστικών απορρόφησης υλικού–μήκους κύματος αποτελεί τη βάση για την επιλογή διεργασιών λέιζερ και τη βελτιστοποίηση παραμέτρων.

Ι. Βασική Σχέση Μεταξύ Μήκους Κύματος Λέιζερ και Ρυθμού Απορρόφησης

Ο ρυθμός απορρόφησης λέιζερ αναφέρεται στο ποσοστό της προσπίπτουσας ενέργειας λέιζερ που απορροφάται από την επιφάνεια ενός υλικού. Επηρεάζεται από τους ακόλουθους παράγοντες:

Μήκος κύματος λέιζερ

Ηλεκτρονική δομή και χαρακτηριστικά του πλέγματος του υλικού

Κατάσταση της επιφάνειας (τραχύτητα, στιβάδα οξειδίου, επικαλύψεις)

Γωνία πρόσπτωσης και κατάσταση πόλωσης

Στις περισσότερες περιπτώσεις, ο ρυθμός απορρόφησης ενός υλικού δεν είναι σταθερή τιμή, αλλά μεταβάλλεται σημαντικά με το μήκος κύματος. Ως εκ τούτου, το ίδιο υλικό μπορεί να εμφανίζει σημαντικά διαφορετικά αποτελέσματα επεξεργασίας όταν εκτίθεται σε διαφορετικούς τύπους λέιζερ (όπως CO₂, ίνας, πράσινο ή υπεριώδη λέιζερ).

ΙΙ. Χαρακτηριστικά απορρόφησης διαφορετικών μηκών κύματος λέιζερ για μεταλλικά υλικά
1. Σιδηρούχα μέταλλα (χαλύβας άνθρακα, ανοξείδωτος χάλυβας)

Τα σιδηρούχα μέταλλα εμφανίζουν σχετικά σταθερή απορρόφηση στη ζώνη του πλησιέστερου υπερύθρου (περίπου 1,06 μm):

Υψηλή απορρόφηση για λέιζερ ινών 1064 nm

Καλή σύζευξη ενέργειας με λέιζερ CO₂ 10,6 μm

Περαιτέρω αύξηση της απορρόφησης μετά την οξείδωση ή τραχύνση της επιφάνειας

Ως αποτέλεσμα, τα λέιζερ ινών και τα λέιζερ CO₂ χρησιμοποιούνται ευρέως για την κοπή και συγκόλληση χαλύβων.

2. Υψηλά ανακλαστικά μέταλλα (αλουμίνιο, χαλκός, χρυσός, άργυρος)

Τα υψηλά ανακλαστικά μέταλλα έχουν χαμηλή απορρόφηση στη ζώνη του υπερύθρου:

Χαμηλή αρχική απορρόφηση για λέιζερ 1064 nm, με ισχυρή ανάκλαση

Σημαντικά υψηλότερη απορρόφηση σε μικρότερα μήκη κύματος (πράσινο 532 nm, μπλε 450 nm)

Η απορρόφηση αυξάνεται δυναμικά καθώς η θερμοκρασία αυξάνει

Αυτός είναι ο κύριος λόγος για τον οποίο τα πράσινα και μπλε λέιζερ έχουν υιοθετηθεί γρήγορα στην συγκόλληση χαλκού και στην ακριβή επεξεργασία αλουμινίου τα τελευταία χρόνια.

III. Χαρακτηριστικά Απορρόφησης Μήκους Κύματος Μη Μεταλλικών Υλικών
1. Πλαστικά και Πολυμερή Υλικά

Τα χαρακτηριστικά απορρόφησης των πλαστικών σχετίζονται στενά με τη μοριακή τους δομή:

Η πλειονότητα των πλαστικών είναι διαφανή ή ασθενώς απορροφητική στο εύρος του κοντινού υπερύθρου

Υψηλή απορρόφηση στη ζώνη του μέσου έως μακρινού υπερύθρου (10,6 μm)

Τα χαρακτηριστικά απορρόφησης μπορούν να τροποποιηθούν σημαντικά με την προσθήκη χρωστικών ή απορροφητών ουσιών

Επομένως, οι διοξείδιο του άνθρακα λέιζερ χρησιμοποιούνται ευρέως για την κοπή, την σήμανση και την επεξεργασία λεπτών υμών σε πλαστικά.

2. Ξύλο, Χαρτί και Οργανικά Υλικά

Τα οργανικά υλικά γενικά εμφανίζουν υψηλή απορρόφηση στους ακτίνες λέιζερ του υπέρυθρου:

Υψηλή αποδοτικότητα απορρόφησης για λέιζερ CO₂

Πρόθυμοι σε θερμική αποσύνθεση, αποχάρωση και εξάτμιση

Σχετικά μεγάλες ζώνες θερμικής επίδρασης κατά την επεξεργασία

Αυτά τα υλικά είναι κατάλληλα για επεξεργασία με λέιζερ υπέρυθρου χαμηλής ισχύος, συνεχούς ή παλινδρομικής λειτουργίας

IV. Κεραμικά, Γυαλί και Διαφανή Υλικά

Διαφανή ή ημιδιαφανή υλικά εμφανίζουν ισχυρή εξάρτηση από το μήκος κύματος στην απορρόφηση:

Χαμηλή απορρόφηση και υψηλή διαπερατότητα στις περιοχές του υπέρυθρου και του ορατού φωτός

Σημαντικά αυξημένη απορρόφηση στην υπεριώδη περιοχή

Οι λέιζερ μικρού μήκους κύματος προκαλούν ευκολότερα πολυφωτονική απορρόφηση

Ως αποτέλεσμα, τα υπεριώδη λέιζερ έχουν σαφή πλεονεκτήματα στη διάτρηση γυαλιού και στην ακριβή επεξεργασία κεραμικών.

V. Επίδραση της Επιφάνειας του Υλικού στον Ρυθμό Απορρόφησης

Εκτός από τις ενδογενείς ιδιότητες του υλικού, η κατάσταση της επιφάνειας επηρεάζει επίσης την αποδοτικότητα απορρόφησης:

Τραχιές επιφάνειες απορροφούν πιο εύκολα την ενέργεια λέιζερ από ό,τι καθρεφτιστές επιφάνειες

Οι στρώσεις οξειδίου και οι επικαλύψεις μπορούν να μειώσουν την ανακλαστικότητα

Οι επιφανειακοί ρύποι μπορούν να αυξήσουν την αρχική απορρόφηση σε ορισμένες διεργασίες

Κατά την επεξεργασία υλικών με υψηλή ανακλαστικότητα, χρησιμοποιείται συχνά προ-επεξεργασία της επιφάνειας για βελτίωση της σύζευξης της ενέργειας λέιζερ.

VI. Επίδραση των Διαφορών Απορρόφησης στην Επεξεργασία με Λέιζερ

Οι διαφορές στους ρυθμούς απορρόφησης υλικών σε διάφορα μήκη κύματος λέιζερ επηρεάζουν άμεσα:

Επιλογή τύπου λέιζερ

Ρυθμίσεις ισχύος και πυκνότητας ενέργειας

Ταχύτητα και σταθερότητα επεξεργασίας

Μέγεθος της ζώνης που επηρεάζεται από τη θερμότητα και η ποιότητα του σχηματισμού

Με τη σωστή αντιστοίχιση του υλικού με το κατάλληλο μήκος κύματος λέιζερ, είναι δυνατό να μειωθεί η κατανάλωση ενέργειας, βελτιώνοντας ταυτόχρονα την ποιότητα επεξεργασίας και την ασφάλεια του εξοπλισμού.

Υπάρχουν σημαντικές διαφορές στους ρυθμούς απορρόφησης διαφορετικών υλικών σε διάφορα μήκη κύματος λέιζερ. Αυτές οι διαφορές καθορίζονται από την ηλεκτρονική δομή του υλικού, τα χαρακτηριστικά μοριακών ταλαντώσεων και την επιφανειακή κατάσταση. Σε εφαρμογές λέιζερ, η επιλογή μήκους κύματος λέιζερ που ταιριάζει με τα χαρακτηριστικά απορρόφησης του υλικού αποτελεί το κλειδί για την επίτευξη υψηλής απόδοσης και ποιότητας. Με την ανάπτυξη τεχνολογιών λέιζερ σύντομου μήκους κύματος, οι δυνατότητες επεξεργασίας υλικών με υψηλή ανακλαστικότητα και διαφάνεια συνεχώς βελτιώνονται.