Análisis de las diferencias en las tasas de absorción de longitudes de onda láser por diferentes materiales

En el procesamiento láser, si la energía láser puede actuar eficazmente sobre un material depende de la capacidad del material para absorber una longitud de onda láser específica. Los diferentes materiales presentan diferencias significativas en las tasas de absorción a distintas longitudes de onda, y estas diferencias afectan directamente la eficiencia, estabilidad y calidad del corte, soldadura, marcado y limpieza láser. Comprender las características de absorción entre el material y la longitud de onda es la base para la selección del proceso láser y la optimización de parámetros.

I. Relación básica entre la longitud de onda láser y la tasa de absorción

La tasa de absorción láser se refiere a la proporción de energía láser incidente que es absorbida por la superficie de un material. Está influenciada por los siguientes factores:

Longitud de onda del láser

Estructura electrónica y características de la red del material

Condición superficial (rugosidad, capa de óxido, recubrimientos)

Ángulo de incidencia y estado de polarización

En la mayoría de los casos, la tasa de absorción de un material no es un valor fijo, sino que varía significativamente según la longitud de onda. Por lo tanto, el mismo material puede presentar resultados de procesamiento notablemente diferentes cuando se expone a diferentes tipos de láseres (como láseres de CO₂, de fibra, verdes o ultravioleta).

II. Características de absorción de diferentes longitudes de onda láser en materiales metálicos
1. Metales ferrosos (acero al carbono, acero inoxidable)

Los metales ferrosos presentan una absorción relativamente estable en la banda del infrarrojo cercano (alrededor de 1,06 μm):

Alta absorción para láseres de fibra de 1064 nm

Buena acoplamiento energético con láseres de CO₂ de 10,6 μm

Absorción aún mayor tras la oxidación superficial o el rugosizado

Como resultado, los láseres de fibra y los láseres de CO₂ se utilizan ampliamente para el corte y soldadura de materiales de acero.

2. Metales altamente reflectantes (aluminio, cobre, oro, plata)

Los metales altamente reflectantes tienen baja absorción en la banda del infrarrojo:

Baja absorción inicial para láseres de 1064 nm, con fuerte reflexión

Absorción significativamente mayor a longitudes de onda más cortas (verde 532 nm, azul 450 nm)

La absorción aumenta dinámicamente conforme sube la temperatura

Esta es la razón principal por la cual los láseres verdes y azules han sido adoptados rápidamente en la soldadura de cobre y el procesamiento preciso de aluminio en los últimos años.

III. Características de absorción de longitud de onda de materiales no metálicos
1. Plásticos y materiales poliméricos

Las características de absorción de los plásticos están estrechamente relacionadas con su estructura molecular:

La mayoría de los plásticos son transparentes o débilmente absorbentes en el rango del infrarrojo cercano

Alta absorción en la banda del infrarrojo medio a lejano (10,6 μm)

Las características de absorción pueden alterarse significativamente mediante la adición de pigmentos o agentes absorbentes

Por lo tanto, los láseres de CO₂ se utilizan ampliamente para el corte, marcado y procesamiento de películas delgadas de plástico.

2. Madera, papel y materiales orgánicos

Los materiales orgánicos generalmente presentan una alta absorción para láseres infrarrojos:

Alta eficiencia de absorción para láseres de CO₂

Propensos a descomposición térmica, carbonización y vaporización

Zonas afectadas por el calor relativamente grandes durante el procesamiento

Estos materiales son adecuados para procesamiento con láser infrarrojo continuo o pulsado de baja potencia.

IV. Cerámicas, vidrio y materiales transparentes

Los materiales transparentes o semitransparentes muestran una fuerte dependencia de la longitud de onda en la absorción:

Baja absorción y alta transmitancia en los rangos infrarrojo y visible

Absorción significativamente aumentada en el rango ultravioleta

Los láseres de onda corta inducen más fácilmente la absorción multiphotónica

Como resultado, los láseres ultravioleta tienen ventajas claras en perforación de vidrio y procesamiento cerámico de precisión.

V. Influencia de la superficie del material en la tasa de absorción

Además de las propiedades intrínsecas del material, la condición superficial también afecta la eficiencia de absorción:

Las superficies rugosas absorben la energía láser más fácilmente que las superficies espejo

Las capas de óxido y recubrimientos pueden reducir la reflectividad

Los contaminantes superficiales pueden aumentar la absorción inicial en ciertos procesos

En el procesamiento de materiales altamente reflectantes, a menudo se utiliza un pretratamiento superficial para mejorar el acoplamiento de la energía láser.

VI. Impacto de las diferencias de absorción en el procesamiento láser

Las diferencias en las tasas de absorción de los materiales a diversas longitudes de onda láser afectan directamente:

Selección del tipo de láser

Configuraciones de potencia y densidad de energía

Velocidad y estabilidad del procesamiento

Tamaño de la zona afectada por el calor y la calidad de conformado

Al combinar adecuadamente el material con una longitud de onda láser apropiada, es posible reducir el consumo de energía mientras se mejora la calidad del procesamiento y la seguridad del equipo.

Existen diferencias significativas en las tasas de absorción de distintos materiales a diversas longitudes de onda láser. Estas diferencias están determinadas por la estructura electrónica del material, sus características de vibración molecular y su condición superficial. En aplicaciones de procesamiento láser, seleccionar una longitud de onda láser que coincida con las características de absorción del material es clave para lograr resultados de alta eficiencia y calidad. Con el desarrollo de las tecnologías láser de corta longitud de onda, las capacidades de procesamiento de materiales altamente reflectantes y transparentes continúan mejorando.