Erinevate materjalide laserlaine pikkuste neeldumiskiiruste erinevuste analüüs

Laser töötlemisel sõltub sellest, kas laserenergia võib materjalile tõhusalt mõjuda, materjali võimest neelduda kindlat laserlainepikkust. Erinevad materjalid näitavad olulisi erinevusi erinevate lainepikkuste neeldumismääras, ja need erinevused mõjutavad otseselt laserlõikamise, -keevitamise, -märgistamise ja -puhastamise tõhusust, stabiilsust ja töötluskvaliteeti. Materjalide ja lainepikkuse neeldumisomaduste mõistmine on aluseks laserprotsessi valikule ja parameetrite optimeerimisele.

I. Põhiline seos laserlainepikkuse ja neeldumismäära vahel

Laserneeldumismäär tähistab osa juhtunud laserenergiast, mille materjali pind neelab. Seda mõjutavad järgmised tegurid:

Laseri lainepikkus

Materjali elektrooniline struktuur ja kristallvõre omadused

Pinnaseisund (tugevus, oksiidkiht, pinnakihid)

Sissesuurenurga ja polarisatsiooni olek

Enamasti ei ole materjali neeldumiskiirus fikseeritud väärtus, vaid see varieerub oluliselt lainepikkusega. Seetõttu võib sama materjalil olla märgatavalt erinevad töötlemistulemused erinevate liikide laserite (nt CO₂, kiud, rohelised või ultraviolettkiirguse laserid) mõjul.

II. Erinevate laserite lainepikkuse neeldumisomadused metallide puhul
1. Feromagnetilised metallid (süsinikteras, roostevaba teras)

Feromagnetilised metallid neelduvad suhteliselt stabiilselt lähedases infrapunases alas (umbes 1,06 μm):

Kõrge neeldumine 1064 nm kiudlaseri puhul

Hea energiakopling 10,6 μm CO₂-laseriga

Neeldumine suureneb veel pinnakihilise oksüdeerimise või ruguldamise järel

Seetõttu kasutatakse kiudlaserid ja CO₂-laserid laialdaselt terasematerjalide lõikamiseks ja keevitamiseks.

2. Kõrgelt peegeldavad metallid (alumiinium, vaske, kuld, hõbe)

Kõrgelt peegeldavad metallid neelduvad infrapunases alas madalt:

Madal algne imendumine 1064 nm laserite puhul, tugeva peegeldusega

Oluliselt kõrgem imendumine lühema lainepikkuse korral (roheline 532 nm, sinine 450 nm)

Imendumine suureneb dünaamiliselt temperatuuri tõustes

See on peamine põhjus, miks rohelised ja sinised laserid on viimastel aastatel kiiresti levinud vase keevitamisel ja täpsete alumiiniumtöötlemise protsessides.

III. Lainepikkuse imendumisomadused mittemetallides
1. Kunstained ja polümeerid

Kunstainete imendumisomadused on tihedalt seotud nende molekulaarse struktuuriga:

Enamik kunstaineid on läbipaistvad või nõrgalt imendavad lähedases infrapunavihis

Kõrge imendumine keskmises ja kaugemas infrapunakiirguses (10,6 μm)

Imendumisomadusi saab oluliselt muuta värvainete või imendurite lisamisel

Seetõttu kasutatakse CO₂-lasereid laialdaselt plastide lõikamiseks, märgistamiseks ja peenkihli töötlemiseks.

2. Puit, paber ja orgaanilised materjalid

Orgaanilised materjalid neelavad tavaliselt infrapunakiirgust hästi:

Suur neeldemisefektiivsus CO₂-laserite puhul

Kalduvad soojuslagunemisele, karboniseerumisele ja aurustumisele

Töötlemisel tekib suhteliselt suur soojuse mõjuga tsoon

Nende materjalide puhul sobivad madala võimsusega pidev- või pulsilasereid infrapunakiirgusega.

IV. Keraamikad, klaas ja läbipaistvad materjalid

Läbipaistvad või poolläbipaistvad materjalid neelavad kiirgust tugevalt sõltuvalt lainepikkusest:

Madal neeldemine ja kõrge läbipaistvus infrapunases ja nähtavas kiirguses

Oluliselt suurenenud neeldumine ultravioletribal

Lühilained laserid tekitavad hõlpsamini mitmefotoneelsumpti

Seetõttu on ultravioletrlaseritel selged eelised klaasi puurimisel ja täppis-keramiikatöötlemisel.

V. Materjali pinna mõju neeldumiskiirusele

Peale materjali sisemisi omadusi mõjutab neeldumise efektiivsust ka pinnaseisund:

Rohkem neelavad laserenergiat rohkem kui peegelpinnad

Oksiidsihid ja pinnakihid võivad vähendada peegelduvust

Pinnal olevad saasteained võivad teatud protsessides suurendada algset neeldumist

Kõrgelt peegeldavate materjalide töötlemisel kasutatakse sageli pinnatöötlust laserenergia sidumise parandamiseks.

VI. Neeldumiseroede mõju laseritöötlemisele

Erinevused materjali neeldumiskiirustes erinevatel laserlainepikkustel mõjutavad otseselt:

Laseri tüübi valikut

Võimsuse ja energiatiheduse seadeid

Töötlemiskiirust ja stabiilsust

Soonega seotud tsooni suurust ja moodustumise kvaliteeti

Sobivalt sobitades materjali sobiva laserlainepikkusega, on võimalik vähendada energiatarbimist, samal ajal parandades töötlemiskvaliteeti ja seadme ohutust.

Erinevatel materjalidel on erinevatel laserlainepikkustel olulised erinevused neeldumiskiirustes. Need erinevused määratakse materjali elektroonilise struktuuri, molekulaarsete vibratsioonide omaduste ja pinnaseisundi järgi. Laseriga töötlemise rakendustes on oluline saavutada kõrge efektiivsus ja kvaliteet, valides laserlainepikkuse, mis vastab materjali neeldumisomadustele. Lühilaineliste laseritehnoloogiate arenguga paranevad pidevalt kõrgelt peegelduvate ja läbipaistvate materjalide töötlemisvõimalused.