تحلیل تفاوت‌های نرخ جذب طول‌موج‌های لیزر توسط مواد مختلف

در پردازش لیزری، اینکه آیا انرژی لیزر می‌تواند به‌طور مؤثر بر روی یک ماده عمل کند، به توانایی آن ماده در جذب طول موج خاص لیزر بستگی دارد. مواد مختلف در طول موجهای متفاوت، تفاوت‌های قابل توجهی در نرخ جذب نشان می‌دهند و این تفاوت‌ها مستقیماً بر بازده، پایداری و کیفیت پردازش در برش لیزری، جوشکاری، علامت‌گذاری و تمیزکاری تأثیر می‌گذارند. درک ویژگی‌های جذب ماده–طول موج، اساس انتخاب فرآیند لیزری و بهینه‌سازی پارامترها است.

رابطه پایه بین طول موج لیزر و نرخ جذب

نرخ جذب لیزر به بخشی از انرژی لیزر تابشی گفته می‌شود که توسط سطح ماده جذب می‌شود. این مقدار تحت تأثیر عوامل زیر است:

طول موج لیزر

ساختار الکترونی و ویژگی‌های شبکه ماده

شرایط سطح (زبری، لایه اکسید، پوشش‌ها)

زاویه تابش و حالت قطبی‌سازی

در بیشتر موارد، نرخ جذب یک ماده مقداری ثابت نیست و به‌طور قابل توجهی با طول موج تغییر می‌کند. بنابراین، همان ماده ممکن است در مواجهه با انواع مختلف لیزر (مانند لیزرهای CO₂، فیبر، سبز یا ماوراء بنفش) نتایج پردازش متفاوتی از خود نشان دهد.

II. ویژگی‌های جذب مواد فلزی برای طول موج‌های مختلف لیزر
1. فلزات آهنی (فولاد کربنی، فولاد ضدزنگ)

فلزات آهنی در نوار مادون قرمز نزدیک (حدود 1.06 میکرومتر) جذب نسبتاً پایداری از خود نشان می‌دهند:

جذب بالا برای لیزرهای فیبری 1064 نانومتری

جفت‌شدگی انرژی خوب با لیزرهای CO₂ در 10.6 میکرومتر

افزایش بیشتر جذب پس از اکسید شدن یا زبر شدن سطح

در نتیجه، لیزرهای فیبری و لیزرهای CO₂ به‌طور گسترده‌ای در برش و جوشکاری مواد فولادی استفاده می‌شوند.

2. فلزات بسیار بازتابنده (آلومینیوم، مس، طلا، نقره)

فلزات بسیار بازتابنده جذب پایینی در نوار مادون قرمز دارند:

جذب اولیه پایین برای لیزرهای 1064 نانومتری، با بازتاب قوی

جذب به‌طور قابل‌توجهی در طول موج‌های کوتاه‌تر (سبز 532 نانومتر، آبی 450 نانومتر) بیشتر است

جذب به‌صورت پویا با افزایش دما افزایش می‌یابد

این دلیل اصلی است که چرا لیزر‌های سبز و آبی در سال‌های اخیر به‌سرعت در جوشکاری مس و پردازش دقیق آلومینیوم مورد استفاده قرار گرفته‌اند.

III. ویژگی‌های جذب طول موج مواد غیرفلزی
1. مواد پلاستیکی و پلیمری

ویژگی‌های جذب پلاستیک‌ها ارتباط تنگاتنگی با ساختار مولکولی آن‌ها دارد:

اکثر پلاستیک‌ها در محدوده نزدیک به مادون قرمز شفاف یا ضعیف‌الجذب هستند

جذب بالا در نوار مادون قرمز میانی تا دور (10.6 میکرومتر)

ویژگی‌های جذب می‌توانند با افزودن رنگ‌دانه‌ها یا عوامل جاذب به‌طور قابل‌توجهی تغییر کنند

بنابراین، لیزرهای CO₂ به‌طور گسترده برای برش پلاستیک، علامت‌گذاری و پردازش فیلم‌های نازک استفاده می‌شوند.

2. چوب، کاغذ و مواد آلی

مواد آلی معمولاً جذب بالایی در مقابل لیزرهای مادون قرمز دارند:

راندمان جذب بالا برای لیزرهای CO₂

تمایل به تجزیه حرارتی، کربونیزاسیون و تبخیر

مناطق تحت تأثیر حرارتی نسبتاً بزرگ در حین پردازش

این مواد برای پردازش با لیزرهای مادون قرمز با توان پایین و به صورت پیوسته یا پالسی مناسب هستند.

IV. سرامیک‌ها، شیشه و مواد شفاف

مواد شفاف یا نیمه‌شفاف وابستگی قوی به طول موج در جذب نشان می‌دهند:

جذب پایین و عبور بالا در محدوده‌های مادون قرمز و مرئی

افزایش قابل توجه جذب در محدوده فرابنفش

لیزرهای با طول موج کوتاه به راحتی جذب چندفوتونی را ایجاد می‌کنند

در نتیجه، لیزرهای فرابنفش مزایای آشکاری در سوراخکاری شیشه و پردازش دقیق سرامیک دارند.

و. تأثیر سطح ماده بر نرخ جذب

علاوه بر خواص ذاتی مواد، وضعیت سطح نیز بر کارایی جذب تأثیر می‌گذارد:

سطوح زبر، انرژی لیزر را به راحتی بیشتر از سطوح آینه‌ای جذب می‌کنند

لایه‌های اکسید و پوشش‌ها می‌توانند بازتاب‌دهی را کاهش دهند

آلاینده‌های سطحی می‌توانند جذب اولیه را در برخی فرآیندها افزایش دهند

در پردازش مواد بسیار بازتاب‌دهنده، اغلب از پیش‌تیمار سطحی برای بهبود اتصال انرژی لیزر استفاده می‌شود.

وی. تأثیر تفاوت‌های جذب بر پردازش لیزری

تفاوت در نرخ جذب مواد در طول‌موج‌های لیزری مختلف به‌طور مستقیم بر موارد زیر تأثیر می‌گذارد:

انتخاب نوع لیزر

تنظیمات توان و چگالی انرژی

سرعت و پایداری فرآیند

اندازه منطقه تحت تأثیر حرارتی و کیفیت شکل‌دهی

با انتخاب صحیح تطابق بین ماده و طول‌موج لیزر مناسب، می‌توان مصرف انرژی را کاهش داد و همزمان کیفیت فرآوری و ایمنی تجهیزات را بهبود بخشید.

تفاوت‌های قابل توجهی در نرخ جذب مواد مختلف در طول‌موج‌های لیزری متنوع وجود دارد. این تفاوت‌ها توسط ساختار الکترونی، ویژگی‌های ارتعاشی مولکولی و وضعیت سطح ماده تعیین می‌شوند. در کاربردهای پردازش لیزری، انتخاب طول‌موج لیزری که با ویژگی‌های جذب ماده تطبیق داشته باشد، کلید دستیابی به نتایجی با کارایی و کیفیت بالا است. با توسعه فناوری‌های لیزری با طول‌موج کوتاه، قابلیت‌های پردازش مواد بسیار بازتابنده و شفاف به‌طور مداوم در حال بهبود است.