Analyse des différences de taux d'absorption des longueurs d'onde laser par différents matériaux

En traitement laser, la capacité de l'énergie laser à agir efficacement sur un matériau dépend de la capacité de ce matériau à absorber une longueur d'onde laser spécifique. Différents matériaux présentent des différences significatives en termes de taux d'absorption selon les longueurs d'onde, et ces différences influencent directement l'efficacité, la stabilité ainsi que la qualité du découpage, du soudage, du marquage et du nettoyage au laser. Comprendre les caractéristiques d'absorption entre les matériaux et les longueurs d'onde est fondamental pour le choix du procédé laser et l'optimisation des paramètres.

I. Relation fondamentale entre la longueur d'onde laser et le taux d'absorption

Le taux d'absorption laser désigne la proportion de l'énergie laser incidente absorbée par la surface d'un matériau. Il est influencé par les facteurs suivants :

Longueur d'onde du laser

Structure électronique et caractéristiques du réseau cristallin du matériau

État de surface (rugosité, couche d'oxyde, revêtements)

Angle d'incidence et état de polarisation

Dans la plupart des cas, le taux d'absorption d'un matériau n'est pas une valeur fixe et varie considérablement selon la longueur d'onde. Par conséquent, le même matériau peut présenter des résultats de traitement très différents lorsqu'il est exposé à différents types de lasers (tels que les lasers CO₂, à fibre, verts ou ultraviolets).

II. Caractéristiques d'absorption des différentes longueurs d'onde laser pour les matériaux métalliques
1. Métaux ferreux (acier au carbone, acier inoxydable)

Les métaux ferreux présentent une absorption relativement stable dans la bande proche infrarouge (autour de 1,06 μm) :

Absorption élevée pour les lasers à fibre de 1064 nm

Couplage énergétique satisfaisant avec les lasers CO₂ de 10,6 μm

Absorption encore accrue après oxydation ou rugosité de surface

En conséquence, les lasers à fibre et les lasers CO₂ sont largement utilisés pour la découpe et le soudage des aciers.

2. Métaux hautement réfléchissants (aluminium, cuivre, or, argent)

Les métaux hautement réfléchissants ont une faible absorption dans la bande infrarouge :

Faible absorption initiale pour les lasers à 1064 nm, avec une forte réflexion

Absorption nettement plus élevée à des longueurs d'onde plus courtes (verte 532 nm, bleue 450 nm)

L'absorption augmente dynamiquement avec la température

C'est la raison principale pour laquelle les lasers verts et bleus ont été rapidement adoptés dans le soudage du cuivre et le traitement de précision de l'aluminium ces dernières années.

III. Caractéristiques d'absorption en fonction de la longueur d'onde des matériaux non métalliques
1. Matières plastiques et matériaux polymères

Les caractéristiques d'absorption des matières plastiques sont étroitement liées à leur structure moléculaire :

La plupart des matières plastiques sont transparentes ou faiblement absorbantes dans le domaine proche infrarouge

Forte absorption dans la bande moyenne à lointaine infrarouge (10,6 μm)

Les caractéristiques d'absorption peuvent être fortement modifiées par l'ajout de pigments ou d'absorbants

Par conséquent, les lasers CO₂ sont largement utilisés pour la découpe, le marquage et le traitement de films minces des plastiques.

2. Bois, papier et matériaux organiques

Les matériaux organiques présentent généralement une forte absorption pour les lasers infrarouges :

Haute efficacité d'absorption pour les lasers CO₂

Sensibles à la décomposition thermique, à la carbonisation et à la vaporisation

Zones affectées thermiquement relativement importantes pendant le traitement

Ces matériaux conviennent au traitement par laser infrarouge continu ou pulsé à faible puissance.

IV. Céramiques, verre et matériaux transparents

Les matériaux transparents ou semi-transparents présentent une forte dépendance de l'absorption en fonction de la longueur d'onde :

Faible absorption et haute transmission dans les domaines infrarouge et visible

Absorption significativement accrue dans la gamme ultraviolette

Les lasers de courte longueur d'onde induisent plus facilement une absorption multiphotonique

Par conséquent, les lasers ultraviolets présentent des avantages évidents pour le perçage du verre et le traitement précis des céramiques.

V. Influence de la surface du matériau sur le taux d'absorption

Outre les propriétés intrinsèques du matériau, l'état de surface influence également l'efficacité d'absorption :

Les surfaces rugueuses absorbent l'énergie laser plus facilement que les surfaces miroir

Les couches d'oxyde et les revêtements peuvent réduire la réflectivité

Les contaminants de surface peuvent augmenter l'absorption initiale dans certains procédés

Dans le traitement des matériaux hautement réfléchissants, un prétraitement de surface est souvent utilisé pour améliorer le couplage de l'énergie laser.

VI. Impact des différences d'absorption sur le traitement laser

Les différences de taux d'absorption des matériaux à différentes longueurs d'onde laser influencent directement :

Le choix du type de laser

Les réglages de puissance et de densité énergétique

La vitesse et la stabilité du traitement

La taille de la zone affectée thermiquement et la qualité de formation

En associant correctement le matériau à une longueur d'onde laser appropriée, il est possible de réduire la consommation d'énergie tout en améliorant la qualité du traitement et la sécurité des équipements.

Il existe des différences significatives dans les taux d'absorption des différents matériaux selon les longueurs d'onde laser. Ces différences sont déterminées par la structure électronique du matériau, ses caractéristiques de vibration moléculaire et son état de surface. Dans les applications de traitement laser, le choix d'une longueur d'onde laser adaptée aux caractéristiques d'absorption du matériau est essentiel pour obtenir des résultats efficaces et de haute qualité. Grâce au développement des technologies laser à courte longueur d'onde, les capacités de traitement des matériaux hautement réfléchissants et transparents ne cessent de s'améliorer.