Különböző anyagok lézerhullámhosszak abszorpciós rátáinak különbségeinek elemzése

A lézeres feldolgozás során az határozza meg, hogy a lézerenergia mennyire hatékonyan hathat egy anyagra, hogy az anyag milyen mértékben képes elnyelni a lézer adott hullámhosszát. A különböző anyagok eltérő hullámhosszakon jelentős különbségeket mutatnak az elnyelési rátában, és ezek a különbségek közvetlenül befolyásolják a lézeres vágás, hegesztés, marás és tisztítás hatékonyságát, stabilitását és minőségét. Az anyag–hullámhossz elnyelési jellemzőinek megértése alapja a lézeres folyamatok kiválasztásának és a paraméterek optimalizálásának.

I. Alapvető összefüggés a lézer hullámhossza és az elnyelési ráta között

A lézer elnyelési rátája azt az arányt jelenti, amelyben a beeső lézerenergiát az anyag felülete elnyeli. Ezt a következő tényezők befolyásolják:

Laser hullámhossz

Az anyag elektronikus szerkezete és rácsjellemzői

A felület állapota (durvaság, oxidréteg, bevonatok)

Beesési szög és polarizációs állapot

A legtöbb esetben egy anyag abszorpciós rátája nem állandó érték, hanem jelentősen változik a hullámhossz függvényében. Ezért ugyanaz az anyag lényegesen eltérő feldolgozási eredményt mutathat különböző típusú lézerek hatására (például CO₂, szálas, zöld vagy ultraviola lézerek).

II. Különböző lézerhullámhosszak abszorpciós jellemzői fémes anyagoknál
1. Vasalapú fémek (szénacél, rozsdamentes acél)

A vasalapú fémek viszonylag stabil abszorpciót mutatnak a közeli infravörös sávban (kb. 1,06 μm):

Magas abszorpció a 1064 nm-es szálas lézerek esetén

Jó energiailleszkedés a 10,6 μm-es CO₂-lézerekkel

Az abszorpció tovább növekszik a felület oxidációja vagy durvítása után

Ennek következtében a szálas és CO₂-lézereket széles körben használják acélanyagok vágására és hegesztésére.

2. Magas reflexiójú fémek (alumínium, réz, arany, ezüst)

A magas reflexiójú fémek alacsony abszorpciót mutatnak az infravörös sávban:

Alacsony kezdeti abszorpció 1064 nm-es lézerekhez, erős visszaverődéssel

Jelentősen magasabb abszorpció rövidebb hullámhosszakon (zöld 532 nm, kék 450 nm)

Az abszorpció dinamikusan növekszik a hőmérséklet emelkedésével

Ez az oka annak, hogy miért terjedtek el gyorsan a zöld és kék lézerek rézhegesztésben és precíziós alumíniumfeldolgozásban az elmúlt években.

III. Nemfém anyagok hullámhossz-abszorpciós jellemzői
1. Műanyagok és polimer anyagok

A műanyagok abszorpciós jellemzői sz eng kapcsolatban állnak molekulaszerkezetükkel:

A legtöbb műanyag átlátszó vagy gyengén abszorbáló a közeli infravörös tartományban

Magas abszorpció a közepes- és távolinfravörös sávban (10,6 μm)

Az abszorpciós jellemzők jelentősen módosíthatók pigmentek vagy abszorberek hozzáadásával

Ezért a CO₂ lézerek széles körben használják műanyag vágására, jelölésére és vékonyréteg-feldolgozására.

2. Fa, papír és szerves anyagok

A szerves anyagok általában magas abszorpciót mutatnak az infravörös lézerek esetében:

Magas abszorpciós hatékonyság CO₂ lézerek esetében

Hajlamosak hőbontáshoz, karbonizációhoz és elpárologzáshoz

Viszonylag nagy hőtérhatású zónák keletkeznek feldolgozás során

Ezek az anyagok alkalmasak alacsony teljesítményű folyamatos vagy impulzus üzemmódú infravörös lézeres feldolgozásra.

IV. Kerámiák, üveg és átlátszó anyagok

Átlátszó vagy félig átlátszó anyagok erős hullámhossz-függésű abszorpciót mutatnak:

Alacsony abszorpció és magas áteresztés az infravörös és látható tartományban

Jelentősen megnövekedett abszorpció az ultraviola tartományban

A rövid hullámhosszúságú lézerek könnyebben indukálják a többfotonos abszorpciót

Ennek eredményeként az ultraviola lézerek egyértelmű előnnyel rendelkeznek üvegfúrás és precíziós kerámiafeldolgozás során

V. A anyag felületének hatása az abszorpciós arányra

Az anyag belső tulajdonságain túl a felületi állapot is befolyásolja az abszorpciós hatékonyságot:

A durva felületek könnyebben elnyelik a lézerenergiát, mint a tükörsima felületek

A oxidrétegek és bevonatok csökkenthetik a visszaverődést

A felületi szennyeződések növelhetik a kezdeti abszorpciót bizonyos folyamatok során

A nagy visszaverőképességű anyagok feldolgozásánál gyakran alkalmaznak felületi előkezelést a lézerenergia-csatlakoztatás javítására

VI. Az abszorpciós különbségek hatása a lézeres feldolgozásra

A különböző anyagok fényelnyelési rátájának különbségei különböző lézerhullámhosszakon közvetlenül befolyásolják:

A lézertípus kiválasztását

Teljesítmény- és energiasűrűség-beállításokat

Feldolgozási sebességet és stabilitást

A hőhatású zóna méretét és az alakítás minőségét

Az anyag megfelelő lézerhullámhosszal történő összeegyeztetésével csökkenthető az energiafogyasztás, miközben javul a feldolgozás minősége és a berendezés biztonsága.

Különböző anyagok eltérő mértékben nyelik el a lézerfényt különböző hullámhosszakon. Ezek a különbségek az anyag elektronikus szerkezetétől, molekuláris rezgési jellemzőitől és felületi állapotától függenek. Lézeres feldolgozási alkalmazásokban az a kulcsfontosságú, hogy olyan lézerhullámhosszt válasszanak, amely illeszkedik az anyag elnyelési jellemzőihez, így érve el magas hatékonyságú és minőségű eredményt. A rövidebb hullámhosszú lézertechnológiák fejlődésével folyamatosan javul a nagyon visszaverő és átlátszó anyagok feldolgozási képessége.