Analyse van de verschillen in absorptiesnelheden van laser golflengten door verschillende materialen

Bij laserbewerking hangt ervan af of laserenergie effectief op een materiaal kan inwerken, af of het materiaal in staat is een specifieke laser golflengte te absorberen. Verschillende materialen vertonen significante verschillen in absorptiegraden bij verschillende golflengten, en deze verschillen beïnvloeden rechtstreeks de efficiëntie, stabiliteit en bewerkingskwaliteit van lasersnijden, lassen, markering en reiniging. Het begrip van de absorptiekenmerken tussen materiaal en golflengte vormt de basis voor de selectie van laserprocessen en de optimalisatie van parameters.

I. Basisrelatie tussen laser golflengte en absorptiegraad

Laserabsorptiegraad verwijst naar het aandeel van invallende laserenergie dat wordt geabsorbeerd door het oppervlak van een materiaal. Het wordt beïnvloed door de volgende factoren:

Laser Golflengte

Elektronische structuur en roosterkenmerken van het materiaal

Oppervlaktoestand (ruwheid, oxide laag, coatings)

Invallingshoek en polarisatiestatus

In de meeste gevallen is de absorptiesnelheid van een materiaal geen vaste waarde, maar varieert deze sterk met de golflengte. Daarom kan hetzelfde materiaal aanzienlijk verschillende verwerkingsresultaten vertonen wanneer het wordt blootgesteld aan verschillende soorten lasers (zoals CO₂-, vezel-, groene of ultraviolette lasers).

II. Absorptiekenmerken van verschillende laser golflengten voor metalen materialen
1. Ferrometalen (koolstofstaal, roestvrij staal)

Ferrometalen vertonen een relatief stabiele absorptie in de nabij-infraroodband (rond 1,06 μm):

Hoge absorptie voor 1064 nm vezellasers

Goede energiekoppeling met 10,6 μm CO₂-lasers

Verdere verhoging van absorptie na oppervlakteoxidatie of ruwtering

Daarom worden vezellasers en CO₂-lasers veel gebruikt voor het snijden en lassen van staalmaterialen.

2. Hoog-reflecterende metalen (aluminium, koper, goud, zilver)

Hoog-reflecterende metalen hebben een lage absorptie in de infraroodband:

Lage initiële absorptie voor 1064 nm lasers, met sterke reflectie

Aanzienlijk hogere absorptie bij kortere golflengten (groen 532 nm, blauw 450 nm)

Absorptie neemt dynamisch toe naarmate de temperatuur stijgt

Dit is de belangrijkste reden waarom groene en blauwe lasers in de afgelopen jaren snel zijn geadopteerd in koperlassen en precisiebewerking van aluminium.

III. Golflengte-absorptiekenmerken van niet-metalen materialen
1. Kunststoffen en polymeermaterialen

De absorptiekenmerken van kunststoffen hangen nauw samen met hun molecuulstructuur:

De meeste kunststoffen zijn transparant of zwak absorberend in het nabij-infrarode bereik

Hoge absorptie in het midden- tot ver-infrarode bereik (10,6 μm)

Absorptiekenmerken kunnen sterk worden gewijzigd door toevoeging van pigmenten of absorbeermiddelen

Daarom worden CO₂-lasers veel gebruikt voor het snijden, markeren en bewerken van dunne films van kunststof.

2. Hout, Papier en Organische Materialen

Organische materialen vertonen over het algemeen een hoge absorptie voor infraroodlasers:

Hoge absorptieëfficiëntie voor CO₂-lasers

Gevoelig voor thermische ontleding, verkooling en verdamming

Relatief grote warmtebeïnvloede zones tijdens de bewerking

Deze materialen zijn geschikt voor bewerking met lage vermogens continu of gepulseerde infraroodlasers.

IV. Keramiek, Glas en Transparante Materialen

Transparante of halftransparante materialen tonen een sterke afhankelijkheid van golflengte bij absorptie:

Lage absorptie en hoge doorlating in het infrarood en zichtbare bereik

Aanzienlijk verhoogde absorptie in het ultraviolette bereik

Laserstraling met korte golflengte veroorzaakt gemakkelijker multiphotonabsorptie

Daarom hebben ultraviolette lasers duidelijke voordelen bij het boren van glas en de precisieverwerking van keramiek.

V. Invloed van materiaaloppervlak op absorptiesnelheid

Naast intrinsieke materiaaleigenschappen heeft de oppervlakteconditie ook invloed op de absorptie-efficiëntie:

Ruwe oppervlakken absorberen laserenergie gemakkelijker dan spiegelachtige oppervlakken

Oxidelaagjes en coatings kunnen de reflectiviteit verlagen

Oppervlakteverontreinigingen kunnen de initiële absorptie in bepaalde processen verhogen

Bij de bewerking van sterk reflecterende materialen wordt vaak een oppervlaktevoorbehandeling gebruikt om de koppeling van laserenergie te verbeteren.

VI. Impact van absorptieverschillen op laserbewerking

Verschillen in materiaalabsorptiesnelheden bij verschillende laser golflengten beïnvloeden rechtstreeks:

Keuze van lasertype

Instellingen voor vermogen en energiedichtheid

Verwerkingssnelheid en stabiliteit

Grootte van de warmbeïnvloede zone en vormingskwaliteit

Door het materiaal correct te koppelen aan een geschikte laser golflengte, is het mogelijk om energieverbruik te verlagen terwijl de verwerkingskwaliteit en de veiligheid van de apparatuur worden verbeterd.

Er bestaan aanzienlijke verschillen in de absorptiesnelheden van verschillende materialen bij diverse laser golflengten. Deze verschillen worden bepaald door de elektronische structuur van het materiaal, moleculaire trillingseigenschappen en de oppervlaktoestand. In toepassingen van laserbewerking is het kiezen van een laser golflengte die overeenkomt met de absorptiekenmerken van het materiaal cruciaal voor het bereiken van hoge efficiëntie en hoge kwaliteit. Met de ontwikkeling van korte-golflengte laser-technologieën blijft de verwerkingsmogelijkheid van sterk reflecterende en transparante materialen verbeteren.