Analyse av forskjeller i absorpsjonshastigheter for laserbølgelengder i ulike materialer

Ved laserbehandling avhenger om laserenergi kan virke effektivt på et materiale av materialets evne til å absorbere en spesifikk laserbølgelengde. Forskjellige materialer viser betydelige forskjeller i absorpsjonshastighet ved forskjellige bølgelengder, og disse forskjeller påvirker direkte effektiviteten, stabiliteten og kvaliteten ved laserkapping, sveising, merking og rensing. Å forstå sammenhengen mellom materiale og bølgelengde når det gjelder absorpsjon er grunnlaget for valg av laserprosess og optimalisering av parametere.

I. Grunnleggende sammenheng mellom laserbølgelengde og absorpsjonshastighet

Laserabsorpsjonshastighet refererer til den andel av innkommende laserenergi som blir absorbert av overflaten på et materiale. Den blir påvirket av følgende faktorer:

Laserbølgelengde

Elektronisk struktur og gitteregenskaper til materialet

Overflateforhold (ruhet, oksidelag, belegg)

Innfallsvinkel og polarisasjonsstatus

I de fleste tilfeller er et materials absorpsjonsrate ikke en fast verdi, men varierer betydelig med bølgelengde. Derfor kan samme materiale vise markert forskjellige bearbeidingsresultater når det utsettes for ulike typer lasere (som CO₂-, fiber-, grønne eller ultraviolette lasere).

II. Absorpsjonsegenskaper for ulike laserbølgelengder for metallmaterialer
1. Jernholdige metaller (karbonstål, rustfritt stål)

Jernholdige metaller viser relativt stabil absorpsjon i nær-infrarødt bånd (rundt 1,06 μm):

Høy absorpsjon for 1064 nm fiberlaser

God energikobling med 10,6 μm CO₂-laser

Ytterligere økt absorpsjon etter overflateoksidasjon eller ruving

Som et resultat brukes fiberlaser og CO₂-laser mye til skjæring og sveising av stålmateriale.

2. Høyt reflekterende metaller (aluminium, kobber, gull, sølv)

Høyt reflekterende metaller har lav absorpsjon i infrarødt bånd:

Lav initial absorpsjon for 1064 nm lasere, med sterk refleksjon

Betydelig høyere absorpsjon ved kortere bølgelengder (grønt 532 nm, blått 450 nm)

Absorpsjon øker dynamisk når temperaturen stiger

Dette er hovedgrunnen til at grønne og blå lasere de siste år har blitt raskt innført i kobbersveising og presisaluminiumsbearbeiding.

III. Bølgelengdeabsorpsjonsegenskaper for ikkemetalliske materialer
1. Plast og polymermaterialer

Absorpsjonsegenskaper for plast er tett knyttet til deres molekylstruktur:

De fleste plastmaterialer er gjennomsiktige eller svakt absorberende i nær-infrarødt spekteret

Høy absorpsjon i midt- til langbølge-infrarødt (10,6 μm)

Absorpsjonsegenskaper kan endres betydelig ved å tilsette pigmenter eller absorberende stoffer

Derfor brukes CO₂-lasere mye til skjæring, merking og behandling av tynnfilm i plast.

2. Tre, papir og organiske materialer

Organiske materialer viser generelt høy absorpsjon for infrarøde lasere:

Høy absorpsjonseffektivitet for CO₂-lasere

Våne til termisk nedbrytning, karbonisering og fordampning

Forholdsvis store varmebelasted soner under behandling

Disse materialene egner seg for laveffekt kontinuerlig eller pulset infrarød laserbehandling.

IV. Keramikk, glass og gjennomsiktige materialer

Gjennomsiktige eller halvgjennomsiktige materialer viser sterkt bølgelengdeavhengig absorpsjon:

Lav absorpsjon og høy gjennomgang i infrarødt og synlig spekter

Betynlig økt absorpsjon i ultrafiolett område

Kortbølgede lasere utløser mer multiphoton-absorpsjon

Som et resultat har ultrafiolette lasere klare fordeler ved glassboringer og presisjonsbearbeiding av keramikk.

V. Innflytelse fra materialoverflate på absorpsjonsrate

I tillegg til inneboende materialeegenskaper, påvirker overflatebetingelser også absorpsjonseffektiviteten:

Ru overflater absorberer laserenergi lettere enn speilaktige overflater

Oksidlag og belegg kan redusere refleksivitet

Overflateforurensninger kan øke initial absorpsjon i visse prosesser

Ved bearbeiding av sterkt reflekterende materialer brukes ofte overflateforbehandling for å forbedre koblingen av laserenergi.

VI. Effekten av absorpsjonsforskjeller på laserbearbeiding

Forskjeller i materialers absorpsjonshastigheter ved ulike laserbølgelengder påvirker direkte:

Valg av lasertype

Innstilling av effekt og energitetthet

Prosesseringshastighet og stabilitet

Størrelse på varmpåvirket sone og formasjonskvalitet

Ved å korrekt tilpasse materialet til en passende laserbølgelengde, er det mulig å redusere energiforbruket samtidig som man forbedrer prosesseringskvalitet og utstyrssikkerhet.

Det finnes betydelige forskjeller i absorpsjonshastigheter for ulike materialer ved ulike laserbølgelengder. Disse forskjellene er bestemt av materialets elektroniske struktur, molekylvibrasjonskarakteristikker og overflateforhold. I laserprosesseringsapplikasjoner er valg av en laserbølgelengde som samsvarer med materialets absorpsjonskarakteristikk nøkkelen til å oppnå høy effektivitet og kvalitet. Med utviklingen av kortbølgelengde laser-teknologier forbedres prosesseringsmulighetene for sterkt reflekterende og gjennomsiktige materialer kontinuerlig.