Анализ различий в скоростях поглощения лазерных длин волн различными материалами

В лазерной обработке способность лазерной энергии эффективно воздействовать на материал зависит от способности материала поглощать определённую длину волны лазера. Разные материалы демонстрируют значительные различия в коэффициентах поглощения при различных длинах волн, и эти различия напрямую влияют на эффективность, стабильность и качество обработки при лазерной резке, сварке, маркировке и очистке. Понимание характеристик поглощения материалов в зависимости от длины волны является основой для выбора лазерных процессов и оптимизации параметров.

I. Основная зависимость между длиной волны лазера и коэффициентом поглощения

Коэффициент поглощения лазерного излучения — это доля падающей лазерной энергии, поглощаемой поверхностью материала. Он зависит от следующих факторов:

Длина волны лазера

Электронная структура и решётчатые характеристики материала

Состояние поверхности (шероховатость, оксидный слой, покрытия)

Угол падения и состояние поляризации

В большинстве случаев коэффициент поглощения материала не является фиксированной величиной и существенно изменяется в зависимости от длины волны. Поэтому один и тот же материал может демонстрировать заметно различные результаты обработки при воздействии различных типов лазеров (например, CO₂, волоконных, зелёных или ультрафиолетовых лазеров).

II. Характеристики поглощения различных длин волн лазерного излучения металлами
1. Черные металлы (углеродистая сталь, нержавеющая сталь)

Черные металлы демонстрируют относительно стабильное поглощение в ближнем инфракрасном диапазоне (около 1,06 мкм):

Высокое поглощение при использовании волоконных лазеров с длиной волны 1064 нм

Хорошая передача энергии при использовании CO₂-лазеров с длиной волны 10,6 мкм

Поглощение дополнительно увеличивается после окисления поверхности или её шероховатости

В результате волоконные и CO₂-лазеры широко применяются для резки и сварки стальных материалов.

2. Высокорефлекторные металлы (алюминий, медь, золото, серебро)

Высокорефлекторные металлы имеют низкое поглощение в инфракрасном диапазоне:

Низкое начальное поглощение для лазеров с длиной волны 1064 нм и сильное отражение

Значительно более высокое поглощение на более коротких длинах волн (зеленый 532 нм, синий 450 нм)

Поглощение динамически увеличивается с ростом температуры

Именно по этой причине зеленые и синие лазеры в последние годы быстро внедряются в сварке меди и прецизионной обработке алюминия

III. Характеристики поглощения длины волны неметаллическими материалами
1. Пластмассы и полимерные материалы

Характеристики поглощения пластмасс тесно связаны с их молекулярной структурой:

Большинство пластиков прозрачны или слабо поглощают в ближнем инфракрасном диапазоне

Высокое поглощение в среднем и дальнем инфракрасном диапазоне (10,6 мкм)

Характеристики поглощения могут значительно изменяться за счет добавления пигментов или поглотителей

Поэтому СО₂-лазеры широко используются для резки пластика, маркировки и обработки тонких пленок.

2. Древесина, бумага и органические материалы

Органические материалы, как правило, обладают высоким поглощением инфракрасных лазеров:

Высокая эффективность поглощения СО₂-лазерами

Склонны к термическому разложению, карбонизации и испарению

Относительно большие зоны теплового воздействия при обработке

Эти материалы подходят для обработки низкомощными непрерывными или импульсными инфракрасными лазерами.

IV. Керамика, стекло и прозрачные материалы

Прозрачные или полупрозрачные материалы проявляют сильную зависимость поглощения от длины волны:

Низкое поглощение и высокая прозрачность в инфракрасном и видимом диапазонах

Значительно повышенное поглощение в ультрафиолетовом диапазоне

Лазеры короткой длины волны легче вызывают многопhotонное поглощение

В результате ультрафиолетовые лазеры имеют очевидные преимущества при сверлении стекла и прецизионной обработке керамики.

V. Влияние поверхности материала на скорость поглощения

Помимо внутренних свойств материала, состояние поверхности также влияет на эффективность поглощения:

Шероховатые поверхности поглощают лазерную энергию легче, чем зеркальные поверхности

Оксидные слои и покрытия могут снижать отражательную способность

Поверхностные загрязнения могут увеличивать начальное поглощение в некоторых процессах

При обработке сильно отражающих материалов часто используется предварительная обработка поверхности для улучшения связи с лазерной энергией.

VI. Влияние различий в поглощении на лазерную обработку

Различия в скорости поглощения материала на различных лазерных длинах волны напрямую влияют на:

Выбор типа лазера

Настройки мощности и плотности энергии

Скорость и устойчивость обработки

Размер зоны термического воздействия и качество формования

При правильном подборе материала и соответствующей длины волны лазера можно снизить энергопотребление, одновременно улучшив качество обработки и безопасность оборудования.

Существуют значительные различия в скорости поглощения различных материалов на разных длинах волн лазера. Эти различия определяются электронной структурой материала, характеристиками молекулярных колебаний и состоянием поверхности. В лазерной обработке выбор длины волны лазера, соответствующей характеристикам поглощения материала, является ключевым фактором для достижения высокой эффективности и высокого качества. С развитием технологий коротковолновых лазеров возможности обработки высокорефлекторных и прозрачных материалов продолжают улучшаться.