Analýza rozdielov v rýchlostiach absorpcie laserových vĺn dĺžok rôznymi materiálmi

Pri laserovej spracovaní závisí to, či sa laserová energia môže účinne pôsobiť na materiál, od schopnosti materiálu absorbovať konkrétnu laserovú vlnovú dĺžku. Rôzne materiály vykazujú výrazné rozdiely v miere absorpcie pri rôznych vlnových dĺžkach a tieto rozdiely priamo ovplyvňujú účinnosť, stabilitu a kvalitu spracovania pri laserovom rezaní, zváraní, znakovaní a čistení. Porozumenie vzťahu medzi materiálom a absorpciou vlnovej dĺžky je základom pre výber laserového procesu a optimalizáciu parametrov.

I. Základný vzťah medzi laserovou vlnovou dĺžkou a mierou absorpcie

Miera absorpcie laserového žiarenia označuje podiel dopadajúcej laserovej energie, ktorú pohltí povrch materiálu. Ovplyvňujú ju nasledujúce faktory:

Laserová vlnová dĺžka

Elektronická štruktúra a mriežkové charakteristiky materiálu

Stav povrchu (drsnosť, oxidačná vrstva, povlaky)

Uhol dopadu a polarizačný stav

Väčšinou nie je absorpčná rýchlosť materiálu pevná hodnota, ale výrazne sa mení v závislosti od vlnovej dĺžky. Preto môže ten istý materiál vykazovať výrazne odlišné výsledky spracovania pri použití rôznych typov laserov (napríklad CO₂, vláknových, zelených alebo ultrafialových laserov).

II. Absorpčné vlastnosti rôznych laserových vlnových dĺžok pre kovové materiály
1. Železné kovy (uhoľnatá oceľ, nehrdzavejúca oceľ)

Železné kovy vykazujú relatívne stabilnú absorpciu v blízkom infračervenom pásme (okolo 1,06 μm):

Vysoká absorpcia pre vláknové lasery 1064 nm

Dobré viazanie energie s CO₂ lasermi 10,6 μm

Absorpcia sa ďalej zvyšuje po oxidácii alebo drsnovaní povrchu

Preto sú vláknové a CO₂ lasery široko využívané pri rezaní a zváraní oceľových materiálov.

2. Vysoko reflexné kovy (hliník, meď, zlato, striebro)

Vysoko reflexné kovy majú nízku absorpciu v infračervenom pásme:

Nízka počiatočná absorcia pre 1064 nm lasery s výrazným odrazom

Výrazne vyššia absorcia pri kratších vlnových dĺžkach (zelená 532 nm, modrá 450 nm)

Absorcia sa dynamicky zvyšuje s rastúcou teplotou

To je hlavný dôvod, prečo sa zelené a modré lasery v posledných rokoch rýchlo prenikli do mediálneho zvárania a presnej spracovateľnosti hliníka

III. Charakteristiky absorcie vlnovej dĺžky nemetalmických materiálov
1. Plasty a polymérne materiály

Absorpčné vlastnosti plastov sú úzko prepojené s ich molekálnou štruktúrou:

Väčšina plastov je v blízkom infračervenom rozhuľe priehľadná alebo slabá absorber

Vysoká absorcia v strednom až ďalekom infračervenom pásme (10,6 μm)

Absorpčné vlastnosti je možné výrazne meniť pridaním pigmentov alebo absorbérov

Preto sa CO₂ lasery široko používajú na rezanie plastov, značenie a spracovanie tenkých vrstiev.

2. Drevo, papier a organické materiály

Organické materiály vo všeobecnosti vykazujú vysokú absorciu pre infračervené lasery:

Vysoká účinnosť absorcie pre CO₂ lasery

Náchylné na tepelné rozklady, karbonizáciu a odparovanie

Relatívne veľké tepelne ovplyvnené zóny počas spracovania

Tieto materiály sú vhodné na spracovanie níkym výkonovými nepretržitými alebo pulznými infračervenými lasermi.

IV. Keramiky, sklo a priehľadné materiály

Priehľadné alebo polopriehľadné materiály vykazujú silnú závislosť absorcie na vlnovej dĺžke:

Nízka absorcia a vysoká priepustnosť v infračervenom a viditeľnom spektre

Výrazne zvýšené absorbovanie v ultrafialovej oblasti

Laserové žiariče s krátkou vlnovou dĺžkou viac ľahko vyvolávajú viacfotónovú absorpciu

V dôsledku toho majú ultrafialové lasery jasné výhody pri vŕtaní skla a precíznej spracovaní keramiky.

V. Vplyv povrchu materiálu na rýchlosť absorpcie

Okrem vnútorných vlastností materiálu ovplyvňuje účinnosť absorpcie aj stav povrchu:

Drsné povrchy viac ľahko absorbujú laserovú energiu ako zrkadlové povrchy

Oxidové vrstvy a povlaky môžu znížiť odrazivosť

Povrchové nečistoty môžu zvýšiť počiatočnú absorpciu pri určitých procesoch

Pri spracovaní vysoce odrážajúcich materiálov sa často používa predbežná úprava povrchu na zlepšenie viazania laserovej energie.

VI. Vplyv rozdielov v absorpcii na laserové spracovanie

Rozdiely v rýchlostiach absorbcie materiálov pri rôznych vlnových dĺžkach laseru priamo ovplyvňujú:

Voľbu typu laseru

Nastavenie výkonu a hustoty energie

Rýchlosť a stabilitu spracovania

Veľkosť tepelne ovplyvnenej zóny a kvalitu tvárnenia

Správnym spárovaním materiálu s vhodnou vlnovou dĺžkou laseru je možné znížiť spotrebu energie, zároveň zlepšiť kvalitu spracovania a bezpečnosť zariadenia.

Rôzne materiály vykazujú výrazné rozdiely v absorbcii pri rôznych vlnových dĺžkach laseru. Tieto rozdiely sú určené elektronickou štruktúrou materiálu, charakteristikami molekulových vibrácií a stavom povrchu. Pri aplikáciách laserového spracovania je kľúčové pre dosiahnutie vysokého výkonu a kvalitných výsledkov zvoliť vlnovú dĺžku laseru, ktorá zodpovedá absorpčným vlastnostiam materiálu. S rozvojom technológií krátkovlnných laserov sa neustále zlepšujú možnosti spracovania vysoce odrazných a priehľadných materiálov.