Analiza razlik v stopnjah absorpcije laserskih valovnih dolžin pri različnih materialih

Pri laserski obdelavi je učinkovitost delovanja laserske energije na material odvisna od sposobnosti materiala, da absorbira določeno lasersko valovno dolžino. Različni materiali kažejo pomembne razlike v stopnji absorpcije pri različnih valovnih dolžinah, kar neposredno vpliva na učinkovitost, stabilnost in kakovost obdelave pri rezanju, varjenju, označevanju in čiščenju z laserjem. Razumevanje lastnosti absorpcije materiala v odvisnosti od valovne dolžine je osnova za izbiro laserskih postopkov in optimizacijo parametrov.

I. Osnovna povezava med lasersko valovno dolžino in stopnjo absorpcije

Stopnja absorpcije lasera označuje delež incidentne laserske energije, ki jo površina materiala absorbira. Na njo vplivajo naslednji dejavniki:

Laserska valovna dolžina

Elektronska struktura in mrežne značilnosti materiala

Površinsko stanje (hrapavost, oksidni sloj, prevleke)

Vpadni kot in polarizacijsko stanje

V večini primerov absorpcijska stopnja materiala ni fiksna vrednost, temveč se močno spreminja glede na valovno dolžino. Zato lahko isti material kaže precej različne rezultate obdelave pri izpostavljenosti različnim vrstam laserjev (kot so CO₂, vlaknasti, zeleni ali ultravijolični laserji).

II. Absorpcijske lastnosti različnih laserskih valovnih dolžin za kovinske materiale
1. Železove kovine (ugljikovo jeklo, nerjaveče jeklo)

Železove kovine kažejo relativno stabilno absorpcijo v bližnjem infrardečem pasu (okoli 1,06 μm):

Visoka absorpcija za 1064 nm vlaknaste laserje

Dobra energijska sklopitev z 10,6 μm CO₂ laserji

Še višja absorpcija po oksidaciji površine ali njenem grobljenju

Zaradi tega se vlaknasti in CO₂ laserji pogosto uporabljata za rezkanje in varjenje jeklenih materialov.

2. Visoko refleksivne kovine (aluminij, baker, zlato, srebro)

Visoko refleksivne kovine imajo nizko absorpcijo v infrardečem pasu:

Nizka začetna absorpcija za 1064 nm laserje, z močnim odbojem

Pomembno višja absorpcija pri krajših valovnih dolžinah (zeleno 532 nm, modro 450 nm)

Absorpcija se dinamično povečuje ob naraščanju temperature

To je glavni razlog, zakaj so zeleni in modri laserji v zadnjih letih hitro prevzeli med bakrovim varjenjem in precizno obdelavo aluminija.

III. Značilnosti absorpcije valovne dolžine nepkovinskih materialov
1. Plastika in polimerni materiali

Absorpcijske značilnosti plastike tesno souvijo s strukturo njihovih molekul:

Večina plastičnih materialov je prozorna ali šibko absorbira v bližnjem infrardečem območju

Visoka absorpcija v srednjem do oddaljenem infrardečem pasu (10,6 μm)

Absorpcijske značilnosti se lahko bistveno spremenijo s dodajanjem barvil ali absorbentov

Zato se CO₂ laserji pogosto uporabljajo za rezkanje plastike, označevanje in obdelavo tankih plasti.

2. Les, papir in organski materiali

Organski materiali splošno kažejo visoko absorpcijo za infrardeče lasere:

Visoka učinkovitost absorpcije za CO₂ laserje

Nagnjeni k termični razgradnji, karbonizaciji in izhlapevanju

Relativno velika toplotno vplivna območja med obdelavo

Ti materiali so primerni za nizko-močno neprekinjeno ali sunkovito infrardečo lasersko obdelavo.

IV. Keramika, steklo in prozorni materiali

Prozorni ali delno prozorni materiali kažejo močno odvisnost absorpcije od valovne dolžine:

Nizka absorpcija in visoka prepustnost v infrardečem in vidnem območju

Značilno povečano absorpcijo v ultravijoličnem območju

Laserji kratke valovne dolžine lažje povzročijo večfotonsko absorpcijo

Zato imajo ultravijolični laserji jasne prednosti pri vrtanju stekla in natančni obdelavi keramike.

V. Vpliv površine materiala na stopnjo absorpcije

Poleg notranjih lastnosti materiala tudi stanje površine vpliva na učinkovitost absorpcije:

Hrapave površine lažje absorbirajo lasersko energijo kot zrcalne površine

Oksidni sloji in prevleke lahko zmanjšajo svetlobno odbojnost

Površinske nečistoče lahko povečajo začetno absorpcijo pri določenih postopkih

Pri obdelavi visoko odsevnih materialov se pogosto uporablja predobdelava površine za izboljšanje prenosa laserske energije.

VI. Vpliv razlik v absorpciji na lasersko obdelavo

Razlike v stopnji absorpcije materialov pri različnih laserskih valovnih dolžinah neposredno vplivajo na:

Izbira vrste lasera

Nastavitve moči in gostote energije

Hitrost in stabilnost obdelave

Velikost toplotno vplivnega območja ter kakovost oblikovanja

Z ustreznim prilagajanjem materiala na primerno lasersko valovno dolžino je mogoče zmanjšati porabo energije, hkrati izboljšati kakovost obdelave in varnost opreme.

Obstajajo pomembne razlike v stopnji absorpcije različnih materialov pri različnih laserskih valovnih dolžinah. Te razlike so določene s strukturo elektronskega ovoja, lastnimi nihanjnimi lastnostmi molekularne strukture ter stanjem površine. Pri uporabi laserjev je ključno za doseg visoke učinkovitosti in kakovosti rezultatov, da se izbere valovna dolžina, ki ustreza absorpcijskim lastnostim materiala. Z razvojem tehnologij krajših valovnih dolžin se izboljšuje zmogljivost obdelave visoko reflektirnih in prosojnih materialov.