Аналіз різниць у швидкостях поглинання лазерних довжин хвиль різними матеріалами

У лазерній обробці здатність лазерної енергії ефективно діяти на матеріал залежить від здатності матеріалу поглинати певну довжину хвилі лазера. Різні матеріали мають суттєві відмінності у коефіцієнтах поглинання на різних довжинах хвиль, і ці відмінності безпосередньо впливають на ефективність, стабільність та якість обробки при лазерному різанні, зварюванні, маркуванні та очищенні. Розуміння характеристик поглинання матеріалом певної довжини хвилі є основою для вибору лазерного процесу та оптимізації параметрів.

І. Основний зв'язок між довжиною хвилі лазера та коефіцієнтом поглинання

Коефіцієнт поглинання лазера вказує на частку падаючої лазерної енергії, яку поглинає поверхня матеріалу. Він залежить від таких факторів:

Довжина хвилі лазера

Електронна структура та ґратчасті характеристики матеріалу

Стан поверхні (шорсткість, оксидний шар, покриття)

Кут падіння та стан поляризації

У більшості випадків коефіцієнт поглинання матеріалу не є фіксованим значенням і суттєво змінюється залежно від довжини хвилі. Тому один і той самий матеріал може демонінувати помітно відмінні результати обробки при впливі різних типів лазерів (наприклад, СО₂, волоконних, зелених або ультрафіолетових лазерів).

II. Характеристики поглинання різних довжин хвиль лазера для металевих матеріалів
1. Чорні метали (вуглецева сталь, нержавіюча сталь)

Чорні метали демонірують відносно стабільне поглинання в ближній інфрачервоній області (близько 1,06 мкм):

Високе поглинання для волоконних лазерів 1064 нм

Ефективне зв'язування енергії з лазерами СО₂ на 10,6 мкм

Подальше збільшення поглинання після окиснення або шорсткування поверхні

Тому волоконні та СО₂ лазери широко використовуються для різання та зварювання сталевих матеріалів.

2. Високовідбивні метали (алюміній, мідь, золото, срібло)

Високовідбивні метали мають низьке поглинання в інфрачервоній області:

Низьке початкове поглинання для лазерів 1064 нм із сильним відбиттям

Значно вище поглинання на коротших довжинах хвиль (зелена 532 нм, синя 450 нм)

Поглинання динамічно зростає з підвищенням температури

Саме це є основною причиною того, що зелені та сині лазери в останні роки швидко застосовуються у зварюванні міді та прецизійній обробці алюмінію

III. Характеристики поглинання довжин хвиль неметалевими матеріалами
1. Пластики та полімерні матеріали

Характеристики поглинання пластиків тісно пов’язані з їхньою молекулярною структурою:

Більшість пластиків прозорі або слабо поглинають у ближній інфрачервоній області

Високе поглинання у середній та далекій інфрачервоній смузі (10,6 мкм)

Характеристики поглинання можна значно змінити шляхом додавання пігментів або поглиначів

Тому лазери СО₂ широко використовуються для різання пластику, маркування та обробки тонких плівок.

2. Дерево, папір та органічні матеріали

Органічні матеріали, як правило, мають високе поглинання інфрачервоних лазерів:

Висока ефективність поглинання лазерів СО₂

Схильні до термічного розкладу, утворення вуглецю та випаровування

Під час обробки утворюються порівняно великі зони теплового впливу

Ці матеріали підходять для обробки інфрачервоними лазерами малої потужності у неперервному або імпульсному режимі.

IV. Кераміка, скло та прозорі матеріали

Прозорі або напівпрозорі матеріали мають сильну залежність поглинання від довжини хвилі:

Низьке поглинання та висока пропускна здатність у інфрачервоному та видимому діапазонах

Значно збільшена абсорбація в ультрафіолетовому діапазоні

Лазери короткої довжини хвилі більш легко індукують багатофотонну абсорбацію

Отже, ультрафіолетові лазери мають чіткі переваги у свердлінні скла та прецизійній обробці кераміки.

V. Вплив поверхні матеріалу на швидкість абсорбації

Окрім власних властивостей матеріалу, стан поверхні також впливає на ефективність абсорбації:

Шорсткі поверхні більш легко абсорбують лазерну енергію порівняно з дзеркальними поверхнями

Оксидні шари та покриття можуть зменшувати відбивну здатність

Забруднення поверхні може збільшити початкову абсорбацію в певних процесах

При обробці високовідбивних матеріалів часто використовується попередня обробка поверхні для поліпшення зв'язування лазерної енергії.

VI. Вплив різниць у абсорбації на лазерну обробку

Різниця в швидкостях поглинання матеріалів на різних лазерних довжинах хвиль безпосередньо впливає на:

Вибір типу лазера

Налаштування потужності та густини енергії

Швидкість обробки та стабільність

Розмір зони термічного впливу та якість формування

Правильно підібравши матеріал до відповідної довжини хвилі лазера, можна знизити енергоспоживання, покращивши при цьому якість обробки та безпеку обладнання.

Існують суттєві відмінності у швидкостях поглинання різних матеріалів на різних лазерних довжинах хвиль. Ці відмінності зумовлені електронною структурою матеріалу, характеристиками молекулярних коливань та станом поверхні. У застосуваннях лазерної обробки вибір довжини хвилі лазера, що відповідає характеристикам поглинання матеріалу, є ключовим для досягнення високої ефективності та якості. З розвитком технологій короткохвильових лазерів можливості обробки високовідбивних та прозорих матеріалів постійно покращуються.