Phân tích Sự Khác biệt về Tỷ lệ Hấp thụ Bước sóng Laser bởi Các Vật liệu Khác nhau

Trong xử lý bằng tia laser, việc năng lượng laser có thể tác động hiệu quả lên vật liệu hay không phụ thuộc vào khả năng hấp thụ bước sóng laser cụ thể của vật liệu đó. Các vật liệu khác nhau thể hiện sự khác biệt đáng kể về tỷ lệ hấp thụ ở các bước sóng khác nhau, và những khác biệt này ảnh hưởng trực tiếp lên hiệu suất, độ ổn định và chất lượng xử lý trong các quá trình như cắt, hàn, khắc và làm sạch bằng laser. Hiểu rõ đặc tính hấp thụ theo vật liệu và bước sóng là nền tảng để lựa chọn quy trình laser và tối ưu hóa các thông số.

I. Mối quan hệ cơ bản giữa bước sóng laser và tỷ lệ hấp thụ

Tỷ lệ hấp thụ laser đề cập đến tỷ lệ năng lượng laser tới được bề mặt vật liệu hấp thụ. Nó bị ảnh hưởng bởi các yếu tố sau:

Bước sóng laser

Cấu trúc điện tử và đặc tính mạng tinh thể của vật liệu

Điều kiện bề mặt (độ nhám, lớp oxit, lớp phủ)

Góc tới và trạng thái phân cực

Trong hầu hết các trường hợp, tỷ lệ hấp thụ của một vật liệu không phải là giá trị cố định mà thay đổi đáng kể theo bước sóng. Do đó, cùng một vật liệu có thể cho kết quả gia công khác biệt rõ rệt khi tiếp xúc với các loại laser khác nhau (ví dụ như laser CO₂, laser sợi, laser xanh hoặc laser tia cực tím).

II. Đặc tính hấp thụ của các bước sóng laser khác nhau đối với vật liệu kim loại
1. Kim loại sắt (thép carbon, thép không gỉ)

Kim loại sắt thể hiện khả năng hấp thụ tương đối ổn định trong dải hồng ngoại gần (khoảng 1,06 μm):

Hấp thụ cao đối với laser sợi 1064 nm

Liên kết năng lượng tốt với laser CO₂ 10,6 μm

Khả năng hấp thụ tăng thêm sau khi bề mặt bị oxy hóa hoặc làm nhám

Do đó, laser sợi và laser CO₂ được sử dụng rộng rãi để cắt và hàn vật liệu thép.

2. Kim loại phản xạ cao (nhôm, đồng, vàng, bạc)

Các kim loại phản xạ cao có khả năng hấp thụ thấp trong dải hồng ngoại:

Hấp thụ ban đầu thấp đối với laser 1064 nm, với khả năng phản xạ mạnh

Hấp thụ cao đáng kể ở bước sóng ngắn hơn (xanh lục 532 nm, xanh lam 450 nm)

Hấp thụ tăng động học khi nhiệt độ tăng

Đây là lý do chính khiến laser màu xanh lục và xanh lam được áp dụng nhanh chóng trong hàn đồng và gia công nhôm chính xác trong những năm gần qua.

III. Đặc điểm hấp thụ bước sóng của vật liệu phi kim
1. Nhựa và vật liệu polymer

Đặc điểm hấp thụ của nhựa có liên hệ chặt mật với cấu trúc phân tử của chúng:

Hầu hết các loại nhựa trong suốt hoặc hấp thụ yếu trong dải hồng ngoại gần

Hấp thụ cao trong dải hồng ngoại trung và hồng ngoại xa (10,6 μm)

Đặc điểm hấp thụ có thể được thay đổi đáng kể bằng cách thêm sắc tố hoặc chất hấp thụ

Do đó, laser CO₂ được sử dụng rộng rãi trong cắt, khắc và xử lý màng mỏng nhựa.

2. Gỗ, Giấy và Vật liệu Hữu cơ

Vật liệu hữu cơ nói chung có khả năng hấp thụ cao đối với laser hồng ngoại:

Hiệu suất hấp thụ cao đối với laser CO₂

Dễ bị phân hủy nhiệt, hóa than và hóa hơi

Vùng ảnh hưởng nhiệt tương đối lớn trong quá trình xử lý

Những vật liệu này phù hợp với xử lý laser hồng ngoại liên tục hoặc xung công suất thấp.

IV. Gốm, Thủy tinh và Vật liệu Trong suốt

Vật liệu trong suốt hoặc bán trong suốt thể hiện sự phụ thuộc mạnh vào bước sóng trong khả năng hấp thụ:

Khả năng hấp thụ thấp và độ truyền qua cao trong dải hồng ngoại và khả kiến

Tăng hấp thụ đáng kể trong dải tử ngoại

Các laser bước sóng ngắn dễ dàng kích thích hấp thụ đa photon hơn

Do đó, laser tử ngoại có những ưu thế rõ rệt trong khoan thủy tinh và gia công gốm chính xác.

V. Ảnh hưởng của bề mặt vật liệu đến tỷ lệ hấp thụ

Ngoài các tính chất vốn có của vật liệu, điều kiện bề mặt cũng ảnh hưởng đến hiệu suất hấp thụ:

Bề mặt nhám hấp thụ năng lượng laser dễ dàng hơn so với bề mặt gương

Các lớp oxit và lớp phủ có thể làm giảm độ phản xạ

Các tạp chất bám trên bề mặt có thể tăng khả năng hấp thụ ban đầu trong một số quá trình

Trong gia công các vật liệu có độ phản xạ cao, thường sử dụng xử lý trước bề mặt để cải thiện sự ghép nối năng lượng laser.

VI. Tác động của sự khác biệt về hấp thụ đến gia công bằng laser

Sự khác biệt về tốc độ hấp thụ vật liệu ở các bước sóng laser khác nhau ảnh hưởng trực tiếp đến:

Lựa chọn loại laser

Thiết lập công suất và mật độ năng lượng

Tốc độ và độ ổn định trong xử lý

Kích thước vùng chịu ảnh hưởng nhiệt và chất lượng tạo hình

Bằng cách lựa chọn phù hợp giữa vật liệu với bước sóng laser thích hợp, có thể giảm tiêu thụ năng lượng đồng thời cải thiện chất lượng xử lý và độ an toàn của thiết bị.

Có sự khác biệt đáng kể về tỷ lệ hấp thụ của các vật liệu khác nhau ở các bước sóng laser khác nhau. Những khác biệt này được xác định bởi cấu trúc điện tử, đặc tính dao động phân tử và trạng thái bề mặt của vật liệu. Trong các ứng dụng gia công bằng laser, việc lựa chọn bước sóng laser phù hợp với đặc tính hấp thụ của vật liệu là yếu tố then chốt để đạt được hiệu quả cao và chất lượng sản phẩm tốt. Cùng với sự phát triển của công nghệ laser bước sóng ngắn, khả năng gia công các vật liệu phản xạ mạnh và vật liệu trong suốt không ngừng được cải thiện.