Causes et effets de la faible absorption des lasers infrarouges sur les matériaux hautement réfléchissants
Les lasers infrarougessont largement utilisés dans le traitement des métaux, mais pour les matériaux hautement réfléchissants tels que le cuivre, l'aluminium, l'or et l'argent, le taux d'absorption est généralement faible. Une faible absorption affecte directement l'efficacité du couplage énergétique du laser, la stabilité du traitement et la fenêtre de processus globale. Ce qui suit explique les phénomènes en fonction des caractéristiques des matériaux, des paramètres du laser et des mécanismes d'interaction optique.
I. Propriétés optiques des matériaux hautement réfléchissants
Les matériaux hautement réfléchissants ont une forte concentration d'électrons libres, et leurs surfaces présentent une réflectivité élevée dans la gamme de longueurs d'onde infrarouges. La réflectivité de surface est principalement déterminée par l'indice de réfraction complexe du matériau, dans lequel les parties réelle et imaginaire liées à la conductivité électrique dictent le comportement de réflexion et d'absorption à l'interface. Pour les longueurs d'onde infrarouges (telles que 1064 nm ou proche infrarouge), la réflectivité du cuivre et de l'aluminium peut dépasser 90 %, avec des taux d'absorption d'environ 3 % à 7 %. Par conséquent, l'énergie du laser ne peut pas être efficacement déposée dans le matériau.
II. Caractéristiques de longueur d'onde des lasers infrarouges
La longueur d'onde des lasers infrarouges se situe dans la zone de faible réponse d'absorption des électrons libres métalliques. Dans cette gamme de longueurs d'onde, les métaux ont une faible profondeur de peau, ce qui signifie que l'énergie optique se dégrade électromagnétiquement dans une très fine couche de surface, ce qui entraîne une absorption effective limitée. Parallèlement, l'énergie des photons de la lumière infrarouge est faible et ne peut pas induire un fort couplage électromagnétique, ce qui réduit l'efficacité de l'interaction entre le laser et la surface métallique.
III. Influence de l'angle d'incidence et de la polarisation du laser sur l'absorption
L'angle d'incidence et l'état de polarisation modifient le comportement de réflexion à l'interface. La lumière polarisée S a une réflectivité plus élevée sur les surfaces métalliques, tandis que la lumière polarisée P peut atteindre une réflectivité plus faible à des angles spécifiques. Cependant, dans les applications pratiques de soudage, de nettoyage ou de marquage, il est difficile de maintenir une direction de polarisation stable, de sorte que l'absorption globale reste faible.
IV. Influence des conditions de surface du matériau sur l'absorption
La rugosité de la surface, l'épaisseur du film d'oxyde et la contamination affectent la diffusion et l'absorption de l'énergie du laser. Exemples :
Les couches d'oxyde peuvent augmenter l'absorption du cuivre dans la gamme infrarouge.
Les surfaces rugueuses permettent une diffusion multiple, augmentant l'absorption effective.
Cependant, dans la phase initiale de traitement des matériaux lisses et hautement réfléchissants, l'absorption reste significativement faible.
V. Effets d'une faible absorption sur le traitement
Difficulté de couplage énergétique : L'énergie du laser ne peut pas être déposée efficacement, ce qui entraîne une pénétration de soudure insuffisante ou une faible efficacité de marquage.
Risque accru de réflexion arrière : Une réflectivité élevée peut provoquer un retour du laser, endommageant potentiellement les composants optiques internes de la source laser.
Fenêtre de processus plus étroite : Le traitement devient très sensible à la puissance, à la position de focalisation et à la vitesse de balayage, ce qui conduit à des résultats instables.
Fusion initiale difficile : Au début du traitement, une faible absorption empêche la formation stable d'un bain de fusion, nécessitant une densité d'énergie plus élevée.
VI. Méthodes pour améliorer l'absorption des lasers infrarouges sur les matériaux hautement réfléchissants
Augmenter la densité de puissance : Réduire la taille du spot ou augmenter la puissance de crête pour renforcer le couplage énergétique initial.
Utiliser des processus laser modulés (par exemple, impulsions MOPA) : Une puissance de crête élevée dans les impulsions peut chauffer rapidement la surface du matériau et réduire la réflectivité.
Prétraitement de surface : Le rugosification, le sablage, le nettoyage ou l'oxydation contrôlée peuvent améliorer l'absorption.
Utiliser des formes d'onde variables ou des lasers multi-modes : Différentes largeurs d'impulsion et fréquences améliorent la stabilité de l'absorption.
Utiliser des lasers bleus ou verts au lieu de l'infrarouge : Les lasers à lumière visible ont une absorption significativement plus élevée sur le cuivre, l'aluminium et les matériaux similaires, en fonction des exigences de l'équipement.