高反射材料における赤外線レーザーの低吸収の原因と影響
赤外線レーザーは金属加工に広く使用されていますが、銅、アルミニウム、金、銀などの高反射材料では、一般的に吸収率が低いです。低吸収は、レーザーエネルギーの結合効率、加工の安定性、および全体的なプロセスウィンドウに直接影響します。以下に、材料特性、レーザーパラメータ、および光学的相互作用メカニズムに基づいて現象を説明します。
I. 高反射材料の光学的特性
高反射材料は高い自由電子濃度を持ち、その表面は赤外線波長域で高い反射率を示します。表面反射率は主に材料の複素屈折率によって決定され、その中の電気伝導率に関連する実部と虚部が界面での反射と吸収の挙動を決定します。赤外線波長（1064 nmまたは近赤外線など）の場合、銅とアルミニウムの反射率は90％を超えることがあり、吸収率はわずか3％〜7％です。したがって、レーザーエネルギーを材料に効果的に堆積させることはできません。
II. 赤外線レーザーの波長特性
赤外線レーザーの波長は、金属の自由電子の弱い吸収応答領域にあります。この波長域では、金属は小さなスキンデプスを持ち、光学エネルギーが非常に浅い表面層内で電磁的に減衰し、効果的な吸収が制限されます。一方、赤外光の光子エネルギーは低く、強い電磁結合を誘発することができず、レーザーと金属表面間の相互作用効率を低下させます。
III. レーザー入射角と偏光が吸収に及ぼす影響
入射角と偏光状態は、界面での反射挙動を変化させます。S偏光光は金属表面で高い反射率を持ち、P偏光光は特定の角度で低い反射率を達成できます。しかし、実際の溶接、クリーニング、またはマーキングアプリケーションでは、安定した偏光方向を維持することは困難であり、全体的な吸収は低いままです。
IV. 材料表面の状態が吸収に及ぼす影響
表面粗さ、酸化膜の厚さ、および汚染は、レーザーエネルギーの散乱と吸収に影響します。例としては、
酸化層は、赤外線領域での銅の吸収を増加させる可能性があります。
粗い表面は多重散乱を可能にし、効果的な吸収を増加させます。
ただし、滑らかな高反射材料の初期加工段階では、吸収は依然として著しく低いです。
V. 低吸収が加工に及ぼす影響
エネルギー結合の困難さ：レーザーエネルギーを効果的に堆積させることができず、溶接の浸透不足やマーキング効率の低下につながります。
背面反射のリスクの増加：高い反射率はレーザーの戻りを引き起こし、レーザー光源の内部光学部品を損傷する可能性があります。
プロセスウィンドウの狭小化：加工は、出力、焦点位置、および走査速度に非常に敏感になり、不安定な結果につながります。
初期溶融の困難さ：加工開始時、低吸収は安定した溶融プールの形成を妨げ、より高いエネルギー密度が必要になります。
VI. 高反射材料における赤外線レーザーの吸収を改善する方法
出力密度の増加：スポットサイズを小さくするか、ピーク出力を上げて、初期エネルギー結合を強化します。
変調レーザープロセス（例：MOPAパルス）を使用する：パルス内の高いピーク出力は、材料表面を急速に加熱し、反射率を低下させることができます。
表面前処理：粗面化、サンドブラスト、クリーニング、または制御された酸化により、吸収を改善できます。
可変波形またはマルチモードレーザーを使用する：異なるパルス幅と周波数は、吸収の安定性を向上させます。
赤外線の代わりに青色または緑色レーザーを使用する：可視光レーザーは、銅、アルミニウム、および同様の材料に対して著しく高い吸収を示し、機器の要件によって異なります。