고반사 재료에 대한 적외선 레이저 흡수율 저하의 원인과 영향
적외선 레이저는 금속 가공에 널리 사용되지만, 구리, 알루미늄, 금, 은과 같은 고반사 재료의 경우 흡수율이 일반적으로 낮습니다. 낮은 흡수율은 레이저 에너지 결합 효율, 가공 안정성 및 전반적인 공정 창에 직접적인 영향을 미칩니다. 다음은 재료 특성, 레이저 매개변수 및 광학적 상호 작용 메커니즘을 기반으로 현상을 설명합니다.
I. 고반사 재료의 광학적 특성
고반사 재료는 높은 자유 전자 농도를 가지며, 표면은 적외선 파장 범위에서 높은 반사율을 나타냅니다. 표면 반사율은 주로 재료의 복소 굴절률에 의해 결정되며, 여기서 전기 전도도와 관련된 실수부와 허수부는 계면에서의 반사 및 흡수 거동을 결정합니다. 적외선 파장(예: 1064 nm 또는 근적외선)의 경우 구리와 알루미늄의 반사율은 90%를 초과할 수 있으며, 흡수율은 3%~7% 정도에 불과합니다. 따라서 레이저 에너지를 재료에 효과적으로 전달할 수 없습니다.
II. 적외선 레이저의 파장 특성
적외선 레이저의 파장은 금속 자유 전자의 약한 흡수 반응 영역에 있습니다. 이 파장 범위에서 금속은 작은 스킨 깊이를 가지며, 이는 광학 에너지가 매우 얕은 표면층 내에서 전자기적으로 감쇠되어 효과적인 흡수가 제한됨을 의미합니다. 한편, 적외선 광자의 에너지는 낮아 강한 전자기 결합을 유도할 수 없어 레이저와 금속 표면 간의 상호 작용 효율을 감소시킵니다.
III. 흡수에 대한 레이저 입사각 및 편광의 영향
입사각 및 편광 상태는 계면에서의 반사 거동을 변경합니다. S-편광 광은 금속 표면에서 더 높은 반사율을 가지며, P-편광 광은 특정 각도에서 더 낮은 반사율을 얻을 수 있습니다. 그러나 실제 용접, 세척 또는 마킹 응용 분야에서는 안정적인 편광 방향을 유지하기 어려우므로 전반적인 흡수율은 여전히 낮습니다.
IV. 흡수에 대한 재료 표면 상태의 영향
표면 거칠기, 산화막 두께 및 오염은 레이저 에너지의 산란 및 흡수에 영향을 미칩니다. 예는 다음과 같습니다.
산화층은 적외선 범위에서 구리의 흡수를 증가시킬 수 있습니다.
거친 표면은 다중 산란을 허용하여 효과적인 흡수를 증가시킵니다.
그러나 매끄러운 고반사 재료의 초기 가공 단계에서는 흡수율이 여전히 현저히 낮습니다.
V. 낮은 흡수율이 가공에 미치는 영향
에너지 결합 어려움: 레이저 에너지를 효과적으로 전달할 수 없어 용접 침투 불량 또는 마킹 효율 저하를 초래합니다.
후면 반사 위험 증가: 높은 반사율은 레이저 반사를 유발하여 레이저 소스의 내부 광학 부품을 손상시킬 수 있습니다.
좁은 공정 창: 가공은 출력, 초점 위치 및 스캔 속도에 매우 민감해져 불안정한 결과를 초래합니다.
초기 용융 어려움: 가공 시작 시 낮은 흡수율로 인해 안정적인 용융 풀 형성이 방해되어 더 높은 에너지 밀도가 필요합니다.
VI. 고반사 재료에 대한 적외선 레이저 흡수율을 개선하는 방법
출력 밀도 증가: 스폿 크기를 줄이거나 피크 출력을 높여 초기 에너지 결합을 강화합니다.
변조된 레이저 공정(예: MOPA 펄스) 사용: 펄스에서 높은 피크 출력은 재료 표면을 빠르게 가열하고 반사율을 줄일 수 있습니다.
표면 전처리: 거칠게 하기, 샌드 블라스팅, 세척 또는 제어된 산화는 흡수율을 향상시킬 수 있습니다.
가변 파형 또는 다중 모드 레이저 사용: 다양한 펄스 폭과 주파수는 흡수 안정성을 향상시킵니다.
적외선 대신 청색 또는 녹색 레이저 사용: 가시광선 레이저는 장비 요구 사항에 따라 구리, 알루미늄 및 유사한 재료에 대해 훨씬 더 높은 흡수율을 갖습니다.