Causas e Efeitos da Baixa Absorção de Lasers Infravermelhos em Materiais Altamente Reflexivos
Lasers infravermelhossão amplamente utilizados no processamento de metais, mas para materiais altamente reflexivos como cobre, alumínio, ouro e prata, a taxa de absorção é geralmente baixa. A baixa absorção afeta diretamente a eficiência de acoplamento da energia do laser, a estabilidade do processamento e a janela geral do processo. O seguinte explica os fenômenos com base nas características do material, nos parâmetros do laser e nos mecanismos de interação óptica.
I. Propriedades Ópticas de Materiais Altamente Reflexivos
Materiais altamente reflexivos possuem alta concentração de elétrons livres, e suas superfícies exibem alta refletividade na faixa de comprimento de onda infravermelha. A refletividade da superfície é determinada principalmente pelo índice de refração complexo do material, no qual as partes real e imaginária relacionadas à condutividade elétrica ditam o comportamento de reflexão e absorção na interface. Para comprimentos de onda infravermelhos (como 1064 nm ou infravermelho próximo), a refletividade do cobre e do alumínio pode exceder 90%, com taxas de absorção de apenas cerca de 3% a 7%. Portanto, a energia do laser não pode ser depositada efetivamente no material.
II. Características de Comprimento de Onda de Lasers Infravermelhos
O comprimento de onda dos lasers infravermelhos está na zona de resposta de baixa absorção dos elétrons livres metálicos. Nesta faixa de comprimento de onda, os metais têm uma pequena profundidade de pele, o que significa que a energia óptica decai eletromagneticamente dentro de uma camada superficial muito rasa, resultando em absorção efetiva limitada. Enquanto isso, a energia do fóton da luz infravermelha é baixa e não pode induzir um forte acoplamento eletromagnético, reduzindo a eficiência da interação entre o laser e a superfície do metal.
III. Influência do Ângulo de Incidência e Polarização do Laser na Absorção
O ângulo de incidência e o estado de polarização alteram o comportamento de reflexão na interface. A luz polarizada em S tem maior refletividade em superfícies metálicas, enquanto a luz polarizada em P pode atingir menor refletividade em ângulos específicos. No entanto, em aplicações práticas de soldagem, limpeza ou marcação, manter uma direção de polarização estável é difícil, portanto, a absorção geral permanece baixa.
IV. Influência das Condições da Superfície do Material na Absorção
A rugosidade da superfície, a espessura da película de óxido e a contaminação afetam a dispersão e a absorção da energia do laser. Exemplos incluem:
Camadas de óxido podem aumentar a absorção de cobre na faixa infravermelha.
Superfícies rugosas permitem múltiplas dispersões, aumentando a absorção efetiva.
No entanto, no estágio inicial de processamento de materiais lisos altamente reflexivos, a absorção permanece significativamente baixa.
V. Efeitos da Baixa Absorção no Processamento
Dificuldade de acoplamento de energia: A energia do laser não pode ser depositada efetivamente, resultando em penetração de solda insuficiente ou baixa eficiência de marcação.
Maior risco de retro-reflexão: Alta refletividade pode causar retorno do laser, potencialmente danificando componentes ópticos internos da fonte do laser.
Janela de processo mais estreita: O processamento torna-se altamente sensível à potência, posição do foco e velocidade de varredura, levando a resultados instáveis.
Fusão inicial difícil: No início do processamento, a baixa absorção impede a formação estável da poça de fusão, exigindo maior densidade de energia.
VI. Métodos para Melhorar a Absorção de Laser Infravermelho em Materiais Altamente Reflexivos
Aumentar a densidade de potência: Reduzir o tamanho do ponto ou aumentar a potência de pico para fortalecer o acoplamento de energia inicial.
Usar processos de laser modulados (por exemplo, pulsos MOPA): Alta potência de pico em pulsos pode aquecer rapidamente a superfície do material e reduzir a refletividade.
Pré-tratamento da superfície: Rugosidade, jateamento de areia, limpeza ou oxidação controlada podem melhorar a absorção.
Usar formas de onda variáveis ou lasers multimodo: Diferentes larguras de pulso e frequências melhoram a estabilidade da absorção.
Usar lasers azuis ou verdes em vez de infravermelhos: Lasers de luz visível têm absorção significativamente maior em cobre, alumínio e materiais semelhantes, dependendo dos requisitos do equipamento.