Причины и следствия низкой абсорбции инфракрасных лазеров на высокоотражающих материалах
Инфракрасные лазерышироко используются в обработке металлов, но для высокоотражающих материалов, таких как медь, алюминий, золото и серебро, коэффициент поглощения, как правило, низок. Низкая абсорбция напрямую влияет на эффективность связи энергии лазера, стабильность обработки и общее технологическое окно. Ниже объясняются явления, основанные на характеристиках материала, параметрах лазера и механизмах оптического взаимодействия.
I. Оптические свойства высокоотражающих материалов
Высокоотражающие материалы имеют высокую концентрацию свободных электронов, и их поверхности демонстрируют высокую отражательную способность в диапазоне инфракрасных волн. Отражательная способность поверхности в основном определяется комплексным показателем преломления материала, в котором действительная и мнимая части, связанные с электропроводностью, диктуют поведение отражения и поглощения на границе раздела. Для инфракрасных волн (например, 1064 нм или ближний инфракрасный диапазон) отражательная способность меди и алюминия может превышать 90%, при этом коэффициент поглощения составляет всего около 3–7%. Следовательно, энергия лазера не может быть эффективно внесена в материал.
II. Волновые характеристики инфракрасных лазеров
Длина волны инфракрасных лазеров находится в зоне слабой абсорбционной реакции свободных электронов металла. В этом диапазоне длин волн металлы имеют небольшую глубину проникновения, что означает, что оптическая энергия электромагнитно затухает в очень тонком поверхностном слое, что приводит к ограниченному эффективному поглощению. Между тем, энергия фотонов инфракрасного света низка и не может вызвать сильную электромагнитную связь, снижая эффективность взаимодействия между лазером и металлической поверхностью.
III. Влияние угла падения лазера и поляризации на поглощение
Угол падения и состояние поляризации изменяют поведение отражения на границе раздела. S-поляризованный свет имеет более высокую отражательную способность на металлических поверхностях, в то время как P-поляризованный свет может достигать более низкой отражательной способности под определенными углами. Однако в практических применениях сварки, очистки или маркировки поддержание стабильного направления поляризации затруднено, поэтому общее поглощение остается низким.
IV. Влияние состояния поверхности материала на поглощение
Шероховатость поверхности, толщина оксидной пленки и загрязнения влияют на рассеяние и поглощение энергии лазера. Примеры включают:
Оксидные слои могут увеличить поглощение меди в инфракрасном диапазоне.
Шероховатые поверхности допускают многократное рассеяние, увеличивая эффективное поглощение.
Однако на начальном этапе обработки гладких высокоотражающих материалов поглощение остается значительно низким.
V. Влияние низкой абсорбции на обработку
Трудность связи энергии: энергия лазера не может быть эффективно внесена, что приводит к недостаточной глубине проплавления сварного шва или низкой эффективности маркировки.
Повышенный риск обратного отражения: высокая отражательная способность может вызвать возврат лазера, потенциально повреждая внутренние оптические компоненты источника лазера.
Более узкое технологическое окно: обработка становится очень чувствительной к мощности, положению фокуса и скорости сканирования, что приводит к нестабильным результатам.
Трудное начальное плавление: в начале обработки низкое поглощение препятствует стабильному образованию сварочной ванны, требуя более высокой плотности энергии.
VI. Методы улучшения поглощения инфракрасного лазера на высокоотражающих материалах
Увеличение плотности мощности: уменьшение размера пятна или увеличение пиковой мощности для усиления начальной связи энергии.
Использование модулированных лазерных процессов (например, импульсы MOPA): высокая пиковая мощность в импульсах может быстро нагревать поверхность материала и снижать отражательную способность.
Предварительная обработка поверхности: шерохование, пескоструйная обработка, очистка или контролируемое окисление могут улучшить поглощение.
Использование переменных форм волны или многомодовых лазеров: различные ширины импульсов и частоты улучшают стабильность поглощения.
Использование синих или зеленых лазеров вместо инфракрасных: лазеры видимого света имеют значительно более высокое поглощение на меди, алюминии и аналогичных материалах, в зависимости от требований к оборудованию.