金属材料对激光吸收的影响

2023-06-26 理论教育版权反馈

【摘要】：金属对光的吸收能力与金属内的自由电子密度密切相关。金属表面的温度会影响其表面吸收激光的能力，图4-1-16所示为某金属材料对CO2激光的吸收率随温度而变化的曲线。可见，在金属到达熔点温度之前，激光吸收率随温度而缓慢增加；当达到熔点时，金属对CO2激光的吸收率快速上升，熔化状态下激光吸收率平均约为45%；当达到汽化温度时，吸收率可达90%。对于偏振面垂直于激光入射面的，激光吸收率则随着入射角的增加而减小。

激光进行焊接等热加工时首先是激光能量要被材料所吸收，从而转换成热量。材料对激光的吸收能力可用吸收率来表征。吸收率不仅和材料性质有关，也受其他因素的影响。

1.吸收率

激光能对材料进行加工，材料对激光的吸收是首先涉及的物理过程。激光入射到材料表面时，一部分被材料表面反射，一部分被材料吸收，另一部分通过材料透射。这一激光传播过程应满足能量守恒定律，用E₀表示入射到材料表面的激光能，E_R表示被材料表面反射的激光能量，E_A表示被材料表面吸收的激光能，而E_T表示透过材料的激光能，则由能量守恒定律有

E₀=E_R+E_A+E_T （4-1-8）

式中 R——反射率；

α——吸收率；

T——透射率。

对于不透明材料，透射光也被吸收，即E_T=0，则有

1=R+α （4-1-10）

激光在材料内部传播过程中，激光强度衰减。试验证明，对于各向同性的均匀物质来说，强度为I的入射激光通过厚度为dx的薄层后，其激光强度的相对减少量dI/I与吸收层厚度dx成正比。如激光入射至距表面x处的光强度I，则有dI/I∝dx，即

式中的正比系数α即为吸收率或称吸收系数。

设入射到材料表面的激光强度为I₀，将式（4-1-11）从0到x积分，即求得激光入射到距表面为x处的激光强度I：

I=I₀e^-αx （4-1-12）

式（4-1-12）称为布格定律。从布格定律可以看出，随激光入射到材料内部深度的增加，激光强度将以几何级数减弱。此外，激光通过材料的1/α厚度后，其光强将减少为1/e。这说明材料吸收激光的能力应归结为其吸收系数α的数值，α的常用单位是1/cm。

材料对激光的吸收系数α与光强没有关系，而与材料种类、激光波长等有关。例如，常用作激光器输出镜或激光外光路中的透镜的GaAs，它对可见光是不透明的，但对CO₂激光和YAG激光等红外光则是透明的。这种材料激光吸收系数α与波长有关的吸收称做选择吸收。相反，材料激光吸收系数α不随波长而变的吸收则成为一般吸收。通常，用1/α来大致反映不同材料对激光的平均透入深度。

2.金属表面对激光的反射与吸收

激光焊接和切割的加工对象绝大部分是金属。金属是一组规则排列的原子，其间存在未束缚的自由电子。激光在金属材料表面上的反射、吸收和透射是光波电磁场与金属中的自由电子或束缚电子相互作用的结果。当激光辐照在洁净的金属表面时，金属中的自由电子将在光波电磁场作用下发生振动并产生次波，这些次波构成了强烈的反射波和较弱的透射波。在金属中传导电子与热扰动的晶格发生碰撞，将入射的激光能量不可逆地转化成焦耳热。从激光辐照到金属表面，与金属内带电粒子相互作用，使电子能量提高，到能量在各质点间的均匀分布，这个能量弛豫过程是非常短的，典型值为10^-13s，可以认为是瞬间完成的。因金属中自由电子数密度大，当透射部分激光在金属中传播时会被强烈地吸收。试验测试结果表明，从波长为0.2μm的紫外光到10μm的红外光，光在金属中的穿透深度为1～10nm数量级。室温下激光垂直入射时不同金属的吸收率与激光波长的关系如图4-1-15所示。

图4-1-15 室温下激光垂直入射时不同金属的吸收率与激光波长的关系

由上述可以看出，金属对（激）光的作用表现为强反射和强吸收。激光照射到金属材料表面时大部分的能量被反射，而其余的小部分激光能量则在金属表面很小的浅层内被转化成焦耳热而被强烈吸收。

3.影响激光吸收的因素

材料对激光的吸收主要受到材料的种类、激光波长、材料表面状态（温度、表面粗糙度、氧化程度）、激光入射角、激光的偏振状态等因素的影响。

（1）金属材料性质如图4-1-15所示，不同金属对光的吸收率是不同的。以波长为10.6μm的CO₂激光为例，钢对它的吸收率约为10%，纯铁（Fe）的吸收率约为5%，钼（Mo）、铝（Al）、铜（Cu）、银（Ag）等对CO₂激光的吸收率依次减小，其中铝、铜、银等对CO₂激光的吸收率都在2%以下。从吸收率的数值可以看出，金属的表面会将一束激光的大部分能量反射掉。金属对光的吸收能力与金属内的自由电子密度密切相关。一般情况下，金属内自由电子密度越大，即电导率越大，则其对光的吸收率越低。

（2）激光波长如图4-1-15所示，激光波长是另一个影响到激光吸收的重要因素。一般来说，随着光的波长降低，金属对光波的吸收率增加。如当光波波长从10.6μm降到Nd：YAG激光的1.06μm时，纯铁的激光吸收率提高到原来的6倍，铝的激光吸收率也上升到约5%。这是因为波长较长的光束的光子能量较低，主要对金属内的自由电子发生作用，金属的反射率较高；波长较短的光束的光子能量较大，可以对金属中的束缚电子产生作用，金属的反射率因而较低。

（3）材料表面状态材料的表面状态是另一个影响激光吸收的重要方面。金属表面的温度会影响其表面吸收激光的能力，图4-1-16所示为某金属材料对CO₂激光的吸收率随温度而变化的曲线。可见，在金属到达熔点温度之前，激光吸收率随温度而缓慢增加；当达到熔点时，金属对CO₂激光的吸收率快速上升，熔化状态下激光吸收率平均约为45%；当达到汽化温度时，吸收率可达90%。

金属表面如果存在氧化膜、污染或涂层，可使激光吸收率增加。此外，金属表面的粗糙度增加也将提升对激光的吸收率，而过于光滑的表面则会降低激光吸收率。

图4-1-16 某金属对CO₂激光的吸收率随温度而变化的曲线

（4）激光入射角和偏振状态通过理论计算可知，激光入射到物体表面的吸收率与其入射角以及偏振状态有关。当激光的偏振面平行于入射平面，则激光吸收率随着入射角的增大而增大，在达到某个特定角度时吸收率达到最大值，随后吸收率随着入射角的进一步增加而减小。对于偏振面垂直于激光入射面的，激光吸收率则随着入射角的增加而减小。

金属材料对激光吸收的影响

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