金属材料的激光吸收率研究

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式中 O为材料的电阻率 ! 因此 # 照射到金属表面自 由电子部分的激光除被反射部分外 # 其他都被金属 所吸收 # 吸收率为 H! " ) " ) * 其他振子的吸收 照射到金属表面的激光除被表面自由电子吸 收 部分 外 # 还有 一 部 分 被 金 属 中 的 其 他 振 子 5 束缚 电子 激子等 : 所吸收 ! 束缚电子具有一定的固有频率 # 其值由电子跃 迁 的 能 量 变 化 决 定# 一般处在可见光区和紫外光 区# 束缚电 子 的 作 用 将 使 金 属 的 反 射 能 力 降 低 # 透 射能 力增 大 # 增 强 金 属 对 激 光 的 吸 收# 呈现出非金 属的光学性质 ! 当束缚电子吸收光子跃迁时 # 由于 原子的平衡位置与电子所处的状态有关 # 电子状态 原子 平 衡 位 置 也 不 同 # 当电子由一个状态跃 不同 # 迁到另一个状态时 # 原子的平衡位置并不能马上得 到 调整 ! 例如 电子在 状态 " 原子 静止在 平衡 位 置 # 由于吸收光子 # 电子跃迁到另一状态 * 跃迁 过 上# # 程中 原子 仍 停 留 在 原 来 位 置 # 电 子 是 垂 直 跃 迁# 这 个位置相对状态 *就不是势能最低的平衡位置 # 在 恢复到状态 *的平衡位置过程中 # 多余势能转变为 原子的振动能 # 最终变成晶格能 ! 所以在光吸收过 程中 # 光子 一 部 分 能 量 实 际 上 转 变 为 晶 格 的 热 能 ! 这 部分 光子的吸 收 率 很 显 然 和 束 缚 电 子 的 能 级 状 态有 关 # 各 种 金 属 的 能 级 分 布 情 况 各 不 相 同# 比较 复杂 ! 各金属能级不同的主要原因在于金属原子的 核外电子数和原子序数的不同 # 而核外电子的分布 具有一定的规律 # 可以大致通过核外电子分布的层 而 数 R 来 反 映 各 种 金 属 的 电 子 能 级 状 态 的 不 同#
" ) " 金属材料的激光吸收机理 当激光照射到金属材料表面时 # 被吸收的激光 分为 *个 部 分 + 一 方 面# 激光照射到金属材料表面 时# 由于金属的自由电子过多而反射了绝大部分的 激光 # 只有小部分被表面自由电子吸收 , 另一方面 # 当大部分激光自由电子被反射的同时 # 还有一小部 激 子晶格振动等振 分 激光被 金 属 内 的 束 缚 电 子 子吸收 ! " ) " ) " 透过金属表面自由电子层的激光 由于激光器内损耗了光子在垂直方向上的偏 振分量 # 因此可以只考虑激光的平行偏振分量 ! 由 在金属表面激光平行偏振分量的 菲涅耳公式可知 # 反射率
摘
要 ! 针对菲涅耳公式计算金属材料激光吸收率所得的结果与实际测得的吸收率值存在一定
的误差这一问题 . 在详细分析了激光热处理中金属材料吸收率影响因素的基础上 . 通过数值模拟 . 改进了金属材料激光吸收率的计算模型 . 并利用此激光吸收率计算模型 ’ 以铝 2 铜2 铂2 铁 0种金属 材料为例 ( 进行激光吸收率的计算和分析 . 进而计算了 , 该值与 " ,不锈钢激光吸收率的理论值 . 3 4 用集总参数法测得的 , 从而验证了该改进的金属材料激 " ,不锈钢材料激光吸收率结果相吻合 . 3 4 光吸收率计算公式的正确性 5 关键词 ! 激光技术 1 金属激光吸收率 1 集总参数法
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7 " *; 5 6 : < = > ?" " 2 8 9 3 4* " * 01 101 1 5 " : / 2 7 " 3 * 5 6 :; < = > @" " 8 9 " 式中 +2 分别为入 射 光 和 反 射 光 在 平 行 偏 3和 2 34 为材料电 振 分 量 上 的 能 量, > " 为 激 光 入 射 角, 7 导 率 ,8为激光 的角频 率 ! 由于金属 材料 中 7A 8 9 " 可忽略激光入射角变化对反射率的影响 # 因此激 " # 光入射角对金属材料的激光反射率影响非常小 # 可 认为反射率与入射角无关 ! 在激光热处理过程中 # 激光基本上是从空气中 入射 的 # 由于 / 与入射 角无关 # 则可 假 设 激 光 为 正 入射
$ v 耳公式 . 而菲涅耳公式 u 所算得的吸收率和实验所
得数据相差较大 5 目前关于金属材料激光吸收率的 理论计算改进模型几乎没有报道 . 只有一些关于测
$ % , v 定激光吸收率方法的介绍 u 5 本文从金属材料的
金属表面上的激光能量一部分被材料吸收 . 另一部 分则反射 5 当前激光热处理的主要材料为金属 . 因
第$ +卷 第 )期 $ # # &年 +月 文章编号 ! " # # $ % $ # & $ ’ $ # # & ( # ) % # * + , % # -
应用光学 M a N 4 O W S a c 8q q S T \ eVq b T d j
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金属材料的激光吸收率研究
陈
. $ . $ . $ . $ 君" . 张群莉 " . 姚建华 " . 傅纪斌 "
浙江工业大学 机械制造及自动化教育部重点实验室 . 浙江 杭州 , ’ " / " # # " 0 1 浙江工业大学 激光加工技术工程研究中心 . 浙江 杭州 , $ / " # # " 0 (
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电子 能级 最主要 反 映 的 就 是 金 属 原 子 谐 振 的 固 有
N ( 频率 $ 但 ! 电阻率主要反映了金属的自由电子数 #
SN T % S 验证 !
应用光学
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陈
君# 等+ 金属材料的激光吸收率研究
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" 金属材料的激光吸收
在激光热处理中 # 金属材料作为主要的加工对 象# 它的激光吸收率大小就显得尤为重要 ! 由菲涅 耳 公 式可知光波 在 金 属 导 体 表 面 上 的 电 场 总 是 形 自由电子受到光波电磁场的强迫振动 成驻波波节 # 而 产生次 波 # 这 些 次 波 造 成 了 强 烈 的 反 射 波# 反射 了绝大部分激光 ! 特别是在长波段下 # 光子能量较 低# 主要对 金 属 中 的 自 由 电 子 起 作 用 # 几乎是全反 射的# 只有 少 量 的 吸 收 # 然而这少量的吸收在激光
引言
激光热处理的本质是利用材料吸收的激光能 量 来改变材料物 理 化 学 结 构 从 而 实 现 一 定 的 热 处 理目的 5 材料对激光的吸收问题一直以来都是激光 热处理最为关心的主题之一 . 它对工件的热处理质
" v 量有着直接影响 u 照射到 5 在激光热处理过程中 .
此对金属材料激光吸收率的研究就显得相对迫切 . 目 前计 算金属材 料 的 激 光 吸 收 率 主 要 是 应 用 菲 涅
激光吸收机理出发 . 拟合金属材料的激光吸收率曲 线. 并以不锈钢 , " ,为基材进行激光吸收率实验 3 4
收稿日期 ! $ # # * % " # % , " 1 修回日期 ! $ # # * % " $ % , " 作 者简介! 陈君’ 男. 浙江临海人. 硕士研究生. 主要从事材料的激光吸收率及激光与材料相互作用方面的研究工 " + & $ w( . 作 5L % ! & & & " + , " * x" , / fW T S d a f
’ " /6 .P X \]VL^\ _‘ W [ a 4 W b a 4 _a c ]\ d X W O T d]W O N c W d b N 4 \W O e8N b a fW b T a O X \ g T W O hZO T i \ 4 j T b _ .KW " # # " 0 .3 1$ /l a c 6 \ d X O a S a h _ O h k X a N, X T O W \ j \ W 4 d X3 \ O b \ 4a c ‘ W j \ 4m 4 a d \ j j T O h6 \ d X O a S a h _ .P .KW " # # " 0 .3 ( W O eL O h T O \ \ 4 T O h X \ g T W O hZO T i \ 4 j T b _a c 6 \ d X O a S a h _ O h k X a N, X T O W
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% & ’ ( 热处理中显得特别重要 $ !
式 中 +G 为 光 透 射 率 ,H4 为 光 吸 收 率!由 于 当 前 激光热处理行业中 # 波长为 " D ) .I L* 激光器 J的K 金属表面自由电子的固有频率远远 仍占主要地位 # 大于该波段的激光 # 大部分激光能量被表面自由电 子 反 射 或 者 吸 收 转 化 为 振 动 热 能# 因此透射率极 低# 并 且 透 射 光 在 表 层 即 被 吸 收# 吸收长度仅为 在5 式中可认为 5 均为吸收率 H+ " DM * : : J# G@H4 H0* ) " % ’N B7 0D B P * 8 9 D O 5 Q :