材料对激光的吸收率及影响因素

材料对激光的吸收率及影响因素激光加工原理激光之所以能作为加工手段之一是因为其光作用。

激光的该种光作用主要有光化学反应和光热效应两类。

其中，激光去除加工（如切割、打孔）和激光焊接就是利用了激光的光热效应。

因此，为了获得较为理想的激光切割质量，首先须认识和理解激光与物质的相互作用机理。

激光加工材料的过程可分为如下几个：材料热吸收过程激光辐射到被加工材料表面时,该过程会发生反射、吸收、透射及散射等光学现象。

其中，散射或反射、透射会损失部分能量，而被吸收的大量光子通过与金属晶格的相互作用而转换成材料的热能，从而致使被加工材料表面发生温升。

在转换过程中，材料对激光的吸收率与材料的类型和结构、激光波长及是否偏振等参数有关。

由于吸收热较低，该阶段不能用于一般的热加工。

材料被加热过程当激光辐射到被加工材料时,其中，被吸收的那部分能量使内部晶格的热振动转换为热能。

转化后的热能以热传导的方式由外向里在被加工材料内部及四周扩散,从而形成温度场,从而达到加热的目的，该温度场致使其变性。

该过程为材料表面熔化和汽化做准备。

材料表面熔化和汽化过程当材料表面温度超过其熔点时，材料表面开始熔化，形成熔池，熔池外主要是传热，并随着热影响区不断向内部扩散，熔化也开始向内部发展。

当材料表面温度达到其气化点后，激光束可使材料表面产生气化和等离子体辐射。

随着照射时间的持续，熔池的表面将产生气化，并开始生成等离子体，进而形成表面烧蚀，从而达到去除材料的目的。

冷却、凝固过程当激光作用结束后,被加工区的材料开始冷却降温,熔化的材料重新凝固,形成新的表层。

该表层的形成会影响激光加工的质量，应尽量避免其形成或减小其形成面积。

激光加工实质上就是激光与物质之间的相互作用。

激光与物质的相互作用是指激光束投射到物质表面（或内部）时，部分能量被反射，部分被吸收，部分被传递出去，光能以电子和原子的振动激发形式被吸收，从而发生能量的转移与传递，能量转移与传递引起各种物理、化学和生物等效应与过程。

光在材料表面的发射、透射和吸收本质是光波的电磁场与材料相互作用的结果。

光波入射材料时，材料中的带电粒子依着光波电矢量的步调振动起来。

由于电子比较轻通常被光波激发的是自由电子或束缚电子的振动。

红外光的频率较低它也有可能激起非金属中比较重的带电粒子离子的振动。

由于带电粒子的振动原子将成为震荡电偶极子而辐射出次电磁波—次波。

次波之间以及次波与入射波间是相干的从而形成一定的反射波和透射波。

物质吸收激光后首先产生的不是热，而是某些质点的过量能量——自由电子的动能、束缚电子的激发能或者过量的声子。

这些有序的原始激发能要经历两个步骤才转化为热能：第一步是受激粒子运动的空间和时间随机化,这个过程在粒子的碰撞时间驰豫时间内完成,这个时间比最短的激光脉冲宽度还短,甚至可能短于光波周期，第二步是能量在各质点间的均布,这个过程包含大量的碰撞和中间状态,而以非金属材料尤甚。

其中可能存在若干能量转换机制,每种转换又具有特定的时间常数,例如金属中受激运动的自由电子通过与晶体点阵的碰撞将多余能量转化为晶体点阵的振动。

金属材料的激光吸收原理能量转换激光束可以被看作一个高能量密度的热源。

激光辐射到材料表面的过程,实际上是一个能量转移过程。

其中，一大部分能量被材料表面反射，一部分通过材料透射，只有一小部分被材料吸收。

在激光传播过程中,激光与材料相互作用中的能量转换遵循能量守恒定律：E0=E反射+E吸收+E透过（1）其中，E0为入射到材料表面的激光能量；E反射为被材料反射的能量；E吸收为被材料吸收的能量；E透过为激光透过材料后仍保留的能量。

对（1）式等号两边同时除以E，可以转化为：1=E反射E0+E吸收E0+E透过E0=R+a+T（2）其中R=E反射E0为反射系数（反射率）；R=E吸收E0为吸收系数(吸收率)；R=E透过E0为透过系数（透过率）。

对于不透明的材料，其E透过=0，则有：1=R+a（3）由（3）式可知，真正被不透明材料表面利用的激光能量主要与反射系数和吸收系数有关。

二者成反相关关系，有如下规律：反射系数越大，吸收系数就越小，材料吸收的激光能量就越少；反射系数越小，吸收系数就越大，材料吸收的激光能量就越多。

金属材料对激光的吸收由于材料真正利用的有效能量大小主要取决于吸收系数和反射系数，即材料的吸收与反射特性。

反射率是表征材料对激光的反射程度的参数，其可定义为材料表面反射的激光束辐射功率 P 反与入射激光功率 P 总之比。

假设材料表面为理想平面，激光垂直射到其表面时，材料对激光的反射率 R 可以表示为：R=(1−n)2+k2(1+n)2+k2（4）对于不透明的材料，其吸收率a 可以表示为：a=1−R=4n(1+n)2+k2（5）其中，（4）、（5）式中，n为材料的折射率，对于金属材料n为复数，k为消元系数，对于非金属材料k=0。

对金属材料来说，n 和 k 都是波长和温度的函数。

金属一般都是优良导体，其对激光的吸收主要是通过大量自由电荷的带间跃迁实现的。

对于导电能力较强的金属材料（如 Cu、Ag、Au）来说，其电导率越高，反射率也越高。

金属材料对激光的吸收率在激光热处理中,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成驻波波节,自由电子受到光波电磁场的强迫振动而产生次波，这些次波造成了强烈的反射波,反射了绝大部分的激光。

特别是在长波段下,光子能量较低,主要只能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热处理中显得特别重要。

激光照射到金属材料表面时,首先由于金属的自由电子过多而反射了绝大部分的激光,只有小部分得以透过表面而被金属吸收。

另一方面,当大部分激光由于自由电子而被反射的同时,还有一小部分被金属内的束缚电子、激子、晶格振动等振子吸收,因此当激光照射到金属材料表面时被吸收的激光就可以分为两个部分。

透过金属表面自由电子层的激光吸收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,由菲涅耳公式可知,在金属表明激光平行偏振分量的反射率为：R=|E∥′E∥|2=|(iσ′ωε1)12cosφ1−1(iσ′ωε1)12cosφ1+1|2(6)其中，(6)式中E∥、E∥′分别为入射光、反射光在平行偏振分量上能量,σ为材料电导率，ω为激光的角频率，由于金属材料中σωε≫1，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,由于与角度无关,则可假设激光为正入射，cosφ1=1，则：R=|(iσωε1)12−1(iσωε1)12+1|2=|1−2√iσωε1+1|2≈|1−2√i σωε1|2=|1−2√ωε0σe−iπ4|2≈1−2√2ωε0σ≈1−(T+A′) (7) 其中，(7)式中T为光的透射率，A′为光吸收率，由于反射率高的金属表面自由电子的固有频率远大于红外波段的激光，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，因此透射率低，透射光在表层即被吸收,吸收长度仅为10nm,在（7）式中可认为T+A′均为吸收率A，因此透射率T为：T=2√2ωε0σ=2√2cε0λσ=0.1457√ρλ(8)其中，（8）式中ρ为材料的电阻率，T为材料的透射率，若研究对象是不透明金属材料，透射光全部被材料吸收，透射率亦为吸收率。

从（8）可以看出金属材料对激光的吸收率与材料本身的电导率有关（电导率与温度有关，所以材料对激光的吸收率也受温度的影响），也与辐射激光的波长有关。

图1简单列举了几种材料在不同波长下的激光吸收率曲线。

从图1可以看出，金属材料在长波段时吸收率非常低，随着波长的减少吸收率增大，波长为1.06μm的光纤激光的吸收率明显比波长为10.6μm的CO2激光吸收率要高，因此在激光切割、焊接、打孔等加工过程比较适合使用光纤激光器。

从图1中还可以看出铝在0.8 μm处吸收率有明显的上升过程，说明到林处己经达到铝的固有波长，其他几种金属没有出现这种情况是由于它们的固有波长更短。

图1 不同波长下的激光吸收率曲线非金属材料的激光吸收原理一般地说,非金属材料对激光的发射率比较低,吸收率较高,且其吸收对波长有强烈的选择性,这是非金属结构特征所决定的。

绝缘体和半导体在不受激发时仅存在束缚电子,束缚电子具有一定的固有频率ϖ0,其值由电子跃迁的能量变化∆E决定,ω0=∆Eℏ, ℏ为普朗克常数。

当入射光波频率等于或接近于材料内束缚电子的固有频率时,束缚电子发生谐振,辐射出次波,形成较弱的反射波和较强的透射波。

在这个谐振频率附近,材料的吸收系数和反射率均增加,出现反射和吸收峰值。

而在其他频率下,均质的绝缘体和半导体按其本性应该是透明的,具有低的反射率,吸收系数也小。

实际的材料具有多个谐振频率,最重要的谐振相应于价带电子向导带的跃迁带间跃迁。

为了激发带间跃迁,入射光子的能量应该至少等于带宽度。

当带间跃迁长身的载流子对电子和空穴的数量足够多时,它们反过来又可影响物质对激光的吸收。

绝缘体的禁带宽度,相应于真空紫外光的频率。

而半导体的禁带宽度相应于光谱的可见光或红外光部分。

此外半导体在光或热的作用下,其自由载流子浓度较高,出现了某些金属的光学性质。

除了电子跃迁外,大多数非金属还可以通过晶体点阵振动或有机物分子间振动和低频的红外光耦合。

对于陶瓷和其他的一些非金属材料,它们没有自由载流子,只有束缚电子、激子、极化子、晶格振动等振子的吸收,而各种振子的差异集中综合表现在材料对光波折射率以及消光系数上的不同。

因此,非金属材料的激光吸收可以从折射率和消光系数上反映出来。

同样去掉激光器中激光损耗掉了光的垂直分量,只保留平行方向的线偏振光,由菲涅耳公式可知,非金属材料对线偏振激光的吸收率为：a=1−|cosφ−n1n2cosψcosφ+n1n2cosψ|2（9）（9）式中φ、ψ分别为激光入射角和折射角,n1、n2分别为入射介质和折射介质的折射率。

由折射定律：n1sinφ=n2sinψ得cosψ=√1−(n1n2sinφ)2则：a=1−|cosφ−n1n2√1−(n1n2sinφ)2cosφ+n1n2√1−(n1n2sinφ)2|2(10)激光热处理一般是在空气中进行的,所以n1=1,则吸收率变为:a=4n2cosφ√n2−sin2φ[n2cosφ+√n2−sin2φ]2(11)为了更好的说明非金属材料的激光吸收率与折射率、入射角的变化关系，分别列举了它们的变化曲线，如图2、图3所示。

图2为φ=π4，n=0~5变化时，非金属不透明材料的激光吸收率与折射率的关系曲线，由图中可看出不透明材料的吸收率随着折射率的增加而减小（如果材料厚度小于吸收长度则激光透射，透明材料将不在本文考虑范围内），材料的吸收率与折射率成反比。