激光与金属材料的相互作用探究

激光作用到金属材料上，使材料的温度不断上升，当作用区光吸收的能量与作用区输出的能量相等时，达到能量平衡状态，作用区温度将保持不变，否则温度将继续上升。这一过程中，激光作用时间相同时，光吸收的能量与输出的能量差越大，材料的温度上升越快；激光作用条件相同时，材料的热导率越小，作用区与其周边的温度梯度越大；能量差相同时，材料的比热容越小，材料作用区的温度越高。对于所有材料来讲，可以用激光加热使材料处于液态、气态或者等离子体等不同状态。这一过程主要与激光的功率密度、激光的作用时间、材料的密度、材料的熔点、材料的相变温度、激光的波长以及材料表面对该波长激光的吸收率、热导率等有关。激光热加工过程示意图如2-1所示。

图2-1　激光与材料相互作用原理图

激光与材料相互作用过程中的能量变化式遵从能量守恒定律，即

式中：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。式（2-1）可转化为

式中：R 为反射系数（或反射率）；α为吸收系数（或吸收率）；T 为透过系数。对于激光不透过材料，T=0，则1=R+α。

上式表明，激光作用在金属材料表面上的能量大小主要与吸收系数和反射系数有关，反射系数越大，被金属吸收的能量越小；反射系数越小，被吸收的能量越大。随着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。对于大多数金属来说，金属吸收光子的深度都小于0.1μm。激光能量向金属的传输就是固体金属对激光的吸收。光子与电子相互作用发生非弹性碰撞，光子被电子吸收。吸收了光子处于高能级状态的电子将在与其他电子相互碰撞和与晶格振动量子的相互作用的过程中进行能量传递，即进行了能量以热的形式转移，光能转变成热能是在瞬间完成的。(www.xing528.com)

激光作用到金属片材表面，将发生反射、折射和吸收。入射到材料上时，就会引起光波场和介质中带电粒子的相互作用，反射光和折射光的产生都是由于两介质交界面内层的原子和分子对入射光的相干散射，光波场使界面原子成为振荡的偶极子，辐射的次波在第一介质中形成反射波，在第二介质中形成折射波。材料对激光的吸收率主要与激光作用波长、材料温度、入射光偏振态、激光入射角和材料表面状况有关。激光在材料内部传播时，强度按指数规律衰减，其衰减程度由材料的吸收率决定。通常定义激光在材料中传播时，激光强度下降到入射光强度的1/e时对应的深度为穿透深度。当激光强度达到足够高时，强激光与物质作用的结果使物质的折射率发生变化，激光束表现出中间强度高、两边强度迅速下降的高斯分布，使材料中光通过区域的折射率为中间大、两边小的分布。

吸收率是波长的函数，根据吸收率随波长变化规律的不同，把吸收率与波长有关的吸收称为选择吸收，与波长无关的吸收称为一般吸收或普遍吸收。金属在常温下对激光吸收率较小，温度上升到熔点附近时，其对激光的吸收率达到40%～50%，若温度上升到沸点附近时，其对激光吸收率可达90%。金属在一般情况下对波长较长激光初始吸收率较小。

不同金属材料对不同波长吸收率如图2-2所示。

图2-2　不同金属材料对不同波长吸收率

从微观上讲，这种转移是光子与材料中的电子、声子互相交换能量；从宏观上讲，主要是金属中光学电磁场与自由电子的作用，自由电子与晶格碰撞产生阻尼而把光能传给晶格进行加热。在半导体中，则是导带电子和价带空穴与光波场的作用；对介电材料，主要是原子或分子在外加光波场作用下极化，光能耦合于晶格而进行加热的。因此，材料的光能吸收过程可以用经典电磁理论来描述，给出吸收率和反射率。

在垂直入射条件下，反射率R、吸收率α的计算公式如下：

式中：n、k均为介电常数。对于红外和可见光波段，金属的反射率很高，而在紫外波段，吸收率很高。准分子激光具有紫外波段，吸收率高，是理想的激光加工波段。介质表面对激光反射率既与光波的入射角有关，又与光波的偏振态有关。若入射的激光为垂直于入射面的线偏振光，则反射率R 随入射角增大而增大，而吸收率α随入射角增大而减小；若入射的激光为平行于入射面的线偏振光，则反射率R 随入射角增大而减小，而吸收率α随入射角增大而增大。当达到布儒斯特角时，反射率R 为零，吸收率α最大。