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：

                   （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E0，可以转化为：

               （2）

其中  为反射系数（反射率）； 为吸收系数(吸收率)； 为透过系数（透过率）。对于不透明的材料，其E透过=0，则有：

                           （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：

                        （4）

对于不透明的材料，其吸收率a 可以表示为：

                    （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：

                       (6)

其中，(6)式中  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 ， 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，，则：

                       (7)

其中，(7)式中T为光的透射率，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）式中可认为均为吸收率A，因此透射率T为：

                    (8)

其中，（8）式中为材料的电阻率，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,其值由电子跃迁的能量变化决定, ,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：

                      （9）

（9）式中、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： 得  则：

                     (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:

                      (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  ，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。图3为  ， 变化时非金属材料的激光吸收率与角度的关系曲线，由图可知当角度变大时，材料的吸收率先增加，在到达一个最大值后又减小，而这个最大值几乎等于1，这可以解释为存在一个布儒斯特角可以使得材料的反射率为0，即所有光都被材料吸收或透过，若材料厚度大于吸收长度则被完全吸收。一般在我们激光热处理过程中使用的涂料都为非金属材料，折射率较大，而且激光反射回去要先通过一层涂层的吸收后到达金属表面后再反射回涂层，又重新被涂层吸收，这样被二次吸收后再从表面透射出去的基本很少，因此我们通常可以把它当作不透明材料来处理。

图2 非金属材料的吸收率与折射率的关系曲线        图3 非金属材料的吸收率随入射角的变化曲线

表面粗糙度对激光吸收率影响

材料表面粗糙度对激光吸收率的影响是显而易见的，其主要影响因素可以分为两部分。一方面，材料表面对激光多次反射的重复吸收。在光照射到材料表面时，由于表面凹凸不平，必然会产生多次反射，其原理如图4所示。图4中左边为材料表面粗糙的轮廓线，右边是对单个表面轮廓波谷在激光照射下的放大图，由图可见，垂直入射的激光束可以通过反复多次的反射而在表面V型凹槽中得到吸收，当凹槽角度 α 足够小时，垂直入射的激光束可认为是自陷的，即通过多次反射吸收来吸收激光束的所有能量。然而实际材料的表面形态是随机的，就很难详细地计算所有型凹槽激光吸收。另一方面，一些非金属材料的吸收率会随着激光入射角度的变化而变化，在其入射角为布儒斯特角时，激光在材料表面的吸收率最大，几乎能全部吸收光束能量。但由于材料表面粗糙度的存在，其凹凸不平的轮廓线不可能全部都相同，因此，不可能让所有光在材料表面的入射角都保持在布儒斯特角状态，而实际材料的表面形态是随机的，这使得激光入射角的大小也是随机的，这对激光吸收率的计算增加了难度。因此，为了更方便计算，需要对材料表面粗糙度做等效处理。

图4 材料表面多次反射吸收原理图

材料表面粗糙度等效处理

首先设定一个随机表面，如图5（a）所示，将这个表面轮廓线的波峰全部对称往下折见图5（b），图6（a）为全部轮廓线下折后的倒三角总轮廓线，这个倒三角的高度为所有波谷高度总和的一半，因此图5（a）的材料表面轮廓线可利用图6（a）的轮廓线来等效处理。图6（a）中的轮廓边线不规则，这给计算带来不便，为此另外假设一个轮廓边线为直线的规则倒三角作等效处理（如图6（b））。

图5、图6中L为取样长度，等效表面的高度为所有波谷和，即：

                         （12）

（12）式中N为波谷数，Ra为表面轮廓算术平均偏差。则：

                      （13）

（13）式中  为等效处理表面轮廓线后等效表面的倾斜角度见图图6（b），因此，只要测得材料表面的粗糙度即可求得值，利用值便可计算表面粗糙程度对激光吸收率的影响。

图5材料表面轮廓线对称下折后等效图             图6所有表面轮廓线对称下折后总等效图

等效处理后激光吸收率的分析

由于材料表面粗糙度不同，因此激光在表面重复反射的次数也不相同，这主要反映在角度  的变化上，因此可按反射次数来计算在各个角度  上的吸收率。同时很多非金属材料的激光吸收率与入射角度有关。在实际应用过程中，只需测得材料表面的粗糙度，就可以按的取值来选择具体的计算公式，从而求出吸收率。

（1）当  时，光为全部一次反射，图7为一次反射时的表面光路示意图则：

金属吸收率：   ；                                    （14）

    非金属吸收率：                    （15）

（A1为金属材料的吸收率，a为材料单次反射的吸收率，下文亦同；A2为非金属材料的吸收率, 其中光入射角  ）

（2）当  时，光为全部一次反射，部分二次反射, 图8为相应的表面光路示意图，则：

金属吸收率：   ；                     （16）

    非金属吸收率：                      （17）

（分别为对应光入射角度的激光吸收率，下文亦同，其中入射角，）

（3）当  时，光为全部二次反射， 图9为相应的表面光路示意图，则：

金属吸收率：   ；                          （18）

    非金属吸收率：                          （19）

（其中光入射角 ，）

（4）当  时，光为全部二次反射，部分三次反射, 图10为相应的表面光路示意图，则：

金属吸收率：   ；           （20）

非金属吸收率：          

                                                           (21) 

（其中光入射角 ， , ）

（3）当  时，光为全部三次反射， 图11为相应的表面光路示意图，则：

金属吸收率：   ；               （22）

    非金属吸收率：       （23） 

（其中光入射角 ， , ）

当  时，可认为激光相对于材料表面是自陷的，本文将不做详细分析。

图7                            图8                          图9  

图10                                     图11

图7~图11 分别为一次反射、部分二次反射、二次反射、部分三次反射三次反射的表面光路示意图

为了更方便观看粗糙度对激光吸收率的影响，列举了金属材料的激光吸收率随着粗糙度的变化曲线，假设光滑表面金属的吸收率a=10%，根据以上的计算进行拟合，得到了粗糙金属材料激光吸收率随粗糙度的变化曲线，如图12所示。

图12材料表面轮廓线对称下折后等效图

从图12中可以清楚地看到激光吸收率随表面粗糙斜角的变化规律，当角度为  、 、 变化时，由图中可看出吸收率保持直线不变，分别为一次反射、二次反射、三次反射时的吸收率，而在角度为、 变化时，图中可看出吸收率随着角度的增加而急剧增加，并且增加斜率随着角度的增大而增大。

外加电场对金属材料激光吸收率的影响

金属材料中存在大量的自由电子，并且集中在金属的表面，因此对激光的吸收主要是由自由电子来完成的。通常情况下，激光的频率只有在接近自由电子的固有频率的时候才会被较好的吸收,当激光频率远大于自由电子的固有频率时,激光基本被透射,此时激光对金属是透明的当激光频率远小于自由电子的固有频率时,激光在材料表面就基本上被反射,金属对激光的吸收率非常低。金属自由电子的固有频率一般处于紫外到近红外波段。要提高激光对金属的吸收率,就必须改变金属表面自由电子分布,降低金属表面被热处理区域的自由电子密度将极大地提高激光吸收率。因此，激光热处理过程中通过使用外加电场来改变金属表面自由电子分布，进而提供金属材料的激光吸收率。

如图13所示，将电容器的两极A、B与变压器并联，在电容中间放上不锈钢试样，试样尺寸长、宽、高分别为a、b、，两端的面积为  , 上下面的面积为 ， 电容两极之间的距离为d，在加上电场时打开激光器加热试样表面，电容中的电场强度为：

                        （24）

电场中的试样内电场为等势体，两端的电势差为：

                      （25）

(其中  为试样的电容， 为试样的介电常数)

则试样两端的电荷数为：

           （26）

由菲涅耳公式可知金属材料的激光吸收率a为：

                      (27) 

(其中 、c、 、 分别为金属表面的自由电子密度、光速、入射光波长、真空中的介电常数)

          (28) 

(其中 、 分别为试样加电场后的自由电荷密度和试样未加电场前的表面自由电荷密度)

将（28）式代入（27）式得：

                   （29）

由（29）式中可看出金属的光吸收率随着外加电压的增加而升高，同时试样的端面面积与上下表面面积的比值也影响着光吸收率的变化，因而为适应金属材料的表面激光热处理需求，提高激光吸收率，可在激光热处理过程中加上电场。

根据方程（29）式画出的激光吸收率值随着电压变化的曲线，图中并没有考虑表面粗糙度对吸收率的影响，假设为光滑表面，由图中可明显看出吸收率随着电压的增加而增加。

图13随电压变化的理论激光吸收率曲线

其他方式对金属材料激光吸收率的影响

表面涂层对材料吸收率的影响

材料表面形貌不同，则其对激光的吸收与反射能力也不同。利用在金属表面涂覆一层对激光吸收率较高材料的方法可以提高金属激光热处理的光能利用效率。表面涂层的实质是利用涂层材料改变金属材料表面对激光的吸收特性，从而增加材料对激光吸收的光能。在激光加工过程中，材料表面与空气是分界的，空气也可被看成是涂层。在激光照射下,材料表面的空气吸收部分激光能量发生氧化和污染,阻止其对激光的反射，从而增加了材料对激光的吸收率。表 1列出了部分涂料在金属材料上对激光的吸收率。

表1不同涂层材料对激光的吸收率

温度对材料吸收率的影响

吸收率与温度的关系主要是体现在电阻率变化上，上文已经指出吸收率受电阻率的影响，又因为电阻率又是温度的函数，因此吸收率受温度的影响，为了更好地说明温度与吸收率的关系，下面给出了吸收率与温度的曲线，如图14所示。图14给出了当温度0~1000℃变化时铝、铜、铁、铂四种金属对波长为10.6μm的吸收率变化曲线。由图中可看出激光吸收率都是随着温度的升高而增加，其主要原因在于这些金属的电阻率是随着温度的变化而增大的。这在激光热处理过程中是有利的并可加以利用，如可通过预热的形式来增加激光的吸收率，进而改善激光热处理的质量。

图13铝、铜、铁、铂激光吸收率随温度变化的曲线图

综上所述，激光辐射到被加工材料表面时,会发生反射、吸收、透射及散射等光学现象。其中材料对激光束的吸收率决定了材料对激光能量的利用率。本文分别推导了金属和非金属材料对激光束的吸收率的理式，并且分析了表面粗糙度对激光吸收率影响，外加电场对金属材料激光吸收率的影响，表面涂层对材料吸收率的影响和温度对材料吸收率的影响。为提高材料对激光束的吸收率提供了几种思路。