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金属材料对激光的吸收

金属材料对激光的吸收 2011年12月02日 来源： 金属材料对激光的吸收

激光照射在金属表面，一部分被反射，其余部分被吸收，所吸收的激光功率在固体内部按下述规律变化：

qv (z) ＝ qvo (1－R)e-αz （2）

式中 qv (z)，qvo──分别为距固体表面z处和表面上的体积功率密度，W/cm3；

R──反射率；

α──吸收系数，cm-1，多数金属的吸收系统α≈105～106cm-1。

激光吸入金属材料的深度，只限于表面下10-5cm的范围。根据现代的研究认为：光子的能量主要被导电电子所吸收，电子气在10-11～10-10s内将能量传给晶格，在时间大于10-9s以后便可以认为电子气温度与晶格温度相等了，从而建立起金属表面的总温度T的概念。所以激光对金属的加热，可以看作是一种表面热源，在表面层光能变为热能，其向金属深处的传播遵循一般的热传导规律。

金属对波长1.06μm的CO2激光的吸收随温度变化而变化，其变化曲线见图2。

在熔化温度时，吸收率急剧增加。多数金属在熔化使其电导率急剧减小到1/2～1/3，这就必然导致反射率与导热率的突变。表面熔化后吸收率的增大，对激光焊接提供了有利条件。图2还表示出在固态时由于使用表面涂层而使吸收率提高的情况。

激光作用下金属表面将发生非常复杂的变化，在激光的照射下材料表面被加热并向材料深处传导，激光功率密度增大时表面将熔化，功率密度进一步增大，金属表面将瞬时汽化。功率密度更高时，表面附近的金属蒸气及气体变为等离子体，反而对激光起到屏蔽作用，激光为相干光，辐射于材料表面时，如遇到微粒或台阶，被反射而沿材料表面传播的等波长的光波，会与辐射的激光波相干涉，而在熔融的表面上形成同心圆或平行于台阶的波纹。

功率密度很大的激光脉冲作用于材料的表面时，材料瞬时汽化，汽化粒子高速飞出对表面产生很大的反冲力，在材料中形成很强的冲击波，因而能对材料进行冲击硬化。

激光在材料表面的反射、透射和吸收本质上是光波的电磁场与材料相互作用的结果。光波入射材料时，材料中的带电粒子随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，原子将成为振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之间是相干的，从而形成一定的反射波和透射波。

综上所述，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、甚至还有过量的声子。这些有序的原始激发能要经历两个步骤才能够转化为热能。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（弛豫时间）内完成，这个时间比最短的激光脉宽还要短，甚至可能短于光波周期。第二步是能量在各质点间的均布。这个过程包含有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。

为描述激光辐照的热效果，人们常常忽略复杂的、具体的弛豫途径，而用一种的能量弛豫时间τE表示辐射区内能量均匀化过程的特征。对于金属来说，τE的典型值为10-13s；而对于非金属，τE＝10-12～10-6s。具体数值与材料和辐照激光的功率密度有关。总之，弛豫时间很短，除非讨论用锁模超短脉冲激光辐照材料的瞬变过程，对于一般激光加工，均可认为材料吸收的光能向热能的转换是瞬间发生的。在这个瞬间，热能仅仅局限于材料的激光辐照区。通过随后的热传导，热量由高温区向低温区流动。

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