材料對激光的吸收

于長興，王洪祥，郭洪昌，周麗華，齊吉泰（綏化學(xué)院 電氣工程學(xué)院，黑龍江 綏化 152000）

材料對激光的吸收

于長興，王洪祥，郭洪昌，周麗華，齊吉泰
（綏化學(xué)院 電氣工程學(xué)院，黑龍江 綏化 152000）

激光照射到材料表面時，材料吸收激光和反射激光，激光束中的大量光子流與材料的大數(shù)量的微觀粒子間的能量交換的結(jié)果，了解不同材料對激光的吸收和反射能夠進一步分析非熔凝態(tài)激光與物質(zhì)的相互熱作用。

激光；吸收；反射；波長；熔點

0　引言

激光是一種能量密度高，方向性強及單色性好的電磁波。當(dāng)激光照射到材料表面時，只有被材料吸收，才能產(chǎn)生后續(xù)的熱效應(yīng)。按照近代物理的觀點，激光在材料表面與材料的微觀粒子的相互作用是一個全量子化的能量交換過程，然而，由于強激光束中的光子流量十分巨大，考慮宏觀熱作用的空間及時間范圍內(nèi)，將發(fā)生極大數(shù)量的微觀粒子間的能量交換，能量交換的量子化已經(jīng)基本不能察覺，在激光加工及熱處理的大多數(shù)應(yīng)用及研究中，可以用經(jīng)典的概念來描述光束與固體材料的相互作用。

1　材料對激光的吸收

激光入射到材料表面后，能量為E0的光能將一部分被反射，剩余能量則被物體吸收。按照能量守恒原理可以簡單地寫為

上式兩邊同除E0后得到

式中，R 為反射系數(shù)，ρ為表面為吸收系數(shù)。對于垂直入射到材料

表面的激光，反射系數(shù)由菲涅耳公式給出

式中，n為材料的折射率。因此，表面吸收系數(shù)為

由于材料的折射率是波長的函數(shù)，對于不同波長的激光，材料的吸收系數(shù)是不相同的，表1為一些材料吸收系數(shù)與波長的關(guān)系。在通常情況下，對于同一材料波長越短，吸收系數(shù)越大。

表1　一些材料吸收系數(shù)R與波長λ的關(guān)系

另外，材料表面對激光的吸收還隨溫度的變化而變化，其變化趨勢通常是隨溫度的升高而增大，但也存在隨溫度的升高而吸收下降的例外［2］。圖1為一些金屬對激光的吸收系數(shù)隨溫度變化的關(guān)系。低碳鋼、鐵、鋁、銅等金屬材料在室溫時對激光的吸收系數(shù)均很小，當(dāng)溫度升高到接近熔點時，其吸收系數(shù)約0.4～0.5，若接近沸點，其吸收系數(shù)可高達0.9。

圖1　一些金屬對激光的吸收系數(shù)隨溫度變化的關(guān)系

需要強調(diào)激光的偏振狀態(tài)及入射角對材料表面對光的吸收或反射有重要的影響。圖2示出室溫下鐵對10.6μm 的CO2激光的p分量與s 分量的反射系數(shù)隨入射角的變化情況。p分量表示光波的電場振動與入射面平行的分量，s分量是與入射面垂直的部分。從s圖中可以看出，當(dāng)光束入射角大于40°后，激光振動的p 分量與分量被材料表面的吸收開始變化，當(dāng)光束入射角大于80°后，吸收差異顯著變化。也就是說，如果作用激光束是偏振光，當(dāng)光束入射平面與電場振動面平行時，被材料表面吸收的激光功率將比入射平面垂直于光波場振動方向時顯著增加。

圖2　室溫下鐵對10.6μm 的CO2激光的p 分量與s 分量的反射系數(shù)

2　激光能量利用率提高方法

由以上討論可以看出，常用金屬材料對大功率激光，特別是目前工業(yè)上使用較普遍的CO2激光的吸收是很小的。為獲得高的能量利用率，在激光加工或熱處理材料表面通常預(yù)置涂層來提高激光能量的利用率，應(yīng)用研究中事實上是通過測量有預(yù)置涂層的吸收系數(shù)來作為理論分析或數(shù)值模擬的依據(jù)。作為參考，表2給出45#鋼表面涂上幾種不同的涂層時吸收系數(shù)實測結(jié)果。

當(dāng)吸收系數(shù)ρ確定后，進入材料內(nèi)部的激光是如何在材料表層被吸收的問題。設(shè)到達材料表面的激光為沿截面具有某振幅分布A（x，y）的平行光，進入材料內(nèi)部沿z 軸正向傳播的激光光波場可以表示為

器臨時放置時，所有支座可以落在樓層混凝土梁上。

除氧器支座底面尺寸3200×800mm，極限情況除氧器重心落在單個混凝土梁上，則除氧器對梁的壓力為：110×9.8÷（3.2×0.8）=0.42MPa＜40MPa。

滿足除氧器臨時放置需要。

（4）鋼絲繩選擇。鋼絲繩選擇滿足8倍安全系數(shù)即可，本文不再贅述。

6　結(jié)語

本次除氧器吊裝中塔吊因額定負載偏小，只能輔助履帶吊移動吊點，并嚴(yán)格限制塔吊工作幅度。如果另有一臺額定負載大的起重機械配合，則完全可以由履帶吊單獨起吊除氧器。本文使用的方法風(fēng)險較大，建議只在缺乏大起重能力的起重機械時予以考慮。

［1］SCC2600A履帶起重機操作手冊.第四篇.載荷表［Z］.

［2］ZSC70240自升塔式起重機使用說明書［Z］.2005

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.18.218

李瑋利（1987-），男，湖南益陽人，本科，助理工程師，研究方向：熱能動力工程安裝。