材料对激光的吸收

于长兴，王洪祥，郭洪昌，周丽华，齐吉泰（绥化学院 电气工程学院，黑龙江 绥化 152000）

材料对激光的吸收

于长兴，王洪祥，郭洪昌，周丽华，齐吉泰
（绥化学院 电气工程学院，黑龙江 绥化 152000）

激光照射到材料表面时，材料吸收激光和反射激光，激光束中的大量光子流与材料的大数量的微观粒子间的能量交换的结果，了解不同材料对激光的吸收和反射能够进一步分析非熔凝态激光与物质的相互热作用。

激光；吸收；反射；波长；熔点

0　引言

激光是一种能量密度高，方向性强及单色性好的电磁波。当激光照射到材料表面时，只有被材料吸收，才能产生后续的热效应。按照近代物理的观点，激光在材料表面与材料的微观粒子的相互作用是一个全量子化的能量交换过程，然而，由于强激光束中的光子流量十分巨大，考虑宏观热作用的空间及时间范围内，将发生极大数量的微观粒子间的能量交换，能量交换的量子化已经基本不能察觉，在激光加工及热处理的大多数应用及研究中，可以用经典的概念来描述光束与固体材料的相互作用。

1　材料对激光的吸收

激光入射到材料表面后，能量为E0的光能将一部分被反射，剩余能量则被物体吸收。按照能量守恒原理可以简单地写为

上式两边同除E0后得到

式中，R 为反射系数，ρ为表面为吸收系数。对于垂直入射到材料

表面的激光，反射系数由菲涅耳公式给出

式中，n为材料的折射率。因此，表面吸收系数为

由于材料的折射率是波长的函数，对于不同波长的激光，材料的吸收系数是不相同的，表1为一些材料吸收系数与波长的关系。在通常情况下，对于同一材料波长越短，吸收系数越大。

表1　一些材料吸收系数R与波长λ的关系

另外，材料表面对激光的吸收还随温度的变化而变化，其变化趋势通常是随温度的升高而增大，但也存在随温度的升高而吸收下降的例外［2］。图1为一些金属对激光的吸收系数随温度变化的关系。低碳钢、铁、铝、铜等金属材料在室温时对激光的吸收系数均很小，当温度升高到接近熔点时，其吸收系数约0.4～0.5，若接近沸点，其吸收系数可高达0.9。

图1　一些金属对激光的吸收系数随温度变化的关系

需要强调激光的偏振状态及入射角对材料表面对光的吸收或反射有重要的影响。图2示出室温下铁对10.6µm 的CO2激光的p分量与s 分量的反射系数随入射角的变化情况。p分量表示光波的电场振动与入射面平行的分量，s分量是与入射面垂直的部分。从s图中可以看出，当光束入射角大于40°后，激光振动的p 分量与分量被材料表面的吸收开始变化，当光束入射角大于80°后，吸收差异显著变化。也就是说，如果作用激光束是偏振光，当光束入射平面与电场振动面平行时，被材料表面吸收的激光功率将比入射平面垂直于光波场振动方向时显著增加。

图2　室温下铁对10.6µm 的CO2激光的p 分量与s 分量的反射系数

2　激光能量利用率提高方法

由以上讨论可以看出，常用金属材料对大功率激光，特别是目前工业上使用较普遍的CO2激光的吸收是很小的。为获得高的能量利用率，在激光加工或热处理材料表面通常预置涂层来提高激光能量的利用率，应用研究中事实上是通过测量有预置涂层的吸收系数来作为理论分析或数值模拟的依据。作为参考，表2给出45#钢表面涂上几种不同的涂层时吸收系数实测结果。

当吸收系数ρ确定后，进入材料内部的激光是如何在材料表层被吸收的问题。设到达材料表面的激光为沿截面具有某振幅分布A（x，y）的平行光，进入材料内部沿z 轴正向传播的激光光波场可以表示为

器临时放置时，所有支座可以落在楼层混凝土梁上。

除氧器支座底面尺寸3200×800mm，极限情况除氧器重心落在单个混凝土梁上，则除氧器对梁的压力为：110×9.8÷（3.2×0.8）=0.42MPa＜40MPa。

满足除氧器临时放置需要。

（4）钢丝绳选择。钢丝绳选择满足8倍安全系数即可，本文不再赘述。

6　结语

本次除氧器吊装中塔吊因额定负载偏小，只能辅助履带吊移动吊点，并严格限制塔吊工作幅度。如果另有一台额定负载大的起重机械配合，则完全可以由履带吊单独起吊除氧器。本文使用的方法风险较大，建议只在缺乏大起重能力的起重机械时予以考虑。

［1］SCC2600A履带起重机操作手册.第四篇.载荷表［Z］.

［2］ZSC70240自升塔式起重机使用说明书［Z］.2005

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

李玮利（1987-），男，湖南益阳人，本科，助理工程师，研究方向：热能动力工程安装。