于長(zhǎng)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(duì)激光的吸收

于長(zhǎng)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(shí)，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(duì)激光的吸收和反射能夠進(jìn)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(zhǎng)；熔點(diǎn)

0　引言

激光是一種能量密度高，方向性強(qiáng)及單色性好的電磁波。當(dāng)激光照射到材料表面時(shí)，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(diǎn)，激光在材料表面與材料的微觀粒子的相互作用是一個(gè)全量子化的能量交換過(guò)程，然而，由于強(qiáng)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(shí)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(jué)，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(lái)描述光束與固體材料的相互作用。

1　材料對(duì)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(jiǎn)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(duì)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(zhǎng)的函數(shù)，對(duì)于不同波長(zhǎng)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(zhǎng)的關(guān)系。在通常情況下，對(duì)于同一材料波長(zhǎng)越短，吸收系數(shù)越大。

表1　一些材料吸收系數(shù)R與波長(zhǎng)λ的關(guān)系

另外，材料表面對(duì)激光的吸收還隨溫度的變化而變化，其變化趨勢(shì)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(duì)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(shí)對(duì)激光的吸收系數(shù)均很小，當(dāng)溫度升高到接近熔點(diǎn)時(shí)，其吸收系數(shù)約0.4～0.5，若接近沸點(diǎn)，其吸收系數(shù)可高達(dá)0.9。

圖1　一些金屬對(duì)激光的吸收系數(shù)隨溫度變化的關(guān)系

需要強(qiáng)調(diào)激光的偏振狀態(tài)及入射角對(duì)材料表面對(duì)光的吸收或反射有重要的影響。圖2示出室溫下鐵對(duì)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(chǎng)振動(dòng)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(dòng)的p 分量與分量被材料表面的吸收開(kāi)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(shuō)，如果作用激光束是偏振光，當(dāng)光束入射平面與電場(chǎng)振動(dòng)面平行時(shí)，被材料表面吸收的激光功率將比入射平面垂直于光波場(chǎng)振動(dòng)方向時(shí)顯著增加。

圖2　室溫下鐵對(duì)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(duì)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(lái)提高激光能量的利用率，應(yīng)用研究中事實(shí)上是通過(guò)測(cè)量有預(yù)置涂層的吸收系數(shù)來(lái)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(shí)吸收系數(shù)實(shí)測(cè)結(jié)果。

當(dāng)吸收系數(shù)ρ確定后，進(jìn)入材料內(nèi)部的激光是如何在材料表層被吸收的問(wèn)題。設(shè)到達(dá)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(jìn)入材料內(nèi)部沿z 軸正向傳播的激光光波場(chǎng)可以表示為

器臨時(shí)放置時(shí)，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(gè)混凝土梁上，則除氧器對(duì)梁的壓力為：110×9.8÷（3.2×0.8）=0.42MPa＜40MPa。

滿足除氧器臨時(shí)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(yǔ)

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

［1］SCC2600A履帶起重機(jī)操作手冊(cè).第四篇.載荷表［Z］.

［2］ZSC70240自升塔式起重機(jī)使用說(shuō)明書［Z］.2005

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

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