How Do Lasers Process Materials? A Beginner’s Guide to Laser-Material Interaction

レーザー切断、彫刻、およびマーキングマシンは、業界全体で広く使用されています。 それらは、精度、清浄度、および非接触処理のために評価されています。 しかし、レーザーは実際に材料をどのように処理しますか?

この記事では、レーザーと材料の相互作用の背後にある基本的なメカニズムについて説明します。 レーザービームが表面に当たったときに何が起こるか、切断、彫刻、マーキング効果がどのように生成されるか、そして光学的、熱的、化学的特性、および使用されるレーザーの種類によって異なる材料の反応が異なる理由を学びます。

1をクリックします。レーザービームが材料にヒットするとどうなりますか?

レーザー処理は、集束された光ビームが材料表面に到達したときに始まる。 レーザーが実際に材料を変更できるかどうかは、最初にその材料がレーザー波長を効率的に吸収するかどうかによって異なります。 吸収が発生すると、次のような他の要因 レーザー力、パワー密度、パルス持続時間、および露光時間が最終的な効果を決定します。

レーザービームは、光子の形でエネルギーを運ぶ。 それが材料表面に到達すると、光の一部が反射され、一部が透過され、一部が吸収され得る。 十分なエネルギーが材料によって吸収されるとき有効なレーザーの処理は一般に始まります。

その時点で、レーザーと材料の相互作用が始まります。 吸収されたエネルギーは、材料の熱的、化学的、構造的、さらには超高速の非平衡変化を促進する可能性があります。 最終的な結果は レーザーソース、波长、パルスモード、材料特性、および処理パラメータ。

エネルギーが蓄積すると、材料は反応し始めます。 エネルギー密度、パルス持続時間、および材料特性に応じて、いくつかのことが起こります。

• 表面は溶けて再固化する可能性があります。これは、一部の彫刻およびマーキングプロセスで一般的です。
• 材料は、気化、熱分解、溶融放出、またはこれらの効果の組み合わせによって除去される可能性があります。 レーザー切断をクリックします。
• 材料は、レーザーマーキングおよび表面修飾で一般的である微細構造、化学的、または色の変化を受ける可能性があります。

そのため、木材、金属、プラスチック、またはガラスでは、レーザー切断、彫刻、マーキングが非常に異なって見える可能性があります。 全体的な原理は同じです: 局所的なエネルギー供給。 ただし、支配的な相互作用メカニズムと材料の応答は大きく異なります。

材料とレーザーのパラメーターによっては、深いカット、浅いマーク、色の変化、発泡、酸化、または表面のテクスチャの変更が生じる場合があります。 この相互作用は高度に局所化され、正確に制御されています。これが、レーザー加工が最小限の機械的ストレスでクリーンで細かい結果をもたらす主な理由の1つです。

2をクリックします。レーザー材料相互作用のコアメカニズム

レーザーと材料の相互作用は単一の均一なプロセスではありません。 いくつかの物理的および物理化学的メカニズムが異なる条件下で支配的である可能性があります。 これらのメカニズムを理解することは、異なるレーザーが異なる材料に異なる効果を生み出す理由を説明するのに役立ちます。

2をクリックします。1光熱効果: 熱駆動材料変換

光熱効果は、吸収されたレーザーエネルギーが熱に変換されたときに発生します。 この局所的な加熱は材料の温度を上昇させ、吸収されたエネルギー密度、パルス持続時間、および露光時間に応じて、溶融、気化、熱分解、炭化、またはアブレーションにつながる可能性があります。

光熱相互作用は、多くの産業用レーザープロセス、特に切断、彫刻、マーキングに使用される赤外線CO2レーザーとファイバーレーザーの主要なメカニズムです。 吸収された光エネルギーは熱に変換されるため、これは最も直感的で広く遭遇するレーザーと材料の相互作用の形式でもあります。

このプロセスの重要な側面は、HAZとも呼ばれる熱の影響を受けたゾーンの形成です。 これは、材料が直接除去されていなくても、高温によって材料の特性が変化する可能性がある周辺地域です。

光熱効果により、木材、プラスチック、金属などの材料の効果的かつ迅速な処理が可能になり、多くの産業用レーザーアプリケーションの基本となっています。

2をクリックします。2光化学的効果: 熱の少ないボンド破壊

光化学相互作用では、光子エネルギーは、主にバルク加熱によって作用するのではなく、結合破壊または化学変換に直接寄与します。 このメカニズムは、より一般的に短波長レーザー、特に紫外線レーザーに関連付けられていますが、実際の処理では熱効果が共存する可能性があります。

短波長の光子はより高いエネルギーを運ぶため、一部の材料では分子結合の切断をより効率的に促進できます。 これにより、従来の熱が支配的な処理よりもはるかに少ない熱損傷で、高精度の材料変更または除去が可能になります。

このメカニズムは、プラスチック、ポリマー、電子部品などの敏感な材料のレーザーマーキングおよびマイクロマシニング用途に特に役立ちます。 ユーザーがよく比較する理由の1つでもあります ファイバーレーザー対UVレーザー ファインマーキングアプリケーション用のレーザーを選択するとき。

2をクリックします。3熱化学的効果: 熱と表面化学の組み合わせ

一部のレーザープロセスには、熱入力と化学的に駆動される表面変化の両方が含まれます。 これらの場合、レーザー加熱は局所温度を上昇させながら、酸化、分解、またはその他の表面化学変化などの反応を可能または加速させます。

一般的な例は、一部の金属のアニーリングまたはカラーマーキングです。制御されたレーザー加熱により、材料を大幅に除去することなく、酸化物層の成長または表面状態の変化が発生します。 目に見える結果は、耐久性のある高コントラストのマークです。

このメカニズムは、単純な切断や彫刻を超えて正確な表面修正を達成する際のレーザーの多様性を浮き彫りにします。

2をクリックします。4光音響および光アブレーション効果

光音響および光アブレーション効果は、最も一般的にはピコ秒およびフェムト秒のパルス持続時間に関連しています。 このレジームでは、エネルギーは熱が拡散するよりも速く堆積するため、材料の除去は、多光子吸収、プラズマ形成、迅速なイオン化、局所的な放出などの高度に非平衡プロセスによって発生する可能性があります。

周囲の材料への熱拡散は非常に制限されているため、このレジームはしばしばコールドアブレーションと呼ばれます。 その結果、熱の影響を受けるゾーンがはるかに小さくなり、フィーチャーエッジがきれいになり、超高速レーザーはマイクロマシニングやその他の高精度アプリケーションに役立ちます。

このような超高速の低熱拡散相互作用は、従来の連続波または長パルスのCO2およびファイバーレーザーシステムには典型的ではありません。 それはピコ秒およびフェムト秒レーザーで最も効果的に達成されます。 レーザー出力モードが処理にどのように影響するかをよりよく理解するには、このガイドを参照してください CW、パルス、およびQCWレーザーをクリックします。

表1: 4つのレーザー相互作用メカニズムの比較。

詳細: Laser Material Interaction - an overview | ScienceDirect Topicsをクリックします。

3をクリックします。さまざまな材料がレーザーにどのように対応しますか?

すべての材料が同じようにレーザービームに反応するわけではありません。 切断、彫刻、マーキングなど、レーザー加工タスクの結果は、材料の種類、レーザー波長、および関係する相互作用メカニズムに大きく依存します。

3をクリックします。1一般的な材料がレーザー処理にどのように対応するか

木材、紙、皮革、および多くのアクリルベースの製品などの一部の材料は、赤外線を効率的に吸収するため、CO2レーザーによく反応します。 金属は通常、繊維またはその他の短波長の高吸収レーザー源を必要としますが、添加剤、顔料、フィラー、およびポリマータイプが結果に強く影響する可能性があるため、多くのプラスチックはケースバイケースの評価が必要です。

以下の表は、通常使用されるレーザーの種類、主要な物理的メカニズム、期待できる処理結果の種類など、一般的な材料がレーザー露光下でどのように動作するかを概説しています。

表2: さまざまな材料がさまざまなレーザーソースと相互作用メカニズムにどのように反応するか。

3をクリックします。2同じ材料が異なるレーザーの下で異なる反応を示すことができるのはなぜですか?

同じ材料は、その吸収挙動が波長、パルス持続時間、ビーム品質によって変化するため、異なるレーザーの下で異なる応答をすることができます。 フォーカスをクリックします。 その化学組成、添加剤、顔料、フィラー、および表面コーティングも、最終結果に強く影響する可能性があります。

材料が同じであっても、その吸収挙動は異なる波長で大きく変化する可能性があります。 言い換えれば、同じ材料は、あるタイプのレーザーエネルギーを別のタイプとは非常に異なって吸収する可能性があり、これは異なる処理効果をもたらす。

典型的な例はプラスチックである。 355 nmレーザーなどの短波长UVレーザーは、光化学効果を引き起こす可能性が高くなります。 UV光子は比較的高いエネルギーを運ぶため、分子結合を直接破壊し、目に見える熱の影響を少なくして、よりクリーンでより正確な材料修飾を可能にします。

対照的に、CO2レーザーなどの赤外線レーザー、またはファイバーレーザーなどの近赤外線レーザーは、光熱効果を生み出すことがよくあります。 材料がレーザーエネルギーを吸収した後、そのエネルギーは主に熱に変換され、溶融、気化、炭化、またはその他の熱駆動の変化を引き起こす可能性があります。

そのため、同じ材料が異なるレーザーの下で非常に異なる結果を示すことができます。 材料自体は変化しないかもしれませんが、レーザーエネルギーを吸収して応答する方法は変化します。 適切なレーザーソースと設定を選択することは、安定した予測可能な切断、彫刻、またはマーキングの結果を達成するために不可欠です。

4をクリックします。結論

レーザー加工は外部からは単純に見えるかもしれませんが、複雑なレーザーと材料の相互作用に依存します。 主な効果が光熱、光化学、熱化学、または超高速アブレーションであるかどうかにかかわらず、最終結果は常にレーザーパラメータと材料特性の組み合わせに依存します。

これらのメカニズムを理解することで、適切なレーザーソースを選択し、設定を最適化し、さまざまな素材でより優れた切断、彫刻、およびマーキングの結果を実現できます。