解讀激光束的反射和吸收的原理

    如果被加工表面反射過多的光能，則吸收的能量減少，工作效率降低，并且反射光可能對光學系統(tǒng)造成損害。因此激光束的反射和吸收與激光加工密切相關(guān)。

    吸收和反射的值與以下關(guān)系相關(guān)：

    反射率 =1- 吸收率（對于不透明材料）或

    反射率 =1- 吸收率 - 透射率（對于透明材料）

    光在介質(zhì)中的傳輸

    從空氣到不透明的完美平坦干凈金屬表面的法線入射角的反射系數(shù) R 可以使用以下公式計算：

    R=[(1-n) 2 +k 2 ]/[(1+n) 2 +k 2 ]

    不透明金屬表面的吸收率A為：

    A=1–R=4n/[(n+1) 2 +k 2 ]

    其中n是材料的折射系數(shù)，k是材料的消光系數(shù)。這兩個值都可以在手冊中查找。我們在下表中列出了一些值。請記住，這些光學特性是輻射波長的函數(shù)，并隨溫度而變化。

    接下來我們研究影響反射率和吸收率的因素。

    波長：波長越短，光子的能量越高 。波長較短的光子比波長較長的光子更容易被材料吸收。因此，R 通常隨著波長變短而減小，而當光子能量增加時吸收增加。

    溫度：隨著溫度升高，聲子數(shù)量將會增加。電子更有可能與結(jié)構(gòu)相互作用，而不是與入射光子相互作用。因此，隨著溫度的升高，反射率下降，吸收率增加。

    入射角和偏振面：反射率隨入射角和偏振面而變化。如果偏振面位于入射面，則該光線稱為平行光線（“p”光線）；如果偏振面垂直于入射面，則該射線稱為“s”射線。“p”射線和“s”射線的完美平面的反射率系數(shù)為：

    R p =[(n-1/cos f ) 2 +k 2 ]/[(n+1/cos f ) 2 +k 2 ]

    R s =[(n-cos f ) 2 +k 2 ]/[(n+cos f ) 2 +k 2 ]

    其中f是入射角，n是折射系數(shù)，k是材料消光系數(shù)。我們看到這里p射線和s射線的反射率是不同的，p射線比s射線更容易被材料吸收。

    例：利用表中的數(shù)據(jù)，求出Nd:YAG激光束輻射在Al表面上的s射線和p射線反射和吸收，入射角為60度。

    解：對于鋁，k=8.5，n=1.75，

    R s =[(n-cos f ) 2 +k 2 ]/[(n+cos f ) 2 +k 2 ]=[(1.75-cos60)^2+8.5^2]/[(1.75+cos60)^2+8.5^2]=73.8125/77.3125=0.955=95.5%

    s 射線吸收率 =1-Rs=4.5%

    R p =[(n-1/cos f ) 2 +k 2 ]/[(n+1/cos f ) 2 +k 2 ]=[(1.75-1/cos60)^2+8.5^2]/[(1.75+1/cos60)^2+8.5^2]=72.3125/86.3125=83.8%

    p 射線吸收 =1-Rp=16.2%

    例：利用表中的數(shù)據(jù)，求 Nd:YAG 激光束輻射在 Fe 表面上的 s 射線和 p 射線反射和吸收，入射角為 60 度。

    解：對于鐵，k=4.44，n=3.81，

    R s =[(n-cos f ) 2 +k 2 ]/[(n+cos f ) 2 +k 2 ]=[(4.44-cos60)^2+3.81^2]/[(4.44+cos60)^2+3.81^2]=77.18%

    s 射線吸收率 =1-Rs=22.82%

    R p =[(n-1/cos f ) 2 +k 2 ]/[(n+1/cos f ) 2 +k 2 ]=[(4.44-1/cos60)^2+3.81^2]/[(4.44+1/cos60)^2+3.81^2]=36.56%

    p 射線吸收 =1-Rp=63.44%