金属レーザー吸収の科学：エネルギー伝達を高める方法

金属吸収レーザーのメカニズム

物質表面での光の反射、吸収、透過は、基本的に光波の電磁場と物質中の荷電粒子との相互作用の結果である。金属は自由電子の密度が高く、光波の電磁場によって強制的に振動させられ、二次的な電磁波（副波）を発生させる。

これらのサブ波の干渉、およびサブ波と入射波の干渉により、強い反射波と比較的弱い透過波が生じ、これらは金属表面の薄い層で吸収される。そのため、金属表面はレーザーに対して高い反射率を持つことが多い。特に低周波の赤外光は光子エネルギーが低く、主に金属中の自由電子に影響を与え、強く反射する。

光子エネルギーの大きい高周波の可視光や紫外線の場合、金属中の結合電子に影響を与えることができる。結合電子の作用は、金属の反射率を下げ、透過率を上げ、金属によるレーザーの吸収を高める。

自由電子の密度が高いため、透過波は金属の非常に薄い表面層内で吸収される。波長0.25μmの紫外光から波長10.6μmの赤外光までの測定によると、様々な金属における光の透過深度はわずか0.01～0.1μmである。

上で説明したように、浸透深度は線吸収係数の逆数に等しいので、光波に対する金属の線吸収係数は10⁵~10⁶ cm^-1.

レーザーを吸収した後、材料は荷電粒子の共鳴と粒子間の衝突を励起することによって、光エネルギーを熱エネルギーに変換する。このプロセス全体は非常に短時間で完了する。金属の全体的なエネルギー緩和時間は、通常10^-13s.一般的な レーザー加工吸収されたレーザーは瞬時に熱エネルギーに変換されると考えられている。

その瞬間、熱は材料のレーザー照射領域に閉じ込められる。その後の熱伝導により、高温部分から低温部分へと熱が移動する。

レーザーの金属吸収に影響する要因

について レーザーの吸収 金属によるレーザー光は、レーザー波長、材料特性、温度、表面状態、偏光特性などの一連の要因に関係している。

(1) レーザー波長の影響

一般的に、レーザーの波長が長いほど反射率は高く、吸収率は低くなる。

図1-2に室温における一般的な金属の反射率Rと波長の関係を示します。赤外領域では、吸収比Aは(ρ/λ)にほぼ比例する。^1/2ここで、ρは材料の抵抗率、λは波長である。波長が長くなると、吸収率Aは減少し、反射率Rは増加する。

20℃におけるレーザー波長の違いによる各種金属の吸収率Aを表1-1に示す。

表1-1からわかるように、室温において、波長10.6μmの赤外レーザーの金属表面における吸収率は可視光（表中のレーザー波長は500nmと700nm）よりもほぼ一桁小さく、波長1.06μmのYAG赤外レーザーの吸収率はCO₂ レーザーを使用する。

表1-1：20℃におけるレーザー波長の違いによる各種金属の吸収率

(2) 素材特性の影響

図1-2に示すように、可視光線領域とその隣接領域において、 異種金属 は反射率に複雑な変化を示す。しかし、λ>2μmの赤外領域では、金属の反射率の順序は次のとおりである：銀＞銅＞アルミニウム＞ニッケル＞炭素鋼であり、導電性の良い材料ほど赤外線に対する反射率が高いことを示している。

この法則は、これらの金属がレーザーを吸収するメカニズムによって説明することができる。この赤外線バンドでは、光子のエネルギーは低く、金属中の自由電子としか結合できない。金属の抵抗率が低いほど、自由電子の密度は高くなる。自由電子が強制的に振動することで、より強い反射波が発生し、反射率が高くなります。

計算の結果、吸収率と金属抵抗率の間には次のようなおおよその関係があることがわかった：

式の中で：
Aはレーザーに対する金属の吸収率を表す；
ρは測定時の金属材料の抵抗率（Ω・cm）；
λはレーザーの波長（cm）。

この関係は、さまざまな研磨金属表面の試験によって確認されている。

(3) 温度の影響

金属の抵抗率は温度の上昇とともに増加する：

方程式の中で：
ρ₂₀ は20℃における金属材料の抵抗率（Ω・cm）である；
γは抵抗の温度係数（℃-1）；
Tは温度（℃）。

式(1-14)を式(1-13)に代入することにより、異なる温度における吸収比を計算することができる：

式(1-15)からわかるように、吸収率は温度の上昇とともに増加する。この関係は固体金属だけでなく、液体金属にも有効である。

表1-2に各種金属の20℃における抵抗率p20と抵抗温度係数γを示します。図1-3は、波長10.6μmの赤外レーザーに対する数種類の金属の吸収率の温度による変化を、式(1-15)に従って計算したものです。

低炭素鋼の抵抗温度係数はアルミニウムや銅と比較して大きな違いはないが、20℃における抵抗率がはるかに大きく、吸収率の絶対値が大きいだけでなく、温度とともに速く増加することが注目される。しかし、全体的には、ほとんどの固体 金属材料 は、波長10.6μmのレーザーに対する吸収率が低く、11%を超えるものはない。

表1-2：抵抗率 ρ₂₀ 20℃における各種金属の抵抗温度係数γ。

(4) 路面コンディションの影響

金属表面の粗さ、酸化膜の状態、特殊な表面コーティングの有無は、赤外レーザーの吸収率に大きく影響する。

表1-1の吸収比は、真空中の平滑な金属表面を用いて測定されたものである。しかし、実際にレーザー加熱された金属表面は、酸化や汚染により、赤外レーザーの吸収比は表の値よりもはるかに大きくなる。可視光の吸収率に対する表面状態の影響は比較的小さい。

表1-3は、アルミニウムおよびその合金の表面状態が CO₂ レーザー

表1-3: アルミニウムとその合金の表面状態が CO₂ レーザー^[6](%).

金属上に形成された酸化膜 高温材料 は吸収率を著しく増加させる。図1-4は波長10.6μmの赤外レーザーを空気中で1分間酸化した304ステンレス鋼表面の吸収率と酸化温度との関係を、図1-5はモリブデン表面の吸収率と同じレーザーの酸化温度および時間との関係を示す。

酸化膜の厚さは酸化温度と時間の関数であるため、レーザーの吸収比も酸化温度と時間の影響を受ける。波長10.6μmのCO₂ レーザーは、抵抗率の上昇と表面の高温酸化という2つの要因により、温度とともに著しく増加する。

リン酸塩、ジルコニア、酸化チタン、シリカ、カーボンブラック、グラファイトなどは、 CO₂ レーザーを使用している。これらの物質を主成分とする表面コーティングは、赤外線レーザーに対する金属の吸収率を著しく増加させることができ、これはレーザー表面熱処理中に講じなければならない重要な対策となっている。

しかし レーザー溶接リン、酸素、炭素の増加は非常に有害である。これらの物質が、塑性と靭性を低下させるのである。 溶接継ぎ目その使用は慎重に検討されるべきである。

(5) 偏光の影響

入射レーザーが材料表面に垂直でない場合、反射率と吸収率は入射レーザーの偏光状態に関係する。この問題については1.1.1節で述べた。