レーザ光と材料の関係

レーザ加工とは-レーザ加工とその原理

レーザ加工とはレーザ光を固体材料の表面に吸収されて始まるプロセスである。
ここではレーザ光を材料に照射した際に加工される条件を説明する。

一般的に固体材料に光を照射すると一部は反射し、一部は吸収される。
また材料によって一部が透過し(透過光)、材料表面の状態によって散乱する光(散乱光)が出てくる。(参照;図:レーザ光の現象)


レーザ光の現象

レーザ加工は、レーザ光を固体材料の表面に吸収されて始まるプロセスである。
そのため、レーザ光に対する固体材料の吸収率が高いほど、照射されたレーザ光の反射や
透過が低減し、加工への作用効率があがる。

固体材料の光の吸収特性は、材料固有のものである。(参照;図:材料の吸収特性)


レーザ vs 材料の吸収特性

レーザ加工では照射したレーザ光を効率的に利用するため、材料の吸収特性に応じたレーザ光(波長)を選択するのが一般的である。

しかし、材料に対する吸収率が高いレーザ光(波長)を選択するだけでは加工を行うことができない。
材料には、照射されたレーザ光に対する固有の加工閾値があり、安定したレーザ加工を行うには、この加工閾値を超えるレーザ光(パワー密度、ピークパワーなど)を照射する必要がある。

2つの例をみてみよう。

例1:
材料固有の加工閾値をレーザ光のパワー密度とスポット径で考えた場合、
出力一定においてはスポット径が大きくなるとパワー密度が下がり加工できなくなる。
そのため、大きな穴径や加工幅を加工する場合はレーザ発振器の出力をあげる必要がある。


出力一定のもとスポット径を変えた場合の加工可能領域

例2:
材料固有の加工閾値をレーザ光のピークパワーとパルス幅で考えた場合、
通常では透過してしまい加工が不可能な透明な材料(吸収率が極めて低い)でも、
パルス幅が十分に短い(例えばピコ秒、フェムト秒)レーザ発振器であれば、
通常の光の吸収特性とは異なる特殊な吸収が起こることで加工することが可能となる。


出力一定のもとパルス幅を変えた場合の加工可能領域

2つの例でみたように、レーザ加工を行うにはレーザ光が材料に吸収されることと、材料の加工閾値を超える条件で照射する必要がある。

照射するレーザ光の条件はレーザ発振器の仕様でほぼ決まるため、レーザ加工において材料特性に応じたレーザ発振器を選定することが重要である。

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