解读激光束的反射和吸收的原理
如果被加工表面反射过多的光能,则吸收的能量减少,工作效率降低,并且反射光可能对光学系统造成损害。因此激光束的反射和吸收与激光加工密切相关。
吸收和反射的值与以下关系相关:
反射率 =1- 吸收率(对于不透明材料)或
反射率 =1- 吸收率 - 透射率(对于透明材料)
光在介质中的传输
从空气到不透明的完美平坦干净金属表面的法线入射角的反射系数 R 可以使用以下公式计算:
R=[(1-n) 2 +k 2 ]/[(1+n) 2 +k 2 ]
不透明金属表面的吸收率A为:
A=1–R=4n/[(n+1) 2 +k 2 ]
其中n是材料的折射系数,k是材料的消光系数。这两个值都可以在手册中查找。我们在下表中列出了一些值。请记住,这些光学特性是辐射波长的函数,并随温度而变化。
接下来我们研究影响反射率和吸收率的因素。
波长:波长越短,光子的能量越高 。波长较短的光子比波长较长的光子更容易被材料吸收。因此,R 通常随着波长变短而减小,而当光子能量增加时吸收增加。
温度:随着温度升高,声子数量将会增加。电子更有可能与结构相互作用,而不是与入射光子相互作用。因此,随着温度的升高,反射率下降,吸收率增加。
入射角和偏振面:反射率随入射角和偏振面而变化。如果偏振面位于入射面,则该光线称为平行光线(“p”光线);如果偏振面垂直于入射面,则该射线称为“s”射线。“p”射线和“s”射线的完美平面的反射率系数为:
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是折射系数,k是材料消光系数。我们看到这里p射线和s射线的反射率是不同的,p射线比s射线更容易被材料吸收。
例:利用表中的数据,求出Nd:YAG激光束辐射在Al表面上的s射线和p射线反射和吸收,入射角为60度。
解:对于铝,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 射线吸收率 =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 射线吸收 =1-Rp=16.2%
例:利用表中的数据,求 Nd:YAG 激光束辐射在 Fe 表面上的 s 射线和 p 射线反射和吸收,入射角为 60 度。
解:对于铁,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 射线吸收率 =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 射线吸收 =1-Rp=63.44%
-
揭秘光学球心自准反射像法:如何精准定位透镜中心?
你是否好奇,那些精密的光学仪器是如何确保透镜的中心位置精准无误的?今天,就让我们一起看看一种技术——球心自准反射像法,它如何帮助我们精确地定位透镜的中心。
2024-05-20
-
什么是光学折射系统?光学折射系统原理分析
光学折射系统是一种利用透镜或反射镜的折射和反射原理来操纵光线的光学装置。这类系统通过改变光线的传播方向和聚焦特性,实现对光束的控制和成像。伽利略望远镜作为一种典型的光学折射系统,其结构由一个正透镜(物镜)和一个负透镜(目镜)组成,能够实现对远处物体的放大观察。
2024-05-17
-
什么是光学反射系统?反射系统的原理
反射系统,如其名所示,完全由反射元件构成,其中卡塞格林和格里高利镜像系统是最为经典的代表。
2024-05-17
-
电子自准直仪:现代精密测量不可或缺的工具
电子自准直仪的核心创新在于其目镜的电子化。传统的目镜被高分辨率的电子相机所取代,这些相机通常采用CCD或CMOS传感器,具有离散的像素阵列。这种转变不仅仅是技术上的升级,更是测量原理的革新。电子相机可以是二维框架类型,用于在两个方向上进行角度测量,也可以是一维线扫描传感器,专为单轴测量设计。
2024-05-16