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%