激光内雕(新).doc

穿透的魅力激光内雕激光原理及应用课题探讨穿透的魅力激光内雕课题： 激 光 内 雕 班级：姓名： 摘要玻璃激光内雕技术的发展经历了传统的白色激光内雕和现代的着色激光内雕两个阶段。传统的白色激光内雕是通过在激光聚焦点的光强超过玻璃的损伤阈值而产生炸裂形成微裂纹，利用微裂纹对光的散射实现三维白色内雕。本文主要介绍了有关激光内雕的发展、原理、技术、激光谐振腔、激光内雕机、发展前景等方面。 关键词：激光内雕 激光内雕机 激光谐振腔 目录：1. 引言42. 激光内雕的发展43. 激光内雕的原理4 3.1激光内雕的基本思想4 3.2白色激光内雕的原理5 3.3激光单色着色机理6 3.4激光多色着色机理74. 激光内雕中特殊构型电光调Q Nd:YAG激光腔的研究85.水晶雕刻之魂激光内雕机9 5.1激光内雕机工作机理与技术9 5.2雕刻过程中出现的问题及解决方案106. 论激光内雕技术12 6.1激光内雕技术的可行性12 6.2激光内雕的发展展望127.参考文献131.引言 在水晶礼品的柜台前，经常看到一些内部雕刻有一些图案的玻璃、水晶工艺品，欣赏着这些璀璨夺目、晶莹别透的水晶制品，很多人纳闷，这些图案是怎么雕刻进去的呢? 其实，通常见到的工艺品大多不是真正的水晶，而是人造水晶。“激光”则是对人造水晶(也称“水晶玻璃”)进行“内雕”最有用的工具。那么接下来就给大家介绍一些有关激光内雕产品及技术，一起揭开这些水晶工艺品神秘的面纱2.激光内雕的发展 激光内雕指的是对水晶等玻璃制品表面及体内文字、图形、图像的雕刻。其制作的各类水晶玻璃工艺品具有晶莹剔透、冰清玉洁超凡脱俗的视觉形象，浸透出高贵典雅的艺术魅力。作为一代新型的工艺技术，其经历了如下发展阶段：第一阶段：内雕机是灯泵式白光机，内雕行业所谓的白光就是肉眼见不到的1 064 nm的红外光，这个波长的光能够用于内雕，但点子过于粗大使内雕的效果比较粗糙，因此图案的分辨率不高。第二阶段：后经研究发现，1 064 nm的倍频光532 nm在雕刻效果方而优于白光机，而且532 nm的绿光在可见光范围内易于调节，只是多一个倍频晶体而已。因此，在很短的时间内绿光机取代了白光机，进入了内雕加工工业。第三阶段：随着半导体激光器的发展和应用，灯泵机与半导体泵浦激光内雕机相比，半导体泵浦激光器的优势越来越明显，具体体现如下：(1)灯泵机耗材多，调节麻烦。 （2)灯泵机速度慢。普通的灯泵机能量低，频率只能达到200 Hz左右，理论最高速度12 000/min要达到较高频率，只能增加灯功率，但会导致散热不足。而半导体激光器的光光转换效率高，能量高，频率能够达到几千赫兹。现阶段：应用在激光内雕行业的半导体激光器主要分2类:电光调Q激光器和声光调Q激光器。a.电光调Q方式：由于脉宽窄，峰值功率高，每个脉冲都会达到水品的爆炸点，因此一般的玻璃(钢化玻璃除外)都能打进去，主要应用于水晶内雕行业。但在高频条件下电光调Q不够稳定，其频率一般不超过1 000 Hz。b.声光调Q方式：峰值功率不高，水晶有杂质部分就可能因为峰值功率达不到爆炸点而漏点，而且，就算对于纯度非常高的水晶，激光器的出光功率也不可能是百分之百稳定，必然有波动，功率较低的时候也可能打不出点，但却能在高频下稳定工作，通常3 000 Hz以上的内雕机都是用声光调Q激光器。3.激光内雕的原理3.1激光内雕的基本思想激光之所以能在透明物体内产生损伤点，主要是利用材料对高强度激光的非线性“异常吸收”现象。如图1所示，为石英玻璃的透过率T与波长为1.06um激光束强度的曲线图。 图1不同强度的激光束(波长为1.06um)通过石英玻璃时的透过率fhe transmission capability when the different intensity of the laser passing by the quartz glass 当波长1.06um激光束强度大于 (由石英玻璃性质决定)时，由于极强非线性效应内，能被石英玻璃“异常吸收”，造成多光子电离损伤并产生等离子体，从而使透明材料的体内形成损伤，从玻瑞外面看呈现一个“小白斑”。石英玻瑞内部的光束吸收可以由两种效应来解释：最小的显微效应使玻璃吸收光能后，导致局部熔触甚至破坏。这种效应除了主要取决于光束强度外，还取决于外来粒子的种类、大小和密度以及高质的石英玻璃.在高强度时，非线性系数占才有意义。这时正常的折射率n与光强的关系：，由于石英玻璃非线性系数的典型值，在强度大于时，该非线性效应会明显出现。当石英玻璃内部的激光束呈高斯分布时，上述非线性效应导致折射率在射束中心达到最大值，并向外衰减。这种径向阶梯折射率对激光束的作用如同透镜，即通过聚焦可提高光强度，这导致透镜效应进一步加大，又进一步引起更强的聚焦等，直至最终“电介质击穿”。基于上述有关激光内雕的原理，在长时间的加工生产中，衍生出了白色激光内雕、单色着色激光内雕、多色着色激光内雕等技术，具体原理如下所述：3.2 白色激光内雕的原理 传统的白色激光内雕的原理主要是利用纳秒脉冲激光器(通常是铭铝石榴石激光的基频，倍频或3倍频)，把激光聚焦在玻璃内部，通过扫描实现三维(3D)内雕。要实现激光雕刻，在玻璃中激光聚焦点的激光能量密度必须大于使玻璃破坏的临界值，称为损伤阈值。而激光在该处的能量密度与它在该点光斑的大小有关。对于同一束激光来说，光斑越小所产生的能量密度越大。通过聚焦，可以使激光的能量密度在到达要加工区之前低于玻璃的破坏阈值，而在希望加工的区域则超过这一临界值。脉冲激光的能量可以在瞬间使玻璃受热炸裂，从而产生微米至毫米数量级的微裂纹，由于微裂纹对光的散射而呈白色。通过己经设定好的计算机程序控制在玻璃内部雕刻出特定的形状，玻璃的其余部分则保持原样。 图2 目前市场上一些常见的白色激光内雕玻璃产品 Pictures of some white laser internal engraving products3.3激光单色着色内雕机理 白色的激光玻璃内雕饰品虽然有形却无其色。着色的玻璃内雕成为了市场发展的必然趋势。人们开发了采用脉冲宽度为纳秒至飞秒的激光着色内雕技术，由于聚焦激光的焦点附近具有超高的电场强度，即使材料在激光的波长处不存在本征吸收，也会因激光诱导的多光子吸收、多光子离子化等非线性反应，而实现空间高度选择性的微结构改性，并赋予材料独特的光功能。通过空间选择性色心控制，离子价态操控以及纳米粒子析出可以实现激光玻璃着色内雕。图3飞秒激光在金离子掺杂的玻璃内部诱导的蝴蝶和人脸图案的照片Femtosecond laser induced butterfly and face patterns in Auions doped glass3.4激光多色着色内雕的原理 在金离子掺杂的硅酸盐玻璃中，通过改变激光作用时间和激光功率可以控 制金纳米颗粒的尺寸分布，从而改变样品颜色及光学非线性。激光作用时间长，由于金的纳米表面等离子体共振产生的吸收峰位置红移，呈现出金纳米粒子的量子尺寸效应；随着激光输出功率的增大，吸收系数增大，表面等离子体共振产生的峰向短波方向移动，进而呈现出不同颜色。 目前这一技术已经实现了产业化，产生了一定的社会和市场效益，在国内外引起很大反响。现在的产品不但有新颖的彩色内雕玻璃(如下图，还有传统的白色内雕与最新的彩色结合的产品) 图4各种颜色的彩色内雕玻璃工艺品实物照片 Pictures of colored engraving products with different Color 图5白色与彩色相结合的激光内雕玻璃产品Laser internal engraving product with white and different colors4.激光内雕中特殊构型电光调Q Nd:YAG激光腔的研究 要实现激光内雕，激光束必须具有数个纳秒盘级窄脉宽、数十兆瓦高峰值功率，同时也要具有发散度恒定不变、大深径比的环状聚焦光束。因此，研究和设计了具有特殊构型谐振腔的电光调Q Nd:YAG激光器。 我们所提出的特殊构型调Q Nd:YAG激光腔如下图所示。研究目标是：获得尽可能窄的高能量巨脉冲光束；获得具有截面环状分布的光束。图6 具有特殊构型的电光调Q Nd:YAG激光谐振腔The resonance of the photoelectric Q-switched Nd:YAG laser with the specific 上图中：特殊构型腔的关键部件在于“特殊输出耦合器”，它置于两块平面全反射镜构成的激光谐振腔中，“特殊输出耦合器”结构如图6。中央带小通孔的玻璃片与激光腔轴成45度“放置于光路中，小孔中心通过激光腔轴。玻璃片朝激光介质的面镀1.06um的全反的膜层。沿轴放置的适当孔径的小孔，可使腔内微弱强度的光场穿过小孔，到达全反镜Mz，由镜Mz折回，再穿过小孔，接着是以小孔端口为起始位置，光子束渡越工作介质、电光Q开关、全反镜M，一周往返所形成的激光脉冲再传抽到小孔端口位置时，由于45度全反玻璃片的作用，把激光脉冲从旁侧引出腔外，而获得高功率密度的环状光束输出。 我们提出的特殊构型腔从原理上说，由于45度全反玻璃片的作用，不管调Q晶体的加电压和撤电压参量与光强度如何，光子在腔内(小孔端口到全反镜距离)往返一周必定逸出腔外，从而确保输出光脉冲的宽度为确切的理论值：。式中L为小孔端口到全反镜之间的距离。要实现这一目标，45度放置玻瑞片的小孔孔径是关键的参量。 如图7所示，给出了我们关于小孔孔径的尺寸与激光器输出光束特性关系的实验研究结果：小孔孔径尺寸选取范围是0.8-1.3mm，全反玻璃片的厚度是1mm。当小孔取得过大孔径尺寸时，就将形成腔内小孔孔径尺寸的光柱振荡，使得激光器在圈2的A, B两侧都输出环形光束，而具有通常调Q激光器输出的光脉冲宽度(约40-50ns)，光环粗大，在玻璃样品内打出的点也很粗大；当小孔取得过小时，将使得调腔变得十分困难。即使偶然调整好光子光腔而起振荡，输出的环形光束也会形成具有很多衍射环的结构，并在传输过程中迅速弥散，而不能形成良好的聚焦性。 图7各种玻璃片尺寸的输出光束形状the shape of the output beam when the dimension of the glass wafer is varied 在玻璃片上制作精确尺寸的45度通孔，并非易事。我们做了大量的努力尝试，在0.8一1.3mrn之间，做了许多实验研究，从而找到了一个较理想的尺寸参量。这里所说的较理想的含义是指:在所选定的小孔参量t下，图6的B侧方向将完全没有光能输出(即使用光敏感光板，也测不出光强)，环形光束只在A侧方向输出，环状光束的环带宽度约0. 5mm，内环尺寸与小孔尺寸一致，并且，具有相当好的空间传物特性。图6中B侧方向光场的消失和A侧方向强光束输出，证实了我们所提出的光子只能在特殊构型激光腔内腔内往返一周逸出腔外的假设。 根据以上各项原理：我们设计特殊构型腔电光调Q Nd:YAG激光器的性能：重复频率在1一100Hz；每束环形光脉冲的能量是0.23J)；光脉冲宽度是5一7ns； 光脉冲峰值功率约是；光脉冲强度是。抽出光束经过扩束装置和会聚装置后，在石英玻璃内部光脉冲强度是。如此小的光斑，如此大的光脉冲强度，从而获得了理想的激光内雕实际效果。5.水晶雕刻之魂激光内雕机5.1激光内雕机工作机理与技术 激光内雕机是一种集激光技术、机械设计技术、计算机技术、电子技术、三维控制技术、传动技术为一体的高科技设备。其系统组成框图如下： 图8系统组成框图目前常用有两种技术的激光内雕机： （1）采用半导体泵浦固体如Nd-YAG(Nd: YAG晶体称为掺钕钇铝石榴石，其综合性能优异的激光晶体.激光波长1 064 nm，广泛用于军事、工业和医疗等行业。的激光技术的内雕机； （2）另一种是灯泵浦.如用半导体激光二极管( LD)或二极管阵列泵浦的固体激光器是日前激光发展的主要方向之一，其泵浦效率高，具有较高雕刻速度，没有耗材，价格高。灯泵浦激光内雕机采用氛灯泵浦Nd-YAG产生激光，其雕刻速度较慢，有耗材，需要两到二个月更换一只氛灯，价格相对便宜。5.2雕刻过程中出现的问题及解决方案 雕刻实验中主要包括了球面体、矩形体和圆柱体形状的图形。在雕刻中出现的问题及其解决方案如下： （1）打裂水晶块的现象 主要原因:打标电流过大，生成点云的密度过大或两个平行而的而积过大且间距过 小，打标点过于集中。 解决方案：减小雕刻电流，电流范围17. 419. 3 A;在点云形成时增大点间距，如由0. 2 mm增大到0. 3 mm，可明显减少打裂水晶块的现象出现；增大有效矢量步长值。 （2）雕刻后图形侧而不够清晰 主要原因：激光在水晶块内烧蚀的斑痕在三维上不是点，而在XY平而上是点，在YZ，XZ平面上是很小的线段。所以图形侧而的清晰度稍差。 （3）雕刻后的图形的右侧比同平而的图形偏高，如图9。图9 平面右侧偏高 主要原因:Z轴的移动与激光在XY平而扫描雕刻不同步，或振镜扫描器的反射镜超出平而扫描范围。 解决方案:须对整机运动控制部分和位置进行调整。 （4）雕刻后图案的侧而出现一条密度不均的细线，如图10。 图10 平面密度不均的细线 主要原因：Z轴的移动与激光在XY平而扫描雕刻不同步。 解决方案：增大形成点云时的层间距可得到改善，须对整机运动控制部分和位置进行调整。 （5）雕刻前图形是正的，雕出后图形是反的。 主要原因：XY轴方向设置不正确。 解决方案：在雕刻软件的“校正设置”中选择“用户自定义坐标系方式”选择合适的坐标系。 （6）编辑时球体图形出现缺失现象。主要原因：DXF格式只支持64K个而，有些图形的而数超过64K个而，在导出时会被计算机自动忽略。解决方案：在3D MAX的修改器中进行优化，减少面数。 （7）雕刻出的图形出现部分缺失现象。 主要原因：水晶块表而有污垢，手印等阻挡了激光。6. 论激光内雕技术6.1激光内雕技术的可行性 在激光内雕中，光束必须进行有效的聚焦才能提高功率密度，因此，光束的聚焦性能极大地影响其应用潜力。由于基模高斯光束能量占有整个光束能量的绝大部分，所以，我们主要考虑基模高斯光束的聚焦性能。根据高斯光束的变换性能，可得： 式中：是入射高斯光束的束腰半径;y是出射光束的束腰半径:f是透镜的焦距;是入射光束的波长;L是工作距离(会聚点到最后一个镜面的距离)。在激光内雕中有： 可以看出，当工作距离L越大、透镜焦距f越小、入射光束的束腰半径叭越大时，则聚焦所得的光斑直径越小。同时，为避免激光对非焦点处石英玻璃的破坏，可以先对激光进行扩束，增大入射光束的束腰半径。这样聚焦点的光斑更小，聚焦点的功率密度更大，从而使焦点处的材料很容易受到破坏，达到激光内雕的目的。6.2激光内雕的发展展望 从20世纪60年代第1台激光器诞生至今已逾40多年，激光器已经得到越来越广泛的应用，同时更多的应用领域也对激光器的发展提出了更高的要求。 基于多光子吸收的玻璃激光内雕技术在技术上实现了彩色加工，下一步将会是它的市场化和规模化，在白色激光内雕的发展之后，有理由相信着色以及彩色激光内雕在未来的工艺品市场一定会掀起波澜。彩色内雕玻璃的发展主要集中在2个方面： （1）对颜色的控制。目前己实现了红、黄、紫、蓝、灰等单色内雕，每一种色彩深浅 ，都可随意调整。另外在开展红黄蓝三基色协调研究，使激光内雕图案从单一色彩变为真正意义上的全彩。 （2）其次，还要开发新的材料来进一步降低生产的成本此外，