專利名稱：透明物體內(nèi)部著色和立體彩色圖案的形成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于利用超短脈沖激光進行透明物體內(nèi)部著色并形成彩色立體圖案的方法。
玻璃工藝品因其晶瑩剔透，給人帶來感觀上的美感，深受人們的喜愛。一般玻璃工藝品是通過表面加工如噴砂，化學(xué)蝕刻等加工成各種立體形狀。在先技術(shù)中，陳亭等發(fā)明人提供一種利用脈沖寬度為納秒級的釔鋁石榴石(YAG)激光器(中國專利ZL97234928．6)，將激光束與玻璃相互作用所引起的破壞(breakdown)，導(dǎo)致的炸裂點排成立體圖形。一般炸裂點為幾十個微米至幾千個微米的微裂紋。由于炸裂點對可見光的漫散而呈白色。但并不能形成有著色的立體圖案。如果能將著色的或者彩色的立體圖案雕刻到玻璃內(nèi)部，則可使玻璃內(nèi)雕刻工藝品更加光彩奪目，價值倍增。
本發(fā)明的目的是克服在先技術(shù)的不足，提供一種方法，能夠在透明物體內(nèi)部進行著色和形成彩色的立體圖案，使其透明物體被內(nèi)雕成光彩奪目的工藝品。
本發(fā)明的方法是采用超短脈沖激光束聚焦于透明物體內(nèi)部形成彩色立體圖案。具體的做法是(1)選用脈沖寬度小于10ps(皮秒)的超短脈沖激光束；(2)選用的透明物體是多光子吸收在可見光區(qū)域內(nèi)的光學(xué)玻璃，或者是摻雜有三價稀土離子的透明介質(zhì)；(3)控制發(fā)射激光束的能量，使激光束在透明物體內(nèi)部聚焦的能量密度大于透明物體的多光子反應(yīng)閾值，但小于透明物體的破壞閾值；(4)將上述超短脈沖激光束聚焦于上述的透明物體內(nèi)部進行著色，如圖1所示?；蛘哂糜嬎銠C控制超短脈沖激光束在透明物體內(nèi)部的焦點軌跡，將立體圖案寫入透明物體內(nèi)部構(gòu)成彩色的立體圖案。
上述具體做法的第一點，選用脈沖寬度小于10ps的超短脈沖激光束的原因是，當(dāng)激光束的脈沖寬度小于10ps(10皮秒，即10×10-12=10-11秒)時，將激光經(jīng)光學(xué)透鏡聚焦后照射到透明物體、特別是摻雜了一些特種成分的透明物體，透明物體中激光聚焦的焦點附近因超短脈沖激光與透明物體的特殊的多光子反應(yīng)才能夠產(chǎn)生與在先技術(shù)中用納秒激光明顯不同的著色效應(yīng)，而當(dāng)脈沖寬度長于10ps的激光作用于透明物體內(nèi)部時，直到透明物體產(chǎn)生由激光致破壞所引起的微裂紋也觀測不到任何著色效應(yīng)。
上述具體做法的第三點是因為，只有而當(dāng)脈沖寬度小于10ps并且激光束聚焦能量密度Fm大于相應(yīng)的多光子反應(yīng)閾值Rp、但低于透明物體的破壞閾值Dp時，透明物體中激光聚焦點附近才可產(chǎn)生由色心形成或離子價態(tài)變化等引起的無破壞性著色(如圖1所示)。對于不同的透明物體化學(xué)組成體系，上述多光子反應(yīng)閾值是不同的。由于這種著色微點的形成具有空間選擇性，所以可將著色的立體圖形寫入透明物體中。此外，通過調(diào)節(jié)透明物體的組成和摻雜物，形成的立體圖形可以是在室溫下永久不變的或半永久性的(一定時日后將完全消失)。在飛秒(fs，即10-15秒)激光照射引起的變色是永久性的情況下，通過計算機控制的三維平臺移動透明物體樣品，即移動透明物體中飛秒激光聚焦相對位置并控制快門，可將一個立體圖象著成三維立體彩色圖形永久性地雕入透明物體中。在飛秒激光引起的著色是半永久性的情況下，剛雕入時三維立體圖形清晰可辨，但隨著時間的推移，立體圖形會慢慢衰減，經(jīng)一定時日后，將不再能辨認，即可寫入具有神秘色彩的變幻圖案。
上述具體做法第二點，也就是適用于本發(fā)明的透明物體除某些形成的多光子吸收不在可見光區(qū)域內(nèi)(如石英玻璃)的以外，一般光學(xué)透明物體都能形成在可見光范圍具有多光子吸收的缺陷結(jié)構(gòu)而著色。摻雜某些特種稀土離子如Sm3+、Eu3+等，3價的離子一般在可見光區(qū)域只有比較窄的由稀土離子f-f躍遷產(chǎn)生的吸收，透明物體一般呈無色透明狀態(tài)。但當(dāng)短于10ps激光脈沖聚焦照射后，焦點附近稀土離子產(chǎn)生還原而成為Sm2+、Eu2+等，它們在可見光的短波長范圍都有很強的f-d躍遷所產(chǎn)生的吸收而使透明物體呈橙色及黃色。因此為增強色彩，使用的透明物體需進行適當(dāng)?shù)膿诫s。
此外，通過對透明物體中摻雜的組成及激光強度加以調(diào)整，根據(jù)不同的反應(yīng)閾值，可將一個立體的多色圖案寫入透明物體中。
本發(fā)明的優(yōu)點在于本發(fā)明方法與在先技術(shù)利用納秒(10-9秒)級脈沖寬度YAG激光導(dǎo)致透明物體聚焦點炸裂(破壞)而形成無色立體圖案的方法有三點本質(zhì)上的不同一是本發(fā)明用小于10ps脈沖激光束導(dǎo)致的立體圖案的形成機制不同。本發(fā)明中超短脈沖激光束聚焦在透明物體內(nèi)部的焦點是著色點，而在先技術(shù)中激光束聚焦于透明物體內(nèi)部的焦點是炸裂點；二是本發(fā)明可以根據(jù)設(shè)定要求制作不同色彩的立體圖案；三是本發(fā)明制作的彩色立體圖案可以是變幻的。超短脈沖的激光束可以為高重復(fù)頻率的或低重復(fù)頻率的激光束。但無論哪種都要求脈沖寬度小于10皮秒。根據(jù)需要，激光的強度可采用簡單的辦法經(jīng)過濾光片進行調(diào)整。激光的脈沖寬度也可通過棱鏡對進行調(diào)節(jié)，然后通過透鏡將激光束聚焦后照射到透明物體內(nèi)部。透明物體內(nèi)部的聚焦點移動通過計算機控制放置透明物體樣品的三維平臺進行調(diào)節(jié)，再通過連動快門裝置將一個具有著色的立體圖案顯示于透明物體中?？傊?，本發(fā)明的方法不比在先技術(shù)中所描述的方法復(fù)雜。然而所獲得的圖案是彩色的，雕入透明物體內(nèi)部的可以是神秘色彩的變幻圖案，或是永久具有艷麗色彩的圖案。
本發(fā)明也包括通過寫入2層以上的平面的著色的圖案，使圖案具有立體感。
本發(fā)明由于采用了小于10ps的激光束及選擇適當(dāng)?shù)耐该魑矬w組成，著色的點可細密至幾百個納米(nm，即10-9米)，這是在先技術(shù)中炸裂點成像所不能達到的；而且構(gòu)成的圖案具有各種可選擇的顏色，因此具有更高層次的美感。


圖1為本發(fā)明方法將超短脈沖激光束聚焦于透明物體中的示意圖。
圖2為實施例1脈沖寬度為50fs激光束對透明物體掃描前后的吸收光譜圖。
圖3為實施例2脈沖寬度為500fs激光束對透明物體掃描前后的吸收光譜圖。
圖4為實施例3脈沖寬度為100fs激光束對透明物體掃描前后的吸收光譜圖。
圖5為實施例4脈沖寬度為50fs激光束對透明物體掃描前后的吸收光譜圖。
實施例1如上述具體做法，選用脈沖寬度為150fs(1．5×10-13秒)的飛秒激光束，它的波長為800nm，脈沖頻率為1kHz，平均功率為20mW，用5倍的透鏡聚焦到透明物體為含有0．05Sm2O3·10Na2O·5Al2O3·85B2O3(mol％)的摻Sm3+的硼酸鹽玻璃中，激光聚焦掃描前后的吸收光譜如圖2所示。圖2中a曲線是照射前的吸收光譜線，b線是激光照射后的吸收光譜線。由于聚焦處Sm3+的還原而形成Sm2+所產(chǎn)生的吸收，聚焦點附近玻璃呈橙紅色。通過計算機控制置放玻璃的三維平臺，使聚焦于玻璃內(nèi)部的焦點按其計算機控制的軌跡移動，則最終將一個橙紅色的三維立體圖形寫入到玻璃中。著色在室溫下一直保持穩(wěn)定。
實施例2如上述具體做法，選用脈沖寬度為500fs(5×10-13秒)的飛秒激光束，它的波長為400nm，脈沖頻率為200kHz，平均功率為600mW，用焦距f=100mm的透鏡聚焦到透明物體為含有0．1SmF3·50ZrF4·20BaF2·3．9LaF3·3AlF3·20NaF(mol％)的摻Sm3+的氟化鋯系玻璃中，選用的激光束對透明物體掃描前后的吸收光譜如圖3所示。圖中a線為照射前的，b線為照射后的。圖中的時間為激光束照射后經(jīng)過的時間。玻璃內(nèi)部激光聚焦處呈黃色。通過計算機控制焦點在玻璃內(nèi)部移動軌跡，即可制得黃色立體圖案。在室溫下著色剛開始有些衰減而后保持穩(wěn)定。
實施例3如上述具體做法，選用脈沖寬度為100fs(1×10-13秒)的飛秒激光束，它的波長為1．55nm，脈沖頻率為10Hz，平均功率為10mW，用10倍的透鏡聚焦到透明物體為摻CdS和CdSe的濾光玻璃片內(nèi)部，激光掃描前后的吸收光譜如圖4所示。圖中a線為激光束照射前，b線為激光束照射后，圖中時間為激光照射后經(jīng)過的時間。濾光玻璃片內(nèi)部激光聚焦處呈灰黑色。因此，可制得灰黑色立體圖案。在室溫下著色剛開始有些衰減而后保持穩(wěn)定。
實施例4如上述具體做法，選用脈沖寬度為50fs(5×10-14秒)的飛秒激光束，它的波長為800nm，脈沖頻率為200kHz，平均功率為200mW，用焦距f=200mm的透鏡聚焦到透明物體為含有3PrF3·50ZrF4·20BaF2·1LaF3·3AlF3·20NaF(mol％)的摻pr3+的氟化鋯系的玻璃中，激光束對玻璃掃描前后的吸收光譜如圖5所示。圖中的時間數(shù)為激光束照射后經(jīng)過的時間。激光聚焦處呈橙色。利用實施例1類似的方法可制得橙色立體圖案。在室溫下著色圖案逐漸褪色，1個月后完全消失，使立體圖案具有神秘色彩。
權(quán)利要求
1．一種透明物體內(nèi)部著色和立體彩色圖案的形成方法，是采用超短脈沖激光束聚焦于透明物體內(nèi)部構(gòu)成立體圖案，其特征在于具體做法是(1)選用脈沖寬度小于10ps的超短脈沖激光束；(2)選用的透明物體是色心吸收在可見光區(qū)域內(nèi)的光學(xué)玻璃，或者是摻雜有三價稀土離子的透明介質(zhì)；(3)控制發(fā)射激光束的能量，使激光束在透明物體內(nèi)部聚焦的能量密度大于透明物體的多光子反應(yīng)閾值，小于透明物體的破壞閾值；(4)將上述超短脈沖激光束聚焦于上述的透明物體內(nèi)部進行著色，或者用計算機控制超短脈沖激光束在透明物體內(nèi)部的焦點軌跡，將立體圖案寫入透明物體內(nèi)部，構(gòu)成彩色的立體圖案。
全文摘要
一種透明物體內(nèi)部著色和立體彩色圖案的形成方法,選用脈沖寬度小于10ps的超短脈沖激光束聚集于色心吸收在可見光區(qū)域內(nèi)的光學(xué)玻璃,或者是摻雜有三價稀土離子的透明介質(zhì)內(nèi)部進行著色和構(gòu)成彩色立體圖案。控制發(fā)射激光束的能量密度大于透明物體的多光子反應(yīng)閾值,小于透明物體的破壞閾值。使其激光束在透明物體內(nèi)部的焦點是著色點而不是在先技術(shù)中所描述的炸裂點。所以用本發(fā)明的方法在透明物體內(nèi)部雕刻成的是彩色的立體圖案。
文檔編號B44F1/08GK1293117SQ0012761
公開日2001年5月2日 申請日期2000年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2000年11月30日
發(fā)明者邱建榮 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所