專利名稱：一種利用激光在透明材料內(nèi)進(jìn)行隱形內(nèi)雕的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于激光內(nèi)雕技術(shù)，特別涉及一種利用激光在透明材料內(nèi)進(jìn)行隱形內(nèi)雕的方法。
背景技術(shù)：
激光內(nèi)雕技術(shù)是目前國(guó)際上最先進(jìn)、最流行的用于透明材料(如水晶、玻璃、亞克力等)內(nèi)雕刻加工的方法。它是將脈沖強(qiáng)激光在透明材料內(nèi)部聚焦，使激光聚焦點(diǎn)的能量密度大于材料破壞的臨界值，從而產(chǎn)生微米量級(jí)大小的汽化爆裂點(diǎn)。由于爆裂點(diǎn)對(duì)光的散射、反射等作用而呈現(xiàn)出白色。通過計(jì)算機(jī)控制激光在玻璃體內(nèi)產(chǎn)生爆裂點(diǎn)的空間位置，構(gòu)成絢麗多姿的圖像。目前傳統(tǒng)內(nèi)雕的原理主要是選取納秒脈沖激光器(如釔鋁石榴石的基頻，倍頻或者三倍頻激光)，通過控制激光聚焦光斑的能量，使光斑處的能量密度大于使玻璃破壞的臨界值，稱為損傷閾值。當(dāng)光斑處透明材料受到高于損傷閾值的脈沖激光能量作用后瞬間爆裂。由于激光光斑大小屬于微米量級(jí)，同時(shí)一個(gè)激光脈沖的作用時(shí)間為納秒級(jí)，所以只有所需要加工的位置才能產(chǎn)生爆裂點(diǎn)，透明材料其余部分則保持原樣。所產(chǎn)生的爆裂點(diǎn)為破壞性的裂痕，對(duì)光產(chǎn)生散射、反射、吸收等作用使爆裂點(diǎn)呈現(xiàn)出白色。而原材料為透明材料，通過顏色反差就能顯現(xiàn)出圖案效果。配備掃描控制系統(tǒng)就能制備出不同的內(nèi)雕圖案。激光內(nèi)雕的過程類似于文件打印或者信息記錄的過程。目前的打印信息記錄技術(shù)除了普通傳統(tǒng)的打印信息記錄技術(shù)之外出現(xiàn)了隱形打印記錄技術(shù)。如利用各種隱形墨水或者顯影技術(shù)實(shí)現(xiàn)隱形記錄的效果。類比于打印或者信息記錄的方式，激光內(nèi)雕除了傳統(tǒng)的目前能見到的內(nèi)雕效果之外也能制備類似的隱形內(nèi)雕技術(shù)。目前的內(nèi)雕不能實(shí)現(xiàn)隱形內(nèi)雕的效果。本發(fā)明目的為在透明材料(主要為玻璃和水晶材料)內(nèi)實(shí)現(xiàn)隱形激光內(nèi)雕，只有在一定的反射角度觀測(cè)時(shí)才能看到材料的內(nèi)雕圖案，實(shí)現(xiàn)一種顯影的效果。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于利用激光在透明材料(主要為玻璃或水晶材料)內(nèi)實(shí)現(xiàn)隱形內(nèi)雕。傳統(tǒng)的激光內(nèi)雕技術(shù)由于產(chǎn)生宏觀的爆裂點(diǎn)，不能實(shí)現(xiàn)隱形的效果。本發(fā)明所述方法選取脈沖激光通過控制脈沖能量使透明材料折射率等微觀性能發(fā)生轉(zhuǎn)變但不產(chǎn)生宏觀的爆裂點(diǎn)。由于沒有形成傳統(tǒng)內(nèi)雕工藝中的爆裂點(diǎn)，所以雕刻的位置看不到傳統(tǒng)雕刻中的白色。當(dāng)利用激光在玻璃和水晶材料中內(nèi)雕掃描形成所需圖案后。在垂直于材料的方向或者小于約三十度反射角的方向觀看材料內(nèi)部時(shí)看不到材料里面內(nèi)雕的圖案，當(dāng)在大約四十五度反射角的方向觀看材料內(nèi)部時(shí)能清晰看到材料里面的內(nèi)雕圖案(如附I)。本發(fā)明首先通過控制參數(shù)獲得所需的內(nèi)雕圖案，由于沒有像傳統(tǒng)內(nèi)雕那樣因?yàn)楹暧^微區(qū)域的爆裂而產(chǎn)生白色的點(diǎn)，所以內(nèi)雕完后從材料正面觀測(cè)不到內(nèi)雕的圖案，但在一定的反射角度上觀測(cè)時(shí)因?yàn)榇蜻^點(diǎn)的區(qū)域同沒打過點(diǎn)的區(qū)域?qū)獾恼凵渎实牟煌瑥亩@現(xiàn)出內(nèi)雕于材料的圖案。通過這一過程實(shí)現(xiàn)激光隱形內(nèi)雕的顯影效果。
本發(fā)明目的通過如下措施來達(dá)到的，其具體工藝流程為(I)選取需要制備圖案的圖片文件，利用點(diǎn)云生成軟件把圖片文件轉(zhuǎn)變成點(diǎn)云文件；(2)選取透明的內(nèi)雕材料，如水晶、普通玻璃、超白玻璃、K9玻璃，首先用洗滌液清洗掉材料表面，然后用無水乙醇進(jìn)一步清洗材料表面，確保材料表面無雜物、灰塵等覆蓋在材料表面。(3)打開掃描控制軟件，導(dǎo)入步驟(I)中生成的點(diǎn)云文件，通過控制激光器的參數(shù)，如功率、頻率、脈寬、聚焦光斑，使激光光斑作用在透明材料上的能量低于材料的損傷閾值使材料折射率發(fā)生轉(zhuǎn)變，這種是只在微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生轉(zhuǎn)變但不發(fā)生宏觀的爆裂。不同透明材料的損傷閾值不太相同，玻璃類材料的損傷閾值約為5-30J/cm2。通過控制激光參數(shù)使激光作用在材料內(nèi)部的能量約為損傷閾值能量的85%，運(yùn)行掃描控制系統(tǒng)，利用激光把所需圖案雕刻到透明材料的內(nèi)部。選取不同的角度觀察所制備的隱形內(nèi)雕圖案，當(dāng)只有在一定的反射角度才能觀察到透明材料中內(nèi)雕的圖案時(shí)就實(shí)現(xiàn)了激光在透明材料內(nèi)的隱形內(nèi)雕效果。所述的內(nèi)雕材料可以是水晶或玻璃，玻璃如普通玻璃、超白玻璃、K9玻璃。所述的激光器為半導(dǎo)體532nm的脈沖激光。也可以是355nm的脈沖激光。激光光斑作用在透明材料上的能量?jī)?yōu)選為損傷閾值的80-90%。所述的圖案可以是各種可見的圖像，如人物照片、風(fēng)景畫面、標(biāo)志圖案、文字等。與現(xiàn)有技術(shù)相比(I)從原理上，傳統(tǒng)的內(nèi)雕由于光斑處透明材料受到高于損傷閾值的脈沖激光能量作用后產(chǎn)生破壞性的宏觀爆裂，爆裂點(diǎn)對(duì)光的散射等作用顯示出白色。而本發(fā)明中激光掃描的點(diǎn)沒有形成爆裂現(xiàn)象，而是只改變掃描點(diǎn)處的微觀結(jié)構(gòu)，使掃描的點(diǎn)在折射率方面表現(xiàn)不同的特征。(2)從顯現(xiàn)效果上，傳統(tǒng)的內(nèi)雕在不同的觀測(cè)角度觀測(cè)的效果沒有區(qū)別，沒有顯影的效果。本發(fā)明制備的內(nèi)雕圖案在不同的觀測(cè)角度觀測(cè)的結(jié)果完全不同。在正面觀測(cè)內(nèi)雕圖案是隱形的，看不到里面的圖案；只有在一定的反射角度的觀測(cè)方向才能看到內(nèi)雕于里面的圖案。從而表現(xiàn)出顯影的效果。這也是本發(fā)明主要的不同之處。


圖I :顯影效果原理不意圖，I :入射光；2 :法線；3 :反射角；4 :反射光；5 :觀測(cè)位置；6 :透明材料；7 :內(nèi)雕圖案。圖2 :加工裝置示意圖，I :計(jì)算機(jī)；2 :數(shù)據(jù)連接線；3 :激光器；4 :發(fā)射激光；5 :振鏡；6 :待加工透明材料；7 :運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。圖3 :正面觀測(cè)內(nèi)雕完后的K9玻璃照片，I :黑色襯底；2 K9玻璃。圖4 :按圖I所示方法觀測(cè)顯現(xiàn)出的圖案照片，I :內(nèi)雕的圖案；2 K9玻璃。圖5 :正面觀測(cè)內(nèi)雕完后的水晶照片。I :黑色襯底；2 :水晶。圖6 :按圖I所示方法觀測(cè)顯現(xiàn)出的圖案照片。I :內(nèi)雕的圖案；2 :水晶。
具體實(shí)施方式
首先有必要在此指出的是本實(shí)施例只用于對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能理解為對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制。按照?qǐng)D2所示的加工裝置示意圖連接加工設(shè)備。計(jì)算機(jī)用數(shù)據(jù)連接線于激光器連接；通過激光器發(fā)射激光經(jīng)由振鏡直接作用于待加工透明材料；通過運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，使待加工透明材料運(yùn)動(dòng)從而雕刻上圖案。實(shí)例II)選取一塊K9玻璃作為內(nèi)雕材料。首先用普通洗滌液清洗材料表面，然后放入能浸沒材料的無水乙醇中進(jìn)一步清洗。直至材料表面無可見雜物、灰塵。2)選取一張普通的照片文件，導(dǎo)入到點(diǎn)云轉(zhuǎn)換軟件。使原圖片文件轉(zhuǎn)換成點(diǎn)云文件。3)選取激光波長(zhǎng)為532nm的半導(dǎo)體脈沖激光。調(diào)整該激光器的重復(fù)頻率為15000Hz，激光脈寬為66 ii S，泵浦電流約33A，聚焦光斑約30 y m。加工平臺(tái)的移動(dòng)速度為16000p/s,振鏡掃描速度為3000bit/ms。4)運(yùn)行掃描控制軟件，導(dǎo)入步驟2)中生成的點(diǎn)云文件，把步驟I)中處理的材料放入加工平臺(tái)固定位置上。運(yùn)行內(nèi)雕系統(tǒng)。當(dāng)內(nèi)雕程序結(jié)束后就能獲得所需隱形內(nèi)雕圖案。附圖3和圖4為所制備的內(nèi)雕樣品照片。實(shí)例2I)選取一塊水晶作為內(nèi)雕材料。首先用普通洗滌液清洗材料表面，然后放入能浸沒材料的無水乙醇中進(jìn)一步清洗。直至材料表面無可見雜物、灰塵。2)選取一張普通的商標(biāo)圖片文件，導(dǎo)入到點(diǎn)云轉(zhuǎn)換軟件。使原圖片文件轉(zhuǎn)換成點(diǎn)云文件。3)選取激光波長(zhǎng)為532nm的半導(dǎo)體脈沖激光。調(diào)整該激光器的重復(fù)頻率為15000Hz，激光脈寬為66 ii S，泵浦電流約30A，聚焦光斑約30m。加工平臺(tái)的移動(dòng)速度為16000p/s,振鏡速度為 3000bit/ms。4)運(yùn)行掃描控制軟件，導(dǎo)入步驟2)中生成的點(diǎn)云文件，把步驟I)中處理的材料放入加工平臺(tái)固定位置上。運(yùn)行內(nèi)雕系統(tǒng)。當(dāng)內(nèi)雕程序結(jié)束后就能獲得所需隱形內(nèi)雕圖案。附圖5和圖6為所制備的內(nèi)雕樣品照片。
權(quán)利要求
1.一種利用激光在透明材料內(nèi)進(jìn)行隱形內(nèi)雕的方法，其特征在于，包括以下步驟 (1)選取需要制備圖案的圖片文件，利用點(diǎn)云生成軟件把圖片文件轉(zhuǎn)變成點(diǎn)云文件； (2)選取透明的內(nèi)雕材料，首先用洗滌液清洗掉材料表面，然后用無水乙醇進(jìn)一步清洗材料表面，確保材料表面無雜物、灰塵覆蓋在材料表面； (3)打開掃描控制軟件，導(dǎo)入步驟(I)中生成的點(diǎn)云文件，通過控制激光器的參數(shù)，功率、頻率、脈寬、聚焦光斑，使激光光斑作用在透明材料上的能量低于材料的損傷閾值使材料折射率發(fā)生轉(zhuǎn)變，這種是只在微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生轉(zhuǎn)變但不發(fā)生宏觀的爆裂。
2.按照權(quán)利要求I的方法，其特征在于，內(nèi)雕材料為玻璃或水晶材料。
3.按照權(quán)利要求I的方法，其特征在于，所述的激光器為半導(dǎo)體532nm的脈沖激光或355nm的脈沖激光。
4.按照權(quán)利要求I的方法，其特征在于，激光光斑作用在透明材料上的能量?jī)?yōu)選為損傷閾值的80-90%。
5.按照權(quán)利要求I的方法，其特征在于，圖案為各種可見的圖像。
全文摘要
一種利用激光在透明材料內(nèi)進(jìn)行隱形內(nèi)雕的方法，屬于激光內(nèi)雕技術(shù)。選取圖案的圖片文件，利用點(diǎn)云生成軟件轉(zhuǎn)變成點(diǎn)云文件；選取透明的內(nèi)雕材料，分別用洗滌液和無水乙醇清洗材料表面；打開掃描控制軟件，導(dǎo)入生成的點(diǎn)云文件，通過控制激光器的參數(shù)，功率、頻率、脈寬、聚焦光斑，使激光光斑作用在透明材料上的能量低于材料的損傷閾值使材料折射率發(fā)生轉(zhuǎn)變，這種是只在微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生轉(zhuǎn)變但不發(fā)生宏觀的爆裂。本發(fā)明在正面觀測(cè)內(nèi)雕圖案是隱形的，看不到里面的圖案；只有在一定的反射角度的觀測(cè)方向才能看到內(nèi)雕于里面的圖案。
文檔編號(hào)B44C1/22GK102974942SQ20121048495
公開日2013年3月20日 申請(qǐng)日期2012年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月23日
發(fā)明者劉富榮, 周偉平, 黃超, 白楠, 陳繼民 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)