CN102974942A

CN102974942A - 一种利用激光在透明材料内进行隐形内雕的方法

Info

Publication number: CN102974942A
Application number: CN2012104849579A
Authority: CN
Inventors: 刘富荣; 周伟平; 黄超; 白楠; 陈继民
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2012-11-23
Filing date: 2012-11-23
Publication date: 2013-03-20

Abstract

一种利用激光在透明材料内进行隐形内雕的方法，属于激光内雕技术。选取图案的图片文件，利用点云生成软件转变成点云文件；选取透明的内雕材料，分别用洗涤液和无水乙醇清洗材料表面；打开扫描控制软件，导入生成的点云文件，通过控制激光器的参数，功率、频率、脉宽、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损伤阈值使材料折射率发生转变，这种是只在微观结构发生转变但不发生宏观的爆裂。本发明在正面观测内雕图案是隐形的，看不到里面的图案；只有在一定的反射角度的观测方向才能看到内雕于里面的图案。

Description

一种利用激光在透明材料内进行隐形内雕的方法

技术领域

本发明属于激光内雕技术，特别涉及一种利用激光在透明材料内进行隐形内雕的方法。

背景技术

激光内雕技术是目前国际上最先进、最流行的用于透明材料（如水晶、玻璃、亚克力等）内雕刻加工的方法。它是将脉冲强激光在透明材料内部聚焦，使激光聚焦点的能量密度大于材料破坏的临界值，从而产生微米量级大小的汽化爆裂点。由于爆裂点对光的散射、反射等作用而呈现出白色。通过计算机控制激光在玻璃体内产生爆裂点的空间位置，构成绚丽多姿的图像。

目前传统内雕的原理主要是选取纳秒脉冲激光器（如钇铝石榴石的基频，倍频或者三倍频激光），通过控制激光聚焦光斑的能量，使光斑处的能量密度大于使玻璃破坏的临界值，称为损伤阈值。当光斑处透明材料受到高于损伤阈值的脉冲激光能量作用后瞬间爆裂。由于激光光斑大小属于微米量级，同时一个激光脉冲的作用时间为纳秒级，所以只有所需要加工的位置才能产生爆裂点，透明材料其余部分则保持原样。所产生的爆裂点为破坏性的裂痕，对光产生散射、反射、吸收等作用使爆裂点呈现出白色。而原材料为透明材料，通过颜色反差就能显现出图案效果。配备扫描控制系统就能制备出不同的内雕图案。

激光内雕的过程类似于文件打印或者信息记录的过程。目前的打印信息记录技术除了普通传统的打印信息记录技术之外出现了隐形打印记录技术。如利用各种隐形墨水或者显影技术实现隐形记录的效果。类比于打印或者信息记录的方式，激光内雕除了传统的目前能见到的内雕效果之外也能制备类似的隐形内雕技术。目前的内雕不能实现隐形内雕的效果。本发明目的为在透明材料（主要为玻璃和水晶材料）内实现隐形激光内雕，只有在一定的反射角度观测时才能看到材料的内雕图案，实现一种显影的效果。

发明内容

本发明的目的在于利用激光在透明材料（主要为玻璃或水晶材料）内实现隐形内雕。传统的激光内雕技术由于产生宏观的爆裂点，不能实现隐形的效果。本发明所述方法选取脉冲激光通过控制脉冲能量使透明材料折射率等微观性能发生转变但不产生宏观的爆裂点。由于没有形成传统内雕工艺中的爆裂点，所以雕刻的位置看不到传统雕刻中的白色。当利用激光在玻璃和水晶材料中内雕扫描形成所需图案后。在垂直于材料的方向或者小于约三十度反射角的方向观看材料内部时看不到材料里面内雕的图案，当在大约四十五度反射角的方向观看材料内部时能清晰看到材料里面的内雕图案（如附图图1）。本发明首先通过控制参数获得所需的内雕图案，由于没有像传统内雕那样因为宏观微区域的爆裂而产生白色的点，所以内雕完后从材料正面观测不到内雕的图案，但在一定的反射角度上观测时因为打过点的区域同没打过点的区域对光的折射率的不同从而显现出内雕于材料的图案。通过这一过程实现激光隐形内雕的显影效果。

本发明目的通过如下措施来达到的，其具体工艺流程为：

（1）选取需要制备图案的图片文件，利用点云生成软件把图片文件转变成点云文件；

（2）选取透明的内雕材料，如水晶、普通玻璃、超白玻璃、K9玻璃，首先用洗涤液清洗掉材料表面，然后用无水乙醇进一步清洗材料表面，确保材料表面无杂物、灰尘等覆盖在材料表面。

（3）打开扫描控制软件，导入步骤（1）中生成的点云文件，通过控制激光器的参数，如：功率、频率、脉宽、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损伤阈值使材料折射率发生转变，这种是只在微观结构发生转变但不发生宏观的爆裂。不同透明材料的损伤阈值不太相同，玻璃类材料的损伤阈值约为5-30J/cm2。通过控制激光参数使激光作用在材料内部的能量约为损伤阈值能量的85%，运行扫描控制系统，利用激光把所需图案雕刻到透明材料的内部。

选取不同的角度观察所制备的隐形内雕图案，当只有在一定的反射角度才能观察到透明材料中内雕的图案时就实现了激光在透明材料内的隐形内雕效果。

所述的内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。

所述的激光器为半导体532nm的脉冲激光。也可以是355nm的脉冲激光。激光光斑作用在透明材料上的能量优选为损伤阈值的80-90%。

所述的图案可以是各种可见的图像，如人物照片、风景画面、标志图案、文字等。

与现有技术相比：

（1）从原理上，传统的内雕由于光斑处透明材料受到高于损伤阈值的脉冲激光能量作用后产生破坏性的宏观爆裂，爆裂点对光的散射等作用显示出白色。而本发明中激光扫描的点没有形成爆裂现象，而是只改变扫描点处的微观结构，使扫描的点在折射率方面表现不同的特征。

（2）从显现效果上，传统的内雕在不同的观测角度观测的效果没有区别，没有显影的效果。本发明制备的内雕图案在不同的观测角度观测的结果完全不同。在正面观测内雕图案是隐形的，看不到里面的图案；只有在一定的反射角度的观测方向才能看到内雕于里面的图案。从而表现出显影的效果。这也是本发明主要的不同之处。

附图说明

图1：显影效果原理示意图，1：入射光；2：法线；3：反射角；4：反射光；5：观测位置；6：透明材料；7：内雕图案。

图2：加工装置示意图，1：计算机；2：数据连接线；3：激光器；4：发射激光；5：振镜；6：待加工透明材料；7：运动系统。

图3：正面观测内雕完后的K9玻璃照片，1：黑色衬底；2：K9玻璃。

图4：按图1所示方法观测显现出的图案照片，1：内雕的图案；2：K9玻璃。

图5：正面观测内雕完后的水晶照片。1：黑色衬底；2：水晶。

图6：按图1所示方法观测显现出的图案照片。1：内雕的图案；2：水晶。

具体实施方式

首先有必要在此指出的是本实施例只用于对本发明进行进一步详细说明，不能理解为对本发明保护范围的限制。

按照图2所示的加工装置示意图连接加工设备。计算机用数据连接线于激光器连接；通过激光器发射激光经由振镜直接作用于待加工透明材料；通过运动系统，使待加工透明材料运动从而雕刻上图案。

实例1

1）选取一块K9玻璃作为内雕材料。首先用普通洗涤液清洗材料表面，然后放入能浸没材料的无水乙醇中进一步清洗。直至材料表面无可见杂物、灰尘。

2）选取一张普通的照片文件，导入到点云转换软件。使原图片文件转换成点云文件。

3）选取激光波长为532nm的半导体脉冲激光。调整该激光器的重复频率为15000Hz，激光脉宽为66μs，泵浦电流约33A，聚焦光斑约30μm。加工平台的移动速度为16000p/s,振镜扫描速度为3000bit/ms。

4）运行扫描控制软件，导入步骤2）中生成的点云文件，把步骤1）中处理的材料放入加工平台固定位置上。运行内雕系统。当内雕程序结束后就能获得所需隐形内雕图案。

附图3和图4为所制备的内雕样品照片。

实例2

1）选取一块水晶作为内雕材料。首先用普通洗涤液清洗材料表面，然后放入能浸没材料的无水乙醇中进一步清洗。直至材料表面无可见杂物、灰尘。

2）选取一张普通的商标图片文件，导入到点云转换软件。使原图片文件转换成点云文件。

3）选取激光波长为532nm的半导体脉冲激光。调整该激光器的重复频率为15000Hz，激光脉宽为66μs，泵浦电流约30A，聚焦光斑约30m。加工平台的移动速度为16000p/s,振镜速度为3000bit/ms。

附图5和图6为所制备的内雕样品照片。

Claims

1.一种利用激光在透明材料内进行隐形内雕的方法，其特征在于，包括以下步骤：

（2）选取透明的内雕材料，首先用洗涤液清洗掉材料表面，然后用无水乙醇进一步清洗材料表面，确保材料表面无杂物、灰尘覆盖在材料表面；

（3）打开扫描控制软件，导入步骤（1）中生成的点云文件，通过控制激光器的参数，功率、频率、脉宽、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损伤阈值使材料折射率发生转变，这种是只在微观结构发生转变但不发生宏观的爆裂。

2.按照权利要求1的方法，其特征在于，内雕材料为玻璃或水晶材料。

3.按照权利要求1的方法，其特征在于，所述的激光器为半导体532nm的脉冲激光或355nm的脉冲激光。

4.按照权利要求1的方法，其特征在于，激光光斑作用在透明材料上的能量优选为损伤阈值的80-90%。

5.按照权利要求1的方法，其特征在于，图案为各种可见的图像。