CN1107659C - 对透明物体内部进行着色并形成立体彩色图案的方法 - Google Patents

Abstract

一种对透明物体内部进行着色并形成立体彩色图案的方法，选用脉冲宽度小于10ps的超短脉冲激光束聚焦于色心吸收在可见光区域内的光学玻璃，或者是掺杂有三价稀土离子的透明介质内部进行着色和构成彩色立体图案。控制发射激光束的能量密度大于透明物体的多光子反应阈值，小于透明物体的破坏阈值。使其激光束在透明物体内部的焦点是着色点而不是在先技术中所描述的炸裂点。所以用本发明的方法在透明物体内部雕刻成的是彩色的立体图案。

Description

对透明物体内部进行着色并形成立体彩色图案的方法

本发明是关于利用超短脉冲激光进行透明物体内部着色并形成彩色立体图案的方法。

玻璃工艺品因其晶莹剔透，给人带来感观上的美感，深受人们的喜爱。一般玻璃工艺品是通过表面加工如喷砂，化学蚀刻等加工成各种立体形状。在先技术中，陈亭等发明人提供一种利用脉冲宽度为纳秒级的钇铝石榴石(YAG)激光器(中国专利ZL97234928.6)，将激光束与玻璃相互作用所引起的破坏(breakdown)，导致的炸裂点排成立体图形。一般炸裂点为几十个微米至几千个微米的微裂纹。由于炸裂点对可见光的漫散而呈白色。但并不能形成有着色的立体图案。如果能将着色的或者彩色的立体图案雕刻到玻璃内部，则可使玻璃内雕刻工艺品更加光彩夺目，价值倍增。

本发明的目的是克服在先技术的不足，提供一种方法，能够在透明物体内部进行着色和形成彩色的立体图案，使其透明物体被内雕成光彩夺目的工艺品。

本发明的方法是采用超短脉冲激光束聚焦于透明物体内部形成彩色立体图案。具体的做法是：

(1)选用脉冲宽度小于10ps(皮秒)的超短脉冲激光束；

(2)选用的透明物体是多光子吸收在可见光区域内的光学玻璃，或者是掺杂有三价稀土离子的透明介质；

(3)控制发射激光束的能量，使激光束在透明物体内部聚焦的能量密度大于透明物体的多光子反应阈值，但小于透明物体的破坏阈值；

(4)将上述超短脉冲激光束聚焦于上述的透明物体内部进行着色，如图1所示。或者用计算机控制超短脉冲激光束在透明物体内部的焦点轨迹，将立体图案写入透明物体内部构成彩色的立体图案。

上述具体做法的第一点，选用脉冲宽度小于10ps的超短脉冲激光束的原因是，当激光束的脉冲宽度小于10ps(10皮秒，即10×10^-12＝10^-11秒)时，将激光经光学透镜聚焦后照射到透明物体、特别是掺杂了一些特种成分的透明物体，透明物体中激光聚焦的焦点附近因超短脉冲激光与透明物体的特殊的多光子反应才能够产生与在先技术中用纳秒激光明显不同的着色效应，而当脉冲宽度长于10ps的激光作用于透明物体内部时，直到透明物体产生由激光致破坏所引起的微裂纹也观测不到任何着色效应。

上述具体做法的第三点是因为，只有而当脉冲宽度小于10ps并且激光束聚焦能量密度Fm大于相应的多光子反应阈值Rp、但低于透明物体的破坏阈值Dp时，透明物体中激光聚焦点附近才可产生由色心形成或离子价态变化等引起的无破坏性着色(如图1所示)。对于不同的透明物体化学组成体系，上述多光子反应阈值是不同的。由于这种着色微点的形成具有空间选择性，所以可将着色的立体图形写入透明物体中。此外，通过调节透明物体的组成和掺杂物，形成的立体图形可以是在室温下永久不变的或半永久性的(一定时日后将完全消失)。在飞秒(fs，即10^-15秒)激光照射引起的变色是永久性的情况下，通过计算机控制的三维平台移动透明物体样品，即移动透明物体中飞秒激光聚焦相对位置并控制快门，可将一个立体图象着成三维立体彩色图形永久性地雕入透明物体中。在飞秒激光引起的着色是半永久性的情况下，刚雕入时三维立体图形清晰可辨，但随着时间的推移，立体图形会慢慢衰减，经一定时日后，将不再能辨认，即可写入具有神秘色彩的变幻图案。

上述具体做法第二点，也就是适用于本发明的透明物体除某些形成的多光子吸收不在可见光区域内(如石英玻璃)的以外，一般光学透明物体都能形成在可见光范围具有多光子吸收的缺陷结构而着色。掺杂某些特种稀土离子如Sm³⁺、Eu³⁺等，3价的离子一般在可见光区域只有比较窄的由稀土离子f-f跃迁产生的吸收，透明物体一般呈无色透明状态。但当短于10ps激光脉冲聚焦照射后，焦点附近稀土离子产生还原而成为Sm²⁺、Eu²⁺等，它们在可见光的短波长范围都有很强的f-d跃迁所产生的吸收而使透明物体呈橙色及黄色。因此为增强色彩，使用的透明物体需进行适当的掺杂。

此外，通过对透明物体中掺杂的组成及激光强度加以调整，根据不同的反应阈值，可将一个立体的多色图案写入透明物体中。

本发明的优点在于：本发明方法与在先技术利用纳秒(10^-9秒)级脉冲宽度YAG激光导致透明物体聚焦点炸裂(破坏)而形成无色立体图案的方法有三点本质上的不同：一是本发明用小于10ps脉冲激光束导致的立体图案的形成机制不同。本发明中超短脉冲激光束聚焦在透明物体内部的焦点是着色点，而在先技术中激光束聚焦于透明物体内部的焦点是炸裂点；二是本发明可以根据设定要求制作不同色彩的立体图案；三是本发明制作的彩色立体图案可以是变幻的。超短脉冲的激光束可以为高重复频率的或低重复频率的激光束。但无论哪种都要求脉冲宽度小于10皮秒。根据需要，激光的强度可采用简单的办法经过滤光片进行调整。激光的脉冲宽度也可通过棱镜对进行调节，然后通过透镜将激光束聚焦后照射到透明物体内部。透明物体内部的聚焦点移动通过计算机控制放置透明物体样品的三维平台进行调节，再通过连动快门装置将一个具有着色的立体图案显示于透明物体中。总之，本发明的方法不比在先技术中所描述的方法复杂。然而所获得的图案是彩色的，雕入透明物体内部的可以是神秘色彩的变幻图案，或是永久具有艳丽色彩的图案。

本发明也包括通过写入2层以上的平面的着色的图案，使图案具有立体感。

本发明由于采用了小于10ps的激光束及选择适当的透明物体组成，着色的点可细密至几百个纳米(nm，即10^-9米)，这是在先技术中炸裂点成像所不能达到的；而且构成的图案具有各种可选择的颜色，因此具有更高层次的美感。

附图说明：

图1为本发明方法将超短脉冲激光束聚焦于透明物体中的示意图。

图2为实施例1脉冲宽度为50fs激光束对透明物体扫描前后的吸收光谱图。

图3为实施例2脉冲宽度为500fs激光束对透明物体扫描前后的吸收光谱图。

图4为实施例3脉冲宽度为100fs激光束对透明物体扫描前后的吸收光谱图。

图5为实施例4脉冲宽度为50fs激光束对透明物体扫描前后的吸收光谱图。

实施例1：

如上述具体做法，选用脉冲宽度为150fs(1.5×10^-13秒)的飞秒激光束，它的波长为800nm，脉冲频率为1kHz，平均功率为20mW，用5倍的透镜聚焦到透明物体为含有0.05Sm₂O₃·10Na₂O·5Al₂O₃·85B₂O₃(mol％)的掺Sm³⁺的硼酸盐玻璃中，激光聚焦扫描前后的吸收光谱如图2所示。图2中a曲线是照射前的吸收光谱线，b线是激光照射后的吸收光谱线。由于聚焦处Sm³⁺的还原而形成Sm²⁺所产生的吸收，聚焦点附近玻璃呈橙红色。通过计算机控制置放玻璃的三维平台，使聚焦于玻璃内部的焦点按其计算机控制的轨迹移动，则最终将一个橙红色的三维立体图形写入到玻璃中。着色在室温下一直保持稳定。

实施例2：

如上述具体做法，选用脉冲宽度为500fs(5×10^-13秒)的飞秒激光束，它的波长为400nm，脉冲频率为200kHz，平均功率为600mW，用焦距f＝100mm的透镜聚焦到透明物体为含有0.1SmF₃·50ZrF₄·20BaF₂·3.9LaF₃·3AlF₃·20NaF(mol％)的掺Sm³⁺的氟化锆系玻璃中，选用的激光束对透明物体扫描前后的吸收光谱如图3所示。图中a线为照射前的，b线为照射后的。图中的时间为激光束照射后经过的时间。玻璃内部激光聚焦处呈黄色。通过计算机控制焦点在玻璃内部移动轨迹，即可制得黄色立体图案。在室温下着色刚开始有些衰减而后保持稳定。

实施例3：

如上述具体做法，选用脉冲宽度为100fs(1×10^-13秒)的飞秒激光束，它的波长为1.55nm，脉冲频率为10Hz，平均功率为10mW，用10倍的透镜聚焦到透明物体为掺CdS和CdSe的滤光玻璃片内部，激光扫描前后的吸收光谱如图4所示。图中a线为激光束照射前，b线为激光束照射后，图中时间为激光照射后经过的时间。滤光玻璃片内部激光聚焦处呈灰黑色。因此，可制得灰黑色立体图案。在室温下着色刚开始有些衰减而后保持稳定。

实施例4：

如上述具体做法，选用脉冲宽度为50fs(5×10^-14秒)的飞秒激光束，它的波长为800nm，脉冲频率为200kHz，平均功率为200mW，用焦距f＝200mm的透镜聚焦到透明物体为含有3PrF₃·50ZrF₄·20BaF₂·1LaF₃·3AlF₃·20NaF(mol％)的掺Pr³⁺的氟化锆系的玻璃中，激光束对玻璃扫描前后的吸收光谱如图5所示。图中的时间数为激光束照射后经过的时间。激光聚焦处呈橙色。利用实施例1类似的方法可制得橙色立体图案。在室温下着色图案逐渐褪色，1个月后完全消失，使立体图案具有神秘色彩。

Claims (1)

1.一种对透明物体内部进行着色并形成立体彩色图案的方法，是采用超短脉冲激光束聚焦于透明物体内部构成立体图案，其特征在于具体步骤是：

(1)首先选用脉冲宽度小于10ps的超短脉冲激光束；

(2)其次选用的透明物体是色心吸收在可见光区域内的光学玻璃，或者是掺杂有三价稀土离子的透明介质；

(3)将上述超短脉冲激光束聚焦于上述的透明物体内部并控制发射激光束的能量，使激光束在透明物体内部聚焦的能量密度大于透明物体的多光子反应阈值，小于透明物体的破坏阈值，进行着色，或者用计算机控制超短脉冲激光束在透明物体内部的焦点轨迹，将立体图案写入透明物体内部，构成彩色的立体图案。

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