激光内雕(新)

«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

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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 (4)

2.激光内雕的发展 (4)

3.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 (7)

4.激光内雕中特殊构型—电光调Q Nd:YAG激光腔的研究 (8)

5.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 (10)

6.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 (12)

7.参考文献 (13)

1.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[]1：

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[]2

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：①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.②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[]3

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