本發(fā)明屬于加工領(lǐng)域，涉及一種利用激光對(duì)透明有機(jī)塑料進(jìn)行內(nèi)部雕刻的裝置。

技術(shù)背景

目前，利用波長(zhǎng)為532nm的脈沖激光對(duì)石英玻璃等玻璃類材料進(jìn)行內(nèi)雕已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用在三維圖像顯示、燈光照明和高檔裝飾品等領(lǐng)域。由于玻璃類材質(zhì)的質(zhì)地較脆，價(jià)格也相對(duì)昂貴，在如導(dǎo)光板、薄型材料以及需要彎折的器件等很多領(lǐng)域中無法使用，在工業(yè)應(yīng)用中也難以發(fā)揮透明材料內(nèi)雕的優(yōu)點(diǎn)。

有機(jī)透明塑料如亞克力(PMMA)、聚丙烯塑料(PC)、聚對(duì)苯二甲酸(PET)等在包裝、顯示和構(gòu)造件等方面有十分重要的用途，但有機(jī)塑料的內(nèi)部加工(內(nèi)雕)一直沒有適合工業(yè)化應(yīng)用的解決方案。在透明材料內(nèi)部實(shí)現(xiàn)內(nèi)雕加工，對(duì)激光束有兩個(gè)方面的要求，一個(gè)要求是激光束必須可以深入到透明材料內(nèi)部，另一個(gè)要求是在特定位置，激光束可以和透明材料產(chǎn)生相互作用，改變透明材料的折射率，實(shí)現(xiàn)所謂的內(nèi)雕。一般有兩種基本途徑可以改變有機(jī)透明塑料的折射率，一種方法利用強(qiáng)光場(chǎng)，使有機(jī)塑料的瞬間氣化，從而產(chǎn)生空洞，形成內(nèi)雕的效果。但由于強(qiáng)光場(chǎng)的產(chǎn)生依賴于飛秒激光器，但飛秒激光器的價(jià)格昂貴、結(jié)構(gòu)復(fù)雜和維護(hù)困難，短時(shí)間內(nèi)還難以被大面積的推廣應(yīng)用，這種方法目前還只是在實(shí)驗(yàn)室中使用；另一種是利用加熱的辦法，使透明塑料重新凝結(jié)，由應(yīng)力結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的凝結(jié)區(qū)與周圍的塑料會(huì)產(chǎn)生折射率差異。對(duì)于依賴熱效應(yīng)進(jìn)行加工的有機(jī)塑料來說，目前常用激光器的輸出波長(zhǎng)一般在1微米附近，例如Nd:YAG激光器或者摻鐿光纖激光器，有機(jī)透明塑料對(duì)其吸收很少，無法直接加工，而CO₂激光器的輸出波長(zhǎng)在10微米附近，有機(jī)透明塑料對(duì)其吸收過大，只能用在有機(jī)塑料的表面加工。

因此，針對(duì)現(xiàn)有使用的殼體的不足之處，有必要提供一種可以實(shí)現(xiàn)有機(jī)透明塑料內(nèi)部雕刻的加工裝置。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種透明塑料內(nèi)雕裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)有機(jī)塑料的內(nèi)部雕刻。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題而采用的技術(shù)方案是提供一種透明塑料內(nèi)雕裝置，包括用于承載透明有機(jī)塑料樣品8的平移臺(tái)9，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)5以及受控于計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)5的激光器1、調(diào)焦系統(tǒng)3、光束掃描系統(tǒng)4，其特征在于，所述激光器1產(chǎn)生的激光的波長(zhǎng)為1.9微米～2.1微米，沿激光光束出射方向，依次排布分光系統(tǒng)2、調(diào)焦系統(tǒng)3、光束掃描系統(tǒng)4，激光光束經(jīng)分光系統(tǒng)2分光后通過調(diào)焦系統(tǒng)3和光束掃描系統(tǒng)4對(duì)激光光束進(jìn)行聚焦控制，最后作用于透明有機(jī)塑料樣品8上實(shí)現(xiàn)透明塑料的內(nèi)雕。

進(jìn)一步的，所述激光器1為連續(xù)摻銩光纖激光器或者脈沖摻銩光纖激光器。

進(jìn)一步的，所述分光系統(tǒng)2前還設(shè)置有準(zhǔn)直系統(tǒng)，所述準(zhǔn)直系統(tǒng)包括從左至右依次設(shè)置的半月透鏡21和凸透鏡22，所述凸透鏡22前后表面分別鍍有增透膜。

進(jìn)一步的，所述分光系統(tǒng)2包括平行設(shè)置的第一棱鏡23和第二棱鏡24，所述第一棱鏡23和第二棱鏡24的前表面分別鍍有反射膜。

進(jìn)一步的，所述第一棱鏡23的前表面鍍有對(duì)激光波長(zhǎng)50％反射率的反射膜，所述第二棱鏡24的前表面鍍有激光波長(zhǎng)的全反膜。

進(jìn)一步的，所述調(diào)焦系統(tǒng)3由三個(gè)以上的光學(xué)透鏡組成或由可變焦透鏡組成或由可變焦反射鏡組成。

進(jìn)一步的，所述光束掃描系統(tǒng)4包括兩組正交的第一轉(zhuǎn)動(dòng)反射鏡振鏡41和第二轉(zhuǎn)動(dòng)反射鏡振鏡42、F-theta鏡43和伺服控制卡44。

本發(fā)明對(duì)比現(xiàn)有技術(shù)有如下的有益效果：本發(fā)明提供的透明塑料內(nèi)雕裝置,通過激光器產(chǎn)生2微米左右的激光，可以對(duì)透明塑料進(jìn)行內(nèi)部雕刻；并且通過調(diào)焦系統(tǒng)和光束掃描系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)焦距的精確控制，保證聚焦光斑的尺寸和形狀不會(huì)發(fā)生嚴(yán)重變形。

附圖說明

圖1為本發(fā)明透明塑料內(nèi)雕系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明透明塑料內(nèi)雕系統(tǒng)中準(zhǔn)直系統(tǒng)和分光系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明透明塑料內(nèi)雕系統(tǒng)中光束掃描系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明激光內(nèi)雕的溫度變化圖；

圖5為本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例一的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為圖5實(shí)施例一中的光束掃描系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7為本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例二的整體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：

1:激光器 2:分光系統(tǒng) 21：半月透鏡 22：凸透鏡

23：第一棱鏡 24：第二棱鏡 3:調(diào)焦系統(tǒng) 31：第一凸透鏡

32：凹凸透鏡 33：第二凸透鏡 34：凹面反射鏡 35：凸面反射鏡

4:光束掃描系統(tǒng) 41：第一轉(zhuǎn)動(dòng)反射鏡振鏡 42：第二轉(zhuǎn)動(dòng)反射鏡振鏡

43：F-theta鏡 44：伺服控制卡 45：指示激光 5:計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

6:制冷水箱 7:集成數(shù)據(jù)線 8:透明有機(jī)塑料樣品 9:平移臺(tái)

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。

在透明材料內(nèi)部實(shí)現(xiàn)內(nèi)雕加工，對(duì)激光束有兩個(gè)方面的要求，一個(gè)要求是激光束必須可以深入到透明材料內(nèi)部，另一個(gè)要求是在特定位置，激光束可以和透明材料產(chǎn)生相互作用，改變透明材料的折射率，實(shí)現(xiàn)所謂的內(nèi)雕。一般有兩種基本途徑可以改變有機(jī)透明塑料的折射率，一種方法利用強(qiáng)光場(chǎng)，使有機(jī)塑料的瞬間氣化，從而產(chǎn)生空洞，形成內(nèi)雕的效果。但由于強(qiáng)光場(chǎng)的產(chǎn)生依賴于飛秒激光器，這種方法目前還只是在實(shí)驗(yàn)室中使用。另一種是利用加熱的辦法，使透明塑料重新凝結(jié)，由應(yīng)力結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的凝結(jié)區(qū)與周圍的塑料會(huì)產(chǎn)生折射率差異。

對(duì)于依賴熱效應(yīng)進(jìn)行加工的有機(jī)塑料來說，選擇合適的激光波長(zhǎng)成為一個(gè)重要的步驟。目前常用激光器的輸出波長(zhǎng)一般在1微米(Nd:YAG激光器或者摻鐿光纖激光器)附近，有機(jī)透明塑料對(duì)其吸收很少，無法直接加工，而CO₂激光器的輸出波長(zhǎng)在10微米附近，有機(jī)透明塑料對(duì)其吸收很大，只能用在有機(jī)塑料的表面加工。

根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，波長(zhǎng)過小會(huì)導(dǎo)致有機(jī)透明塑料對(duì)波長(zhǎng)的吸收很少，無法進(jìn)行加工；波長(zhǎng)過大會(huì)導(dǎo)致有機(jī)透明塑料對(duì)波長(zhǎng)的吸收過大，只能用于有機(jī)塑料的表面加工，因此，選擇合適的激光波長(zhǎng)是一個(gè)至關(guān)重要的步驟?；趽戒A激光介質(zhì)的激光器，包括光纖激光器和固體激光器，其輸出波長(zhǎng)在2微米附近，大多數(shù)在1.9微米～2.1微米之間，對(duì)于加工有機(jī)透明塑料是一個(gè)非常合適的選擇。以有機(jī)玻璃(亞克力或PMMA)為例，在2微米波段其吸收系數(shù)一般在1.0/mm左右。2微米波長(zhǎng)的激光束穿過2mm厚的有機(jī)玻璃，大約被吸收20％左右，因此可以用作對(duì)有機(jī)玻璃進(jìn)行內(nèi)雕。

在選取了合適的激光波長(zhǎng)后，仍需要解決在不影響到周邊塑料性質(zhì)的情況下，在指定的位置對(duì)有機(jī)透明塑料加熱的問題。本發(fā)明采用多光束(光束數(shù)N)聚焦的方法，使得在焦點(diǎn)匯合處的光強(qiáng)是單一路徑中激光束的光強(qiáng)的N倍，當(dāng)激光的光強(qiáng)所導(dǎo)致的塑料溫度高于塑料的玻璃相變點(diǎn)時(shí)(對(duì)于亞克力塑料，玻璃相變點(diǎn)的溫度是104OC)，塑料就會(huì)熔化。當(dāng)關(guān)斷激光后，塑料再重新凝結(jié)，形成折射率差異點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)有機(jī)透明塑料的內(nèi)雕。由于單一光束的路徑上的光強(qiáng)只有焦點(diǎn)處光強(qiáng)的1/N，其所引起的溫度小于塑料的玻璃相變點(diǎn)，不會(huì)對(duì)透明塑料產(chǎn)生影響，從而在非指定位置仍然保持塑料的透明特性。

本發(fā)明提供的透明塑料內(nèi)雕裝置的具體結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示，包括用于承載透明有機(jī)塑料樣品8的平移臺(tái)9、分光系統(tǒng)2、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)5以及受控于計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)5的激光器1、調(diào)焦系統(tǒng)3、光束掃描系統(tǒng)4，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)5通過集成數(shù)據(jù)線7與激光器1、調(diào)焦系統(tǒng)3、光束掃描系統(tǒng)4聯(lián)接，實(shí)現(xiàn)對(duì)激光器1、調(diào)焦系統(tǒng)3與光束掃描系統(tǒng)4的同步，并且可以調(diào)節(jié)激光器1的輸出平均功率。

如圖2所示，分光系統(tǒng)2前還可設(shè)置準(zhǔn)直系統(tǒng)，分光準(zhǔn)直系統(tǒng)包括從左至右依次設(shè)置的半月透鏡21、凸透鏡22和棱鏡；在實(shí)際使用中，凸透鏡22前后表面可分別鍍有對(duì)2微米波長(zhǎng)激光的增透膜，在本優(yōu)選實(shí)施例中，棱鏡23為平行設(shè)置的兩個(gè)棱鏡，第一棱鏡23的前表面鍍有激光波長(zhǎng)的反射膜，該反射膜的反射率可優(yōu)選為50％，第二棱鏡24的前表面鍍有激光波長(zhǎng)的全反膜。

調(diào)焦系統(tǒng)在常規(guī)設(shè)計(jì)中通常由三個(gè)以上的光學(xué)透鏡組成，或者由可變焦透鏡(或反射鏡)組成，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)激光束聚焦條件和聚焦點(diǎn)位置的控制。

如圖3所示，光束掃描系統(tǒng)4包括兩組正交的第一轉(zhuǎn)動(dòng)反射鏡振鏡41和第二轉(zhuǎn)動(dòng)反射鏡振鏡42、F-theta鏡43和伺服控制卡44；F-theta鏡由大口徑、寬掃描范圍的聚焦透鏡組成，可以在掃描平面內(nèi)形成均勻的聚焦點(diǎn)。光束掃描系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)入射光束在X，Y軸兩個(gè)方面以較大角度進(jìn)行掃描，即使在掃描角度很大時(shí)仍然能在同樣的平面保持良好的聚焦，因此聚焦光斑的尺寸和形狀不會(huì)發(fā)生嚴(yán)重變形。

本發(fā)明提供的裝置進(jìn)行內(nèi)雕的過程如下：激光器1輸出波長(zhǎng)為1.9微米～2.1微米的激光，輸出的激光束經(jīng)準(zhǔn)直系統(tǒng)準(zhǔn)直后，再經(jīng)過第一棱鏡23和第二棱鏡24后分成兩束功率相等的子光束，其中一個(gè)子光束向下方被反射出去，另一個(gè)子光束經(jīng)過第二棱鏡24后，也向下方被反射出去，這兩束激光的傳播方向相同且平行，但相距有一定的間隔，光束之間沒有重合的部分。由分光系統(tǒng)2傳出來的兩束激光再依次進(jìn)入到調(diào)焦系統(tǒng)3和光束掃描系統(tǒng)4，實(shí)現(xiàn)對(duì)激光束聚焦條件和聚焦點(diǎn)位置的控制，在掃描平面形成均勻的聚焦點(diǎn)。兩束激光束最后匯聚并聚焦于透明有機(jī)塑料樣品8上的指定位置。激光束將聚焦點(diǎn)附近的極小范圍內(nèi)的有機(jī)塑料加溫到其玻璃相變點(diǎn)，開始融化。這時(shí)關(guān)斷激光或通過光束掃描系統(tǒng)4將光束移動(dòng)到下一個(gè)位置。該指定位置的有機(jī)塑料開始降溫，由于聚焦點(diǎn)周圍的有機(jī)塑料沒有達(dá)到玻璃相變點(diǎn)，不會(huì)融化，因此由于應(yīng)力的原因，重新凝結(jié)的有機(jī)塑料的結(jié)晶方向等微觀結(jié)構(gòu)不同于周圍的有機(jī)塑料，導(dǎo)致其折射率的不同，產(chǎn)生內(nèi)雕的效果。

有機(jī)塑料內(nèi)部的相變過程如圖4所示。初始階段，激光開啟，塑料內(nèi)部的溫度迅速上升，在激光焦點(diǎn)處透明塑料被加熱，開始融化，當(dāng)透明塑料達(dá)到了玻璃相變點(diǎn)，關(guān)斷激光，塑料內(nèi)部的溫度開始下降，逐漸下降到室溫，透明塑料重新凝固，產(chǎn)生由應(yīng)力引起的折射率變化點(diǎn)，形成內(nèi)雕效果。

該內(nèi)雕裝置還可包括其他輔助設(shè)施如制冷水箱6、激光防護(hù)裝置、照明裝置等組成。其他的輔助設(shè)備主要用于確保整個(gè)裝置可以安全可靠的運(yùn)行，對(duì)于有些固體或光纖激光器需要制冷水箱6保持工作溫度恒定，激光防護(hù)裝置用于保護(hù)操作人員的安全，照明裝置用于觀測(cè)加工效果等。

以下舉出三個(gè)具體的實(shí)施例，以便本領(lǐng)域技術(shù)人員更好地理解該技術(shù)方案。

實(shí)施例一

本優(yōu)選實(shí)施例一的整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示，激光器1可優(yōu)選為連續(xù)摻銩光纖激光器，它的最高輸出功率為100W，最高可調(diào)制頻率為5kHz，激光輸出波長(zhǎng)為1940nm，激光輸出平行光，輸出光束直徑為7mm。由激光器輸出的光束進(jìn)入到分光系統(tǒng)2中。分光系統(tǒng)2由一對(duì)鍍有50％反射率的反射膜的石英棱鏡組成。經(jīng)過分光系統(tǒng)后，激光束被分為兩束功率相等的激光束，光束中心之間的間距要足夠大，使得兩束平行光不相互重疊，本實(shí)施例間距優(yōu)選為17mm。

兩束平行激光進(jìn)入調(diào)焦系統(tǒng)3，如圖5所示，調(diào)焦系統(tǒng)3由第一凸透鏡31、凹凸透鏡32和第二凸透鏡33組成，這三片透鏡的焦距由紅外級(jí)融石英制成，第一凸透鏡31的焦距可優(yōu)選為150mm、凹凸透鏡32的焦距優(yōu)選為300mm、第二凸透鏡33的焦距優(yōu)選為450mm；第一凸透鏡31與凹凸透鏡32相距5mm，凹凸透鏡32與第二凸透鏡33相距3mm。改變這3片透鏡的相對(duì)距離，可以改變平行激光的發(fā)散角，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)焦距的精確控制。

如圖6所示，光束掃描系統(tǒng)4由兩組正交的轉(zhuǎn)動(dòng)反射鏡即第一轉(zhuǎn)動(dòng)反射鏡振鏡41和第二轉(zhuǎn)動(dòng)反射鏡振鏡42以及F-theta鏡43和伺服控制卡44組成，在光束掃描系統(tǒng)內(nèi)可以增加一個(gè)用于指示的紅色指示激光45。第一反射鏡振鏡41和第二反射鏡振鏡42的鏡片上的鍍有對(duì)2微米波長(zhǎng)波長(zhǎng)激光和指示光的高反光學(xué)膜，F(xiàn)-theta鏡43的鏡片上鍍有對(duì)2微米波長(zhǎng)激光和指示光的增透光學(xué)膜。

將透明有機(jī)塑料的樣品8放置在平移臺(tái)9上，可以前后移動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)透明有機(jī)塑料的三維內(nèi)雕。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)5通過集成數(shù)據(jù)線7對(duì)激光器1、調(diào)焦系統(tǒng)2、光束掃描系統(tǒng)4以及二維平移臺(tái)9進(jìn)行控制，保持它們之間的同步，同時(shí)控制激光器的開關(guān)時(shí)間，確保在塑料的焦點(diǎn)處中注入合適的能量，恰好使塑料處于玻璃相變點(diǎn)；然后，關(guān)斷激光，融化的塑料重新凝固，形成應(yīng)力點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)塑料的內(nèi)雕。

實(shí)施例二

本優(yōu)選實(shí)施例二的整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示，激光器1可優(yōu)選為脈沖摻銩光纖激光器，激光器輸出平均功率10W，脈沖重復(fù)率10～30kHz可調(diào)，脈沖寬度為30ns，激光的輸出波長(zhǎng)為1980nm，激光輸出發(fā)散光，輸出發(fā)散角的數(shù)值孔徑NA為0.1。由激光器1輸出的光束進(jìn)入到準(zhǔn)直分光系統(tǒng)2中。分光系統(tǒng)2的結(jié)構(gòu)與圖2相同，由一對(duì)準(zhǔn)直透鏡和一對(duì)鍍膜石英棱鏡組成。經(jīng)過準(zhǔn)直分光系統(tǒng)2后，激光束被分為兩束功率相等的、平行傳輸?shù)募す馐?，輸出光束直徑?mm，光束中心之間的間距為17mm。

兩束平行激光進(jìn)入調(diào)焦系統(tǒng)3，調(diào)焦系統(tǒng)由一對(duì)可變曲率的旁軸凹面反射鏡34和凸面反射鏡35組成，其中的凸面反射鏡35的曲率通過反射鏡后部的水壓來調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍可以由R＝200～220mm，變化精度<0.1mm；改變這凸面反射鏡的曲率，可以改變平行激光的發(fā)散角，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)焦距的精確控制。

光束掃描系統(tǒng)4由兩組正交的轉(zhuǎn)動(dòng)反射鏡即第一反射鏡振鏡41和第二反射鏡振鏡42以及F-theta鏡43和伺服控制卡44組成，在光束掃描系統(tǒng)內(nèi)可以增加一個(gè)用于指示的紅色指示激光45。第一反射鏡振鏡41和第二反射鏡振鏡42的鏡片上的鍍有對(duì)2微米波長(zhǎng)波長(zhǎng)激光和指示光的高反光學(xué)膜，F(xiàn)-theta鏡43的鏡片上鍍有對(duì)2微米波長(zhǎng)激光和指示光的增透光學(xué)膜。

將透明有機(jī)塑料的樣品8放置在平移臺(tái)9上，可以前后移動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)透明有機(jī)塑料的三維內(nèi)雕。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)5通過集成數(shù)據(jù)線7對(duì)激光器1、調(diào)焦系統(tǒng)2、光束掃描系統(tǒng)4以及二維平移臺(tái)9進(jìn)行控制，保持它們之間的同步，同時(shí)控制激光器的開關(guān)時(shí)間，確保在塑料的焦點(diǎn)處中注入合適的能量，恰好使塑料處于玻璃相變點(diǎn)；然后，關(guān)斷激光，融化的塑料重新凝固，形成應(yīng)力點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)塑料的內(nèi)雕。

實(shí)施例三

本優(yōu)選實(shí)施例三，與實(shí)施例二基本相同，差別在于使用的激光器1優(yōu)選為脈沖摻鈥固體激光器，激光器輸出平均功率10W，脈沖重復(fù)率100～500Hz可調(diào)，脈沖寬度為100us，激光的輸出波長(zhǎng)為2100nm，輸出激光的光束直徑為3mm。其他參數(shù)與實(shí)施例二相同。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：實(shí)現(xiàn)了有機(jī)透明塑料的激光內(nèi)雕，降低了透明材料內(nèi)雕的加工成本，可實(shí)現(xiàn)柔性材料和薄型材料上激光內(nèi)雕，滿足了激光內(nèi)雕大規(guī)范工業(yè)化應(yīng)用的需求。

雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例揭示如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何本領(lǐng)域技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作些許的修改和完善，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)以權(quán)利要求書所界定的為準(zhǔn)。