一种在玻璃内部刻图案的方法与流程

本发明属于制造艺术玻璃的技术领域，更具体地说，涉及一种在玻璃内部刻图案的方法。

背景技术：

在生活中我们经常会看到很多不同玻璃带给我们不同的感觉，在指示牌，广告板，工艺美术品等领域我们经常能看到印有或刻有各种图案的艺术玻璃。现有关于在玻璃上刻图案的报道也很多，但基本都停留在玻璃的表面。例如，中国专利申请号为201210134964.6，申请公布日为2012年8月22日的专利申请文件公开了一种车刻彩绘钢化艺术玻璃及其制作方法，所述的车刻彩绘钢化艺术玻璃，包括玻璃基板，特征在于玻璃基板的表面设有通过车刻工艺产生的立体效果的图案层，在具有立体效果的图案层上涂覆有油彩层。车刻彩绘钢化艺术玻璃的制作方法，其特殊之处在于其工艺流程为，首先在玻璃原片上车刻图案、而后喷涂图案最后将玻璃原片经过钢化处理制作而成。该专利中公开的方法只能在玻璃的表面车刻图案。

对于在玻璃内部析出荧光粉的研究早在2005年是就有报道，Fujita S等人(Fujita S.,Yoshihara S,Sakamoto A,Yamamoto S,Tanabe S,YAG glass-ceramic phosphor for white LED(I):background and development,Proceedings of SPIE Volume 5941,2005)报道了一种玻璃-陶瓷莹光粉(glass-ceramic phosphor)的技术，该技术的基本方法是将玻璃和制作莹光物质的氧化物组分高温溶化，急冷淬火成透明玻璃。然后在相对较低的温度下回火，使得玻璃中莹光物质的组分相互作用，结晶析出莹光物质。析出的莹光物质成小颗粒，约5微米直径，均匀散布在玻璃的基体中。光学效果见附图1。但是这个技术现在并没有发展成用于LED光源封装的主要制作方法，原因之一是其它方法相比(例如将低温玻璃粉和已合成的莹光粉混和烧结，这里的荧光粉已制成，如：发黄光的YAG:Ce，掺杂cerium的yttrium aluminum garnet)，其发光效率较低。现有的技术都是考虑如何将荧光粉均匀分布在玻璃里，而未考虑如何在玻璃内部写字或写图。

技术实现要素：

1.要解决的问题

针对目前缺乏在玻璃内部任意刻光学图案的高效工艺方法，本发明提供一种在玻璃内部刻光学图案的方法，在玻璃-陶瓷莹光粉(glass-ceramic phosphor)的技术基础上，采用相同或类似的方法制成透明玻璃，但采用飞秒激光的方法，用细窄的激光束局部地回火，结晶析出莹光物质的微米颗粒。

2.技术方案

为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种在玻璃内部刻图案的方法，包括制作玻璃和激光刻写两步工艺，包括以下步骤：

(1)将SiO₂、Li₂O和能合成荧光物质的组分，分别研磨成粉末混合；

(2)将混合原料在1600℃-1700℃下熔融1-3小时，然后浇铸在模具中制成玻璃，浇铸的过程中进行急冷淬火；

(3)采用超短脉冲激光局部热回火步骤(2)中得到的玻璃，将激光束焦点调在玻璃的厚层中间，移动激光束的平面位置，和/或变化激光束的焦点，使得荧光粉在玻璃内部析出，形成二维和/或三维图案。

更进一步地，步骤(1)中所述的荧光物质为掺杂铈的钇铝石榴石，其合成的组分为，Y₂O₃、Al₂O₃和Ce₂O₃，发绿光。

更进一步地，步骤(1)的混合原料中，Al₂O₃与Y₂O₃的摩尔比值为1.67～1.70；Y₂O₃加Al₂O₃的摩尔之和与Ce₂O₃的摩尔比例为100：1；Y₂O₃加Al₂O₃的摩尔之和与SiO₂的摩尔比例为1：(0.75～1.25)。

更进一步地，步骤(1)中所述的荧光物质为掺杂铒的氧化钇，其合成的组分为Y₂O₃和Er₂O₃，发红光的。

更进一步地，步骤(1)的混合原料中，Y₂O₃与Ce₂O₃的摩尔比例为100：1；SiO₂与Y₂O₃摩尔比例为(1.25～0.75)：1。

更进一步地，步骤(2)中的急冷淬火方式为将浇铸后的模具置于浅水盘中。

更进一步地，步骤(3)中超短脉冲激光的脉冲宽度为皮秒或飞秒。

更进一步地，步骤(3)中超短脉冲激光的能量密度为10¹⁴-10²³watt/cm²。

上述的一种在玻璃内部刻图案的方法在制造指示牌、广告板和工艺美术品领域中的应用。

3.有益效果

相比于现有技术，本发明的有益效果为：

(1)本发明先制成透明玻璃，然后采用飞秒激光的方法，用细窄的激光束局部地回火，结晶析出莹光物质的微米颗粒，使得玻璃内部形成想要的图案；

(2)本发明可以根据需要调节超短脉冲激光的激光束焦点或移动激光束的平面位置；从而在玻璃内部形成二维或三维的图案，图案不是表面而是在内部，可以是在厚度的中间，也可以是在任意厚度的面，刻上任意图案，图案的点的尺寸和线宽可以小到10微米；图案可以是在两维的平面，也可存在于不同厚度的平面，造成某种三维效果；图案在含有蓝色或紫外色波长的光的照耀下，发出黄色或红色的光；这种刻有内部发光图案的玻璃，在指示牌，广告板，工艺美术品等方面可得到许多应用；

(3)本发明的莹光物质在蓝光的激发下产生黄色或红色光，蓝色，黄色，红色能组合成白色和其它颜色；莹光物质还可被紫外光激发，被紫外光激发莹光能产生魔术效应，由于紫外光不可见，在黑暗的环境下用紫外激发莹光物质，莹光物质发出的可见黄色光和红色光使人产生错觉，不知光从何来。

附图说明

图1引自现有技术，(a)急冷淬火后的玻璃，透明；(b)1500℃回火，黄色莹光物质结晶析出，均匀分布在整个基体；

图2为本发明中在玻璃内部刻图案前后的对比示意图，其中(a)为急冷淬火后的玻璃，透明；(b)为超短脉冲激光光束刻出的五星图案。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进一步进行描述。

实施例1

一种在玻璃内部刻图案的方法，具制作方法分两步，第一是制作玻璃，第二是激光刻写。

一.制作玻璃

(1)制作黄色荧光玻璃：荧光物质为掺杂铈的钇铝石榴石，yttrium aluminum garnet doped with cerium，Ce:YAG(Y₃Al₅O₁₂)，制作步骤为：将以下材料的粉末研磨混和：42.5mol％SiO₂，20mol％Y₂O₃，34mol％Al₂O₃，3mol％Li₂O和0.5mol％Ce₂O₃。以上成分中，Y₂O₃和Al₂O₃的摩尔比例应保持在3：5(3/5＝1.67)左右，或略大1.67，比如1.7。Y₂O₃加Al₂O₃的摩尔之和与Ce₂O₃的摩尔比例应保持在100：1左右。SiO₂的摩尔量与Y₂O₃加Al₂O₃的摩尔量之和的比例较为灵活，1.25：1到0.75：1之间。

将混合的原料在铂坩埚中在1650℃下熔融2小时。然后，将熔融玻璃浇铸在碳模具中，制成平板。浇铸的过程，尽可能急冷淬火，比如将碳模具置于浅水盘中。冷却后此时物质是非晶态，光学上是透明的。

(1)制作红色荧光玻璃：荧光物质为掺杂铒的氧化钇，yttrium oxide doped with erbium，Y₂O₃:Er。制作步骤为：将以下材料的粉末研磨混和：42.5mol％SiO₂，54mol％Y₂O₃，3mol％Li₂O和0.5mol％Er₂O₃。以上成分中，Y₂O₃与Ce₂O₃的摩尔比例应保持在100：1左右。SiO₂与Y₂O₃的摩尔比例较为灵活，1.25：1到0.75：1之间。

将混合的原料在铂坩埚中在1650℃下熔融2小时。然后，将熔融玻璃浇铸在碳模具中，制成平板。浇铸的过程，尽可能急冷淬火，比如将碳模具置于浅水盘中。冷却后此时物质是非晶态，光学上是透明的。

二.激光刻写

超短脉冲激光(ultrashort pulsed laser)是最近在激光加工领域的新技术。采用超短脉冲激光脉冲宽度为皮秒(pico-second,10^-12second)，甚至是飞秒(femto-second,10^-15second)。超短脉冲激光的能量密度很高，10¹⁴-10²³watt/cm²，但由于是脉冲，超短脉冲激光产生的热影响区域很小。超短脉冲激光可以聚焦在玻璃内部，在内部制备或诱导微纳结构，参考文献2(赵全忠，超短脉冲激光微纳制造：机理，工艺，应用。中国激光微纳加工技术大会，苏州，2016年9月22日)激光的光束点可以控制在10微米。用超短脉冲激光来局部热回火前面提到的玻璃，结晶析出的微米颗粒区域和激光脉冲光斑的尺寸接近。

本发明可以将激光束焦点调在玻璃板的厚层中间，然后移动激光束的平面位置，就能在玻璃中间析出相应位置的莹光物质，如图2所示，本发明在玻璃内部刻出五角星图案。如果同时变化激光束的焦点，就能产生三维分布的莹光物质。黄色莹光物质的析出条件不同于红色莹光物质，变化激光的能量改变黄色和红色莹光粉析出的数量，从而产生不同的平均颜色。所述莹光物质在蓝光的激发下产生黄色或红色光，蓝色，黄色，红色能组合成白色和其它颜色。

莹光物质还可被紫外光激发。被紫外光激发莹光能产生魔术效应。由于紫外光不可见，在黑暗的环境下用紫外激发莹光物质。莹光物质发出的可见黄色光和红色光使人产生错觉，不知光从何来。