一种透明塑料内雕装置的制作方法

本实用新型属于加工领域，涉及一种利用激光对透明有机塑料进行内部雕刻的装置。

背景技术：

目前，利用波长为532nm的脉冲激光对石英玻璃等玻璃类材料进行内雕已经被广泛的应用在三维图像显示、灯光照明和高档装饰品等领域。由于玻璃类材质的质地较脆，价格也相对昂贵，在如导光板、薄型材料以及需要弯折的器件等很多领域中无法使用，在工业应用中也难以发挥透明材料内雕的优点。

有机透明塑料如亚克力(PMMA)、聚丙烯塑料(PC)、聚对苯二甲酸(PET) 等在包装、显示和构造件等方面有十分重要的用途，但有机塑料的内部加工(内雕) 一直没有适合工业化应用的解决方案。在透明材料内部实现内雕加工，对激光束有两个方面的要求，一个要求是激光束必须可以深入到透明材料内部，另一个要求是在特定位置，激光束可以和透明材料产生相互作用，改变透明材料的折射率，实现所谓的内雕。一般有两种基本途径可以改变有机透明塑料的折射率，一种方法利用强光场，使有机塑料的瞬间气化，从而产生空洞，形成内雕的效果。但由于强光场的产生依赖于飞秒激光器，但飞秒激光器的价格昂贵、结构复杂和维护困难，短时间内还难以被大面积的推广应用，这种方法目前还只是在实验室中使用；另一种是利用加热的办法，使透明塑料重新凝结，由应力结构导致的凝结区与周围的塑料会产生折射率差异。对于依赖热效应进行加工的有机塑料来说，目前常用激光器的输出波长一般在1微米附近，例如Nd:YAG激光器或者掺镱光纤激光器，有机透明塑料对其吸收很少，无法直接加工，而CO₂激光器的输出波长在10微米附近，有机透明塑料对其吸收过大，只能用在有机塑料的表面加工。

因此，针对现有使用的壳体的不足之处，有必要提供一种可以实现有机透明塑料内部雕刻的加工装置。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种透明塑料内雕装置，能够实现对有机塑料的内部雕刻。

本实用新型为解决上述技术问题而采用的技术方案是提供一种透明塑料内雕装置，包括用于承载透明有机塑料样品8的平移台9，计算机控制系统5以及受控于计算机控制系统5的激光器1、调焦系统3、光束扫描系统4，其特征在于，所述激光器1产生的激光的波长为1.9微米～2.1微米，沿激光光束出射方向，依次排布分光系统2、调焦系统3、光束扫描系统4，激光光束经分光系统2分光后通过调焦系统3和光束扫描系统4对激光光束进行聚焦控制，最后作用于透明有机塑料样品8上实现透明塑料的内雕。

进一步的，所述激光器1为连续掺铥光纤激光器或者脉冲掺铥光纤激光器。

进一步的，所述分光系统2前还设置有准直系统，所述准直系统包括从左至右依次设置的半月透镜21和凸透镜22，所述凸透镜22前后表面分别镀有增透膜。

进一步的，所述分光系统2包括平行设置的第一棱镜23和第二棱镜24，所述第一棱镜23和第二棱镜24的前表面分别镀有反射膜。

进一步的，所述第一棱镜23的前表面镀有对激光波长50％反射率的反射膜，所述第二棱镜24的前表面镀有激光波长的全反膜。

进一步的，所述调焦系统3由三个以上的光学透镜组成或由可变焦透镜组成或由可变焦反射镜组成。

进一步的，所述光束扫描系统4包括两组正交的第一转动反射镜振镜41和第二转动反射镜振镜42、F-theta镜43和伺服控制卡44。

本实用新型对比现有技术有如下的有益效果：本实用新型提供的透明塑料内雕装置,通过激光器产生2微米左右的激光，可以对透明塑料进行内部雕刻；并且通过调焦系统和光束扫描系统，实现对焦距的精确控制，保证聚焦光斑的尺寸和形状不会发生严重变形。

附图说明

图1为本实用新型透明塑料内雕系统的整体结构示意图；

图2为本实用新型透明塑料内雕系统中准直系统和分光系统的结构示意图；

图3为本实用新型透明塑料内雕系统中光束扫描系统的结构示意图；

图4为本实用新型激光内雕的温度变化图；

图5为本实用新型优选实施例一的整体结构示意图；

图6为图5实施例一中的光束扫描系统结构示意图；

图7为本实用新型优选实施例二的整体结构示意图。

图中：

1:激光器 2:分光系统 21：半月透镜 22：凸透镜

23：第一棱镜 24：第二棱镜 3:调焦系统 31：第一凸透镜

32：凹凸透镜 33：第二凸透镜 34：凹面反射镜 35：凸面反射镜

4:光束扫描系统 41：第一转动反射镜振镜 42：第二转动反射镜振镜

43：F-theta镜 44：伺服控制卡 45：指示激光 5:计算机控制系统

6:制冷水箱 7:集成数据线 8:透明有机塑料样品 9:平移台

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步详细说明。

在透明材料内部实现内雕加工，对激光束有两个方面的要求，一个要求是激光束必须可以深入到透明材料内部，另一个要求是在特定位置，激光束可以和透明材料产生相互作用，改变透明材料的折射率，实现所谓的内雕。一般有两种基本途径可以改变有机透明塑料的折射率，一种方法利用强光场，使有机塑料的瞬间气化，从而产生空洞，形成内雕的效果。但由于强光场的产生依赖于飞秒激光器，这种方法目前还只是在实验室中使用。另一种是利用加热的办法，使透明塑料重新凝结，由应力结构导致的凝结区与周围的塑料会产生折射率差异。

对于依赖热效应进行加工的有机塑料来说，选择合适的激光波长成为一个重要的步骤。目前常用激光器的输出波长一般在1微米(Nd:YAG激光器或者掺镱光纤激光器)附近，有机透明塑料对其吸收很少，无法直接加工，而CO₂激光器的输出波长在10微米附近，有机透明塑料对其吸收很大，只能用在有机塑料的表面加工。

根据现有技术中存在的问题，波长过小会导致有机透明塑料对波长的吸收很少，无法进行加工；波长过大会导致有机透明塑料对波长的吸收过大，只能用于有机塑料的表面加工，因此，选择合适的激光波长是一个至关重要的步骤。基于掺铥激光介质的激光器，包括光纤激光器和固体激光器，其输出波长在2微米附近，大多数在1.9微米～2.1微米之间，对于加工有机透明塑料是一个非常合适的选择。以有机玻璃(亚克力或PMMA)为例，在2微米波段其吸收系数一般在1.0/mm左右。 2微米波长的激光束穿过2mm厚的有机玻璃，大约被吸收20％左右，因此可以用作对有机玻璃进行内雕。

在选取了合适的激光波长后，仍需要解决在不影响到周边塑料性质的情况下，在指定的位置对有机透明塑料加热的问题。本实用新型采用多光束(光束数N)聚焦的方法，使得在焦点汇合处的光强是单一路径中激光束的光强的N倍，当激光的光强所导致的塑料温度高于塑料的玻璃相变点时(对于亚克力塑料，玻璃相变点的温度是104℃)，塑料就会熔化。当关断激光后，塑料再重新凝结，形成折射率差异点，实现对有机透明塑料的内雕。由于单一光束的路径上的光强只有焦点处光强的 1/N，其所引起的温度小于塑料的玻璃相变点，不会对透明塑料产生影响，从而在非指定位置仍然保持塑料的透明特性。

本实用新型提供的透明塑料内雕装置的具体结构示意图，如图1所示，包括用于承载透明有机塑料样品8的平移台9、分光系统2、计算机控制系统5以及受控于计算机控制系统5的激光器1、调焦系统3、光束扫描系统4，计算机控制系统5 通过集成数据线7与激光器1、调焦系统3、光束扫描系统4联接，实现对激光器1、调焦系统3与光束扫描系统4的同步，并且可以调节激光器1的输出平均功率。

如图2所示，分光系统2前还可设置准直系统，分光准直系统包括从左至右依次设置的半月透镜21、凸透镜22和棱镜；在实际使用中，凸透镜22前后表面可分别镀有对2微米波长激光的增透膜，在本优选实施例中，棱镜23为平行设置的两个棱镜，第一棱镜23的前表面镀有激光波长的反射膜，该反射膜的反射率可优选为50％，第二棱镜24的前表面镀有激光波长的全反膜。

调焦系统在常规设计中通常由三个以上的光学透镜组成，或者由可变焦透镜 (或反射镜)组成，可以实现对激光束聚焦条件和聚焦点位置的控制。

如图3所示，光束扫描系统4包括两组正交的第一转动反射镜振镜41和第二转动反射镜振镜42、F-theta镜43和伺服控制卡44；F-theta镜由大口径、宽扫描范围的聚焦透镜组成，可以在扫描平面内形成均匀的聚焦点。光束扫描系统可以实现对入射光束在X，Y轴两个方面以较大角度进行扫描，即使在扫描角度很大时仍然能在同样的平面保持良好的聚焦，因此聚焦光斑的尺寸和形状不会发生严重变形。

本实用新型提供的装置进行内雕的过程如下：激光器1输出波长为1.9微米～2.1 微米的激光，输出的激光束经准直系统准直后，再经过第一棱镜23和第二棱镜24 后分成两束功率相等的子光束，其中一个子光束向下方被反射出去，另一个子光束经过第二棱镜24后，也向下方被反射出去，这两束激光的传播方向相同且平行，但相距有一定的间隔，光束之间没有重合的部分。由分光系统2传出来的两束激光再依次进入到调焦系统3和光束扫描系统4，实现对激光束聚焦条件和聚焦点位置的控制，在扫描平面形成均匀的聚焦点。两束激光束最后汇聚并聚焦于透明有机塑料样品8上的指定位置。激光束将聚焦点附近的极小范围内的有机塑料加温到其玻璃相变点，开始融化。这时关断激光或通过光束扫描系统4将光束移动到下一个位置。该指定位置的有机塑料开始降温，由于聚焦点周围的有机塑料没有达到玻璃相变点，不会融化，因此由于应力的原因，重新凝结的有机塑料的结晶方向等微观结构不同于周围的有机塑料，导致其折射率的不同，产生内雕的效果。

有机塑料内部的相变过程如图4所示。初始阶段，激光开启，塑料内部的温度迅速上升，在激光焦点处透明塑料被加热，开始融化，当透明塑料达到了玻璃相变点，关断激光，塑料内部的温度开始下降，逐渐下降到室温，透明塑料重新凝固，产生由应力引起的折射率变化点，形成内雕效果。

该内雕装置还可包括其他辅助设施如制冷水箱6、激光防护装置、照明装置等组成。其他的辅助设备主要用于确保整个装置可以安全可靠的运行，对于有些固体或光纤激光器需要制冷水箱6保持工作温度恒定，激光防护装置用于保护操作人员的安全，照明装置用于观测加工效果等。

以下举出三个具体的实施例，以便本领域技术人员更好地理解该技术方案。

实施例一

本优选实施例一的整体结构示意图如图5所示，激光器1可优选为连续掺铥光纤激光器，它的最高输出功率为100W，最高可调制频率为5kHz，激光输出波长为 1940nm，激光输出平行光，输出光束直径为7mm。由激光器输出的光束进入到分光系统2中。分光系统2由一对镀有50％反射率的反射膜的石英棱镜组成。经过分光系统后，激光束被分为两束功率相等的激光束，光束中心之间的间距要足够大，使得两束平行光不相互重叠，本实施例间距优选为17mm。

两束平行激光进入调焦系统3，如图5所示，调焦系统3由第一凸透镜31、凹凸透镜32和第二凸透镜33组成，这三片透镜的焦距由红外级融石英制成，第一凸透镜31的焦距可优选为150mm、凹凸透镜32的焦距优选为300mm、第二凸透镜 33的焦距优选为450mm；第一凸透镜31与凹凸透镜32相距5mm，凹凸透镜32 与第二凸透镜33相距3mm。改变这3片透镜的相对距离，可以改变平行激光的发散角，从而实现对焦距的精确控制。

如图6所示，光束扫描系统4由两组正交的转动反射镜即第一转动反射镜振镜 41和第二转动反射镜振镜42以及F-theta镜43和伺服控制卡44组成，在光束扫描系统内可以增加一个用于指示的红色指示激光45。第一反射镜振镜41和第二反射镜振镜42的镜片上的镀有对2微米波长波长激光和指示光的高反光学膜，F-theta 镜43的镜片上镀有对2微米波长激光和指示光的增透光学膜。

将透明有机塑料的样品8放置在平移台9上，可以前后移动，以实现对透明有机塑料的三维内雕。计算机控制系统5通过集成数据线7对激光器1、调焦系统2、光束扫描系统4以及二维平移台9进行控制，保持它们之间的同步，同时控制激光器的开关时间，确保在塑料的焦点处中注入合适的能量，恰好使塑料处于玻璃相变点；然后，关断激光，融化的塑料重新凝固，形成应力点，实现对塑料的内雕。

实施例二

本优选实施例二的整体结构示意图如图7所示，激光器1可优选为脉冲掺铥光纤激光器，激光器输出平均功率10W，脉冲重复率10～30kHz可调，脉冲宽度为 30ns，激光的输出波长为1980nm，激光输出发散光，输出发散角的数值孔径NA为0.1。由激光器1输出的光束进入到准直分光系统2中。分光系统2的结构与图2相同，由一对准直透镜和一对镀膜石英棱镜组成。经过准直分光系统2后，激光束被分为两束功率相等的、平行传输的激光束，输出光束直径为7mm，光束中心之间的间距为17mm。

两束平行激光进入调焦系统3，调焦系统由一对可变曲率的旁轴凹面反射镜34 和凸面反射镜35组成，其中的凸面反射镜35的曲率通过反射镜后部的水压来调节，调节范围可以由R＝200～220mm，变化精度<0.1mm；改变这凸面反射镜的曲率，可以改变平行激光的发散角，从而实现对焦距的精确控制。

光束扫描系统4由两组正交的转动反射镜即第一反射镜振镜41和第二反射镜振镜42以及F-theta镜43和伺服控制卡44组成，在光束扫描系统内可以增加一个用于指示的红色指示激光45。第一反射镜振镜41和第二反射镜振镜42的镜片上的镀有对2微米波长波长激光和指示光的高反光学膜，F-theta镜43的镜片上镀有对2 微米波长激光和指示光的增透光学膜。

将透明有机塑料的样品8放置在平移台9上，可以前后移动，以实现对透明有机塑料的三维内雕。计算机控制系统5通过集成数据线7对激光器1、调焦系统2、光束扫描系统4以及二维平移台9进行控制，保持它们之间的同步，同时控制激光器的开关时间，确保在塑料的焦点处中注入合适的能量，恰好使塑料处于玻璃相变点；然后，关断激光，融化的塑料重新凝固，形成应力点，实现对塑料的内雕。

实施例三

本优选实施例三，与实施例二基本相同，差别在于使用的激光器1优选为脉冲掺钬固体激光器，激光器输出平均功率10W，脉冲重复率100～500Hz可调，脉冲宽度为100us，激光的输出波长为2100nm，输出激光的光束直径为3mm。其他参数与实施例二相同。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于：实现了有机透明塑料的激光内雕，降低了透明材料内雕的加工成本，可实现柔性材料和薄型材料上激光内雕，满足了激光内雕大规范工业化应用的需求。

虽然本实用新型已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本实用新型，任何本领域技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本实用新型的保护范围当以权利要求书所界定的为准。