专利名称：一种用于激光内雕的能量补偿方法
技术领域：
本发明涉及一种能量补偿方法，尤其涉及一种用于激光内雕的能量补偿 方法。
背景技术：
激光内雕技术是将脉冲强激光在透明体(如水晶、玻璃、亚克力等)内 部聚焦，产生微米量级大小的气化微裂纹，通过计算机控制微裂纹在透明体 内的空间位置，使微裂纹三维排列而构成立体图像，微裂纹是纳秒激光的基 频或倍频与透明体的非线性相互作用而产生灾变性的破坏。
激光内雕机首先通过专用点云转换软件，将二维或三维图像/人像转换 成点云图像，然后根据点的排列，通过激光控制软件控制水晶的位置和激光 的输出，在水晶处于某一特定位置时，激光内雕机中的控制器中的控制程序 控制聚焦的激光将在水晶内部打出一个个的小爆破点，大量的小爆破点就形 成了要内雕的图像/人像。
激光内雕机其中一种采用的是工位机，其是将水晶粘在工作平台上，由
X和Y2个方向的电机带动丝杠转动来使工作平台移动，Z轴的移动则由Z轴 方向的电机控制。由于这种机械移动需要带上负载，因此速度不可能太快， 致使工位机的雕刻速度一般都达不到理论最大值，远不能满足高速内雕的需 要。
另一种就是振镜激光内雕机，振镜通过控制光的方向，用类似于光扫描 的方式来控制雕刻，因此速度非常快，几乎能在接近理论最大速度的情况下 工作。
振镜激光内雕机一般包括激光器、扩束镜、振镜、F-Theta镜。振镜内 部设有马达带动振镜偏转。
振镜激光内雕机由激光器发出高能激光束，通过扩束镜扩束后，通过光 导系统传输到振镜上，在计算机控制下通过经F-Theta镜，形成一个扫描区 域。振镜激光内雕机采用振镜偏转方式控制激光的聚焦点，通过振镜的偏转 控制激光束在透明体的加工面上任意移动，通过承载透明体的工作台的上下运动控制透明体上下移动位置来达到激光束聚焦在透明体内部不同深度位 置，达到进行立体雕刻图像的目的。
振镜激光内雕机是利用振镜偏转使激光束从不同角度入射来完成整个扫 描过程，入射激光束在扫描不同区域时其入射角度不同、入射激光束经过透 明体表面接触光斑的面积不同、及入射激光束在透明体内穿透的深度不同等 因素的影响，造成能量损失程度不一致，且经实践表明相同的单脉冲能量在 扫描区域离中心不同位置，其在透明体内部产生爆破点形也不一样，且形成 越离扫描区域中心越远的地方雕刻越淡的效果，造成图案显得朦胧，不清 晰。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种在进行激光内雕时能有效进行能量 补偿的方法。
本发明是通过以下技术方案来实现的
本发明的一种用于激光内雕的能量补偿方法，
包括以下步骤
提供激光器，所述激光器设有Q开关；
估算出激光内雕时的扫描中心点所需的能量值及离扫描中心最远点所需 的能量值；
建立离扫描中心点的位移量与所需的能量值之间的位移量与所需能量的
函数关系；
将激光内雕时所需的能量转化为激光器的输出脉冲所需输出能量；
根据激光器输出脉冲的建立时间与所需输出能量的关系，建立离扫描中 心点的位移量与建立时间的函数关系；
根据离扫描中心点的位移量与建立时间的函数关系，Q开关调Q对建立 时间控制而对不同位置的扫描点进行能量补偿。
进一步，所述位移量与所需能量之间所建立的函数关系为曲线函数关系。
进一步，所述激光内雕时所需能量通过调节激光器输出的单脉冲能量进 行补偿。
进一步，所述激光内雕时所需能量通过调节激光器输出的单脉冲功率进行补偿调节。
进一步，所述激光内雕时所需能量通过Q开关调节激光器输出的脉冲频 率以及脉宽进行补偿。
进一步，所述能量补偿在入射激光束扫描中心的聚焦点光斑所在区域内 不进行补偿。
一种用于激光内雕的能量补偿方法，包括以下步骤 提供激光器，所述激光器设有Q开关；
估算出激光内雕时的扫描中心点所需的能量值及距扫描中心最远点所需 的能量值；
以扫描中心点为零点，以扫描中心点与零能量为原点，建立与扫描中心 点的位移量与所需能量为参数的二维坐标系，在坐标系中标示出扫描中心点 与所需的能量值所对应的坐标点，及离扫描中心最远点的位移量坐标与所需 的能量所对应的坐标点，将两点用光滑曲线连接，根据所连接的光滑曲线函 数建立与扫描中心点的位移量与所需能量的函数关系；
将激光内雕时所需的能量转化为激光器的输出脉冲所需输出能量；
根据激光器的输出脉冲的建立时间与所需输出能量的关系，建立离扫描 中心点的位移量与建立时间的函数关系；
根据离扫描中心点的位移量与建立时间的函数关系，Q开关调Q对不同 位置的扫描点进行能量补偿。
进一步，所述激光内雕时所需能量通过调节激光器输出的单脉冲能量进 行补偿。
进一步，所述激光内雕时所需能量通过调节激光器输出的单脉冲功率进 行补偿调节。
进一步，所述激光内雕时所需能量通过Q开关调节激光器输出的单脉冲 的脉宽频率以及脉宽进行补偿。
本发明的一种用于激光内雕的能量补偿方法，通过建立离扫描中心点的 位移量与所需的能量值之间的位移量与所需能量的函数关系；根据激光器输 出脉冲的建立时间与所需输出能量的关系，建立离扫描中心点的位移量与建 立时间的函数关系；根据离扫描中心点的位移量与所需能量的建立时间的函 数关系，通过控制程序控制Q开关调Q对建立时间进行调节控制从而对不同 位置的扫描点进行能量补偿，通过Q开关调Q改变调Q脉宽频率以及脉宽，增加单脉冲能量，方便有效对不同扫描点的能量损失进行补偿，以使在整个 扫描范围爆破点亮度达到一致性，在整个扫描范围雕刻出相对一致雕刻效 果。
具体实施例方式
本发明的一种用于激光内雕的能量补偿方法。振镜激光内雕机是利用振 镜偏转使激光束从不同角度入射来完成整个扫描过程，入射激光束在扫描不 同区域时其入射角度不同、入射激光束经过透明体表面接触光斑的面积不 同、及入射激光束在透明体内穿透的深度不同等因素的影响，造成能量损失 程度不一致。在实际操作时根据实践表明相同的单脉冲能量整个内雕过程的 能量损失规律中入射激光束的入射角度的变化起主要作用。入射角度的变化 会引起入射激光束的聚焦光斑形状、大小的变化及入射激光束穿透透明体的 距离变化等。入射角度的变化在待加工透明体上体现为不同的扫描区域。以 入射激光束垂直入射透明体为扫描起点即扫描中心区域，当入射角度发生变 化时起其扫描区域距扫描中心区域的距离发生变化即距扫描中心点的位移量 发生变化。实践表明距扫描中心越远的点，其能量的损失也越大，但由于扫 描中心的聚焦点光斑所在区域其入射激光束的入射角不变，在入射激光束扫 描中心的聚焦点光斑所在区域内不进行补偿。
由于振镜激光内雕机采用半导体激光器，可使带动振镜偏转的马达的高 速性能得到充分发挥。本实施例中激光器采用半导体激光器进行说明。
本发明的一种用于激光内雕的能量补偿方法，所提供激光器设有Q开 关，即激光器采用Q开关激光器，Q开关激光器设有Q开关，Q开关通过改 变激光腔的Q值，可以提高激光器输出功率和压縮激光脉冲宽度。激光腔的 Q值(也称腔的品质因子)是描述激光器激光腔损耗大小的量。光学损耗低 的激光腔，其Q值高。
Q值定义Q= 2 :n腔内存储的能量/每秒损失的能量 开始时使激光腔处在低Q值状态，即提高振荡阈值，使振荡不能生成， 上能级的反转粒子数就可以大量积累，当积累到最大值(饱和值)时，突然 使腔的损耗减小，Q值突增，相应地，激光振荡阈值也突然降低，激光振荡 迅速建立起来，在极短的时间内上能级的反转粒子数被消耗，转变为腔内的 光能量，在腔的输出端以单一脉冲形式将能量释放出来，于是就获得峰值功率很高的脉冲激光输出。
反转粒子从初始状态的低脉冲值达到临界值(即振荡阈值)所需的时间
Bup即建立时间。
激光腔内反转粒子数的积累数量与时间成正比，其反转粒子数的数量积 累越多其为激光腔内的光能量越多，即激光器的平均光功率与建立时间BuP 成正比，即建立时间Bup越长，输出的单脉冲的功率越高。
从而Q开关调Q对单脉冲的脉宽频率以及脉宽的调节是通过控制激光腔 内能量的积累时间进行的。从而通过调Q能使激光器输出功率按一定程序规 律进行提高，激光脉冲宽度按一定程序规律进行压縮。
Q开关调Q就是通过一定的方法使腔的Q值随时间按一定程序变化，从 而对激光腔内能量的积累时间(即反转粒子数的积累时间)按一定的程序进 行调节控制。
本发明的一种用于激光内雕的能量补偿方法，是将激光内雕时所需能量 通过调节激光器输出的单脉冲能量进行补偿，进一步将单脉冲能量转化成单 脉冲功率进行补偿调节。本发明通过Q开关调Q调节激光器输出的脉冲频率 以及脉宽，以增加单脉冲能量，以使在整个扫描范围爆破点亮度达到一致 性。由于扫描中心的聚焦点光斑所在区域其入射激光束的入射角不变，其与 扫描中心点的能量损失大致一样，所以在入射激光束扫描中心的聚焦点光斑 所在区域内不进行补偿。
本发明的一种用于激光内雕的能量补偿方法，首先估算出激光内雕时的 扫描中心点所需的能量值及离扫描中心最大位移量的点所需的能量值；
根据扫描中心点所需的能量值及离扫描中心最大位移量的点所需的能量 值建立离扫描中心点的位移量与所需的能量值之间的位移量与所需能量的曲 线函数关系；此曲线函数可以为正、余弦三角函数，对数函数及抛物线函 数、双曲线函数等。
将激光内雕时所需的能量转化为所需激光器输出脉冲输出能量；
根据激光器输出脉冲的建立时间与所需输出能量的关系，建立离扫描中 心点的位移量与建立时间的函数关系；
将距扫描中心点的位移量与建立时间的函数关系，输入到激光内雕机的 控制器的控制程序中，由控制程序控制Q开关调Q对不同位置的扫描点进行 能量补偿。本发明的一种用于激光内雕的能量补偿方法，也可通过如下方式实现 估算出激光内雕时的扫描中心点所需的能量值及距扫描中心最大位移量
的点所需的能量值；
以扫描中心点为零点，以扫描中心点与零能量为原点，建立距扫描中心
点的位移量与相应位移量的所需能量为参数的二维坐标系，标示出扫描中心 点与相应点所需的能量值在坐标系中对应的坐标点及离扫描中心最大位移量
的点与相应点所需能量在坐标系中对应的坐标点，用光滑曲线连接两点，根 据光滑曲线的函数建立与扫描中心点的位移量与相应位移量的点所需能量的 函数关系；
将激光内雕时所需的能量转化为激光器的输出脉冲所需输出能量； 根据激光器的输出脉冲的建立时间与所需输出能量的关系，建立离扫描
中心点的位移量与建立时间的函数关系；
将距扫描中心点的位移量与建立时间的函数关系，输入到激光内雕机的
控制器的控制程序中，由控制程序控制Q开关调Q对不同位置的扫描点进行
能量补偿。
本实施例中采用余弦函数作为控制程序中作为能量补偿的函数关系，本 发明的一种用于激光内雕的能量补偿方法
首先估算出激光内雕时的扫描中心点所需的能量值及离扫描中心最大位 移量的点所需的能量值；本实施例中离扫描中心最大位移量的点为振镜的有 效扫描范围内离扫描中心最大位移量的点。
根据扫描中心点所需的能量值及离扫描中心最大位移量的点所需的能量 值建立离扫描中心点的位移量与所需的能量值之间的位移量与所需能量余弦 函数关系式；
将激光内雕时所需的能量转化为所需激光器输出脉冲输出能量； 根据激光器输出脉冲的建立时间与所需输出能量的关系，建立距扫描中
心点的位移量与建立时间的余弦函数关系式；
将距扫描中心点的位移量与建立时间的余弦函数关系式，输入到激光内
雕机的控制器的控制程序中，由控制程序控制Q开关调Q对不同位置的扫描
点进行能量补偿。
作为本发明的一个实施例所建立能量补偿的距扫描中心点的位移量与建 立时间的余弦函数关系式可如下表达扫描中心点(或扫描中心区域)所需的能量的建立时间为T1; 距扫描中心最大位移量的点所需的能量的建立时间为T2; 近似认为扫描中心区域的半径为r的圆形区域；
距扫描中心最大位移量的点距扫描中心点的位移量(即半径)为R;
所建立能量补偿规律由的距扫描中心点的位移量与建立时间的余弦函
数关系式表达为激光内雕时入射激光束所在加工点所需能量的建立时间
T= T1+{1+C0S[(1—r/R) X n ]} X (T2—Tl) / 2
以上所述之具体实施方式
为本发明的较佳实施方式，并非以此限定本发 明的具体实施范围，凡依照本发明之形状、结构、方法所作的等效变化均在 本发明的保护范围内。
权利要求
1. 一种用于激光内雕的能量补偿方法，其特征在于，包括以下步骤提供激光器，所述激光器设有Q开关；估算出激光内雕时的扫描中心点所需的能量值及离扫描中心最大位移量的点所需的能量值；建立离扫描中心点的位移量与所需的能量值之间的位移量与所需能量的函数关系；将激光内雕时所需的能量转化为所需激光器输出脉冲输出能量；根据激光器输出脉冲的建立时间与所需输出能量的关系，建立离扫描中心点的位移量与建立时间的函数关系；根据离扫描中心点的位移量与建立时间的函数关系，Q开关调Q对不同位置的扫描点进行能量补偿。
2. 根据权利要求1所述的一种用于激光内雕的能量补偿方法，其特征在 于所述位移量与所需能量之间所建立的函数关系为曲线函数关系。
3. 根据权利要求1所述的一种用于激光内雕的能量补偿方法，其特征在 于所述激光内雕时所需能量通过调节激光器输出的单脉冲能量进行补偿。
4. 根据权利要求1所述的一种用于激光内雕的能量补偿方法，其特征在 于所述激光内雕时所需能量通过调节激光器输出的单脉冲功率进行补偿调 节。
5. 根据权利要求1所述的一种用于激光内雕的能量补偿方法，其特征在 于所述激光内雕时所需能量通过Q开关调节激光器输出的脉冲频率以及脉宽进行补偿。
6. 根据权利要求1所述的一种用于激光内雕的能量补偿方法，其特征在 于所述能量补偿在入射激光束扫描中心的聚焦点光斑所在区域内不进行补 偿。
7. —种用于激光内雕的能量补偿方法，其特征在于，包括以下步骤-提供激光器，所述激光器设有Q开关；估算出激光内雕时的扫描中心点所需的能量值及距扫描中心最大位移量 的点所需的能量值；以扫描中心点为零点，以扫描中心点与零能量为原点，建立距扫描中心点的位移量与相应位移量的所需能量为参数的二维坐标系，标示出扫描中心 点与相应点所需的能量值在坐标系中对应的坐标点及离扫描中心最大位移量的点与相应点所需能量在坐标系中对应的坐标点，用光滑曲线连接两点，根 据光滑曲线的函数建立与扫描中心点的位移量与相应位移量的点所需能量的函数关系；将激光内雕时所需的能量转化为激光器的输出脉冲所需输出能量； 根据激光器的输出脉冲的建立时间与所需输出能量的关系，建立离扫描中心点的位移量与建立时间的函数关系；根据离扫描中心点的位移量与建立时间的函数关系，Q开关调Q对不同位置的扫描点进行能量补偿。
8. 根据权利要求7所述的一种用于激光内雕的能量补偿方法，其特征在 于所述激光内雕时所需能量通过调节激光器输出的单脉冲能量进行补偿。
9. 根据权利要求7所述的一种用于激光内雕的能量补偿方法，其特征在 于所述激光内雕时所需能量通过调节激光器输出的单脉冲功率进行补偿调
10.根据权利要求7所述的一种用于激光内雕的能量补偿方法，其特征 在于所述激光内雕时所需能量通过Q开关调节激光器输出的单脉冲的脉宽频率以及脉宽进行补偿。
全文摘要
本发明是关于一种用于激光内雕的能量补偿方法，包括以下步骤提供设有Q开关的激光器；算出激光内雕时的扫描中心点所需的能量值及离扫描中心最远点所需的能量值；建立离扫描中心点的位移量与所需的能量值之间的位移量与所需能量的函数关系；根据激光器输出脉冲的建立时间与所需输出能量的关系，建立离扫描中心点的位移量与建立时间的函数关系；根据离扫描中心点的位移量与建立时间的函数关系，Q开关调Q对建立时间控制而对不同位置的扫描点进行能量补偿；通过Q开关调Q改变调Q脉宽频率以及脉宽，增加单脉冲能量，方便有效对不同扫描点的能量损失进行补偿，使整个扫描范围爆破点亮度达到一致，在整个扫描范围雕刻出相对一致雕刻效果。
文档编号B44B1/00GK101428521SQ20081021707
公开日2009年5月13日 申请日期2008年10月24日 优先权日2008年10月24日
发明者林金明, 毅 汤 申请人:深圳市泛友科技有限公司