本實用新型屬于加工領(lǐng)域，涉及一種利用激光對透明有機塑料進行內(nèi)部雕刻的裝置。

背景技術(shù)：

目前，利用波長為532nm的脈沖激光對石英玻璃等玻璃類材料進行內(nèi)雕已經(jīng)被廣泛的應用在三維圖像顯示、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，價格也相對昂貴，在如導光板、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)應用中也難以發(fā)揮透明材料內(nèi)雕的優(yōu)點。

有機透明塑料如亞克力(PMMA)、聚丙烯塑料(PC)、聚對苯二甲酸(PET) 等在包裝、顯示和構(gòu)造件等方面有十分重要的用途，但有機塑料的內(nèi)部加工(內(nèi)雕) 一直沒有適合工業(yè)化應用的解決方案。在透明材料內(nèi)部實現(xiàn)內(nèi)雕加工，對激光束有兩個方面的要求，一個要求是激光束必須可以深入到透明材料內(nèi)部，另一個要求是在特定位置，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，實現(xiàn)所謂的內(nèi)雕。一般有兩種基本途徑可以改變有機透明塑料的折射率，一種方法利用強光場，使有機塑料的瞬間氣化，從而產(chǎn)生空洞，形成內(nèi)雕的效果。但由于強光場的產(chǎn)生依賴于飛秒激光器，但飛秒激光器的價格昂貴、結(jié)構(gòu)復雜和維護困難，短時間內(nèi)還難以被大面積的推廣應用，這種方法目前還只是在實驗室中使用；另一種是利用加熱的辦法，使透明塑料重新凝結(jié)，由應力結(jié)構(gòu)導致的凝結(jié)區(qū)與周圍的塑料會產(chǎn)生折射率差異。對于依賴熱效應進行加工的有機塑料來說，目前常用激光器的輸出波長一般在1微米附近，例如Nd:YAG激光器或者摻鐿光纖激光器，有機透明塑料對其吸收很少，無法直接加工，而CO₂激光器的輸出波長在10微米附近，有機透明塑料對其吸收過大，只能用在有機塑料的表面加工。

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

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型所要解決的技術(shù)問題是提供一種透明塑料內(nèi)雕裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)對有機塑料的內(nèi)部雕刻。

本實用新型為解決上述技術(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塑料樣品8的平移臺9，計算機控制系統(tǒng)5以及受控于計算機控制系統(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對激光光束進行聚焦控制，最后作用于透明有機塑料樣品8上實現(xiàn)透明塑料的內(nèi)雕。

進一步的，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。

進一步的，所述分光系統(tǒng)2前還設置有準直系統(tǒng)，所述準直系統(tǒng)包括從左至右依次設置的半月透鏡21和凸透鏡22，所述凸透鏡22前后表面分別鍍有增透膜。

進一步的，所述分光系統(tǒng)2包括平行設置的第一棱鏡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。

進一步的，所述第一棱鏡23的前表面鍍有對激光波長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的全反膜。

進一步的，所述調(diào)焦系統(tǒng)3由三個以上的光學透鏡組成或由可變焦透鏡組成或由可變焦反射鏡組成。

進一步的，所述光束掃描系統(tǒng)4包括兩組正交的第一轉(zhuǎn)動反射鏡振鏡41和第二轉(zhuǎn)動反射鏡振鏡42、F-theta鏡43和伺服控制卡44。

本實用新型對比現(xiàn)有技術(shù)有如下的有益效果：本實用新型提供的透明塑料內(nèi)雕裝置,通過激光器產(chǎn)生2微米左右的激光，可以對透明塑料進行內(nèi)部雕刻；并且通過調(diào)焦系統(tǒng)和光束掃描系統(tǒng)，實現(xiàn)對焦距的精確控制，保證聚焦光斑的尺寸和形狀不會發(fā)生嚴重變形。

附圖說明

圖1為本實用新型透明塑料內(nèi)雕系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本實用新型透明塑料內(nèi)雕系統(tǒng)中準直系統(tǒng)和分光系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本實用新型透明塑料內(nèi)雕系統(tǒng)中光束掃描系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本實用新型激光內(nèi)雕的溫度變化圖；

圖5為本實用新型優(yōu)選實施例一的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

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

圖7為本實用新型優(yōu)選實施例二的整體結(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)動反射鏡振鏡 42：第二轉(zhuǎn)動反射鏡振鏡

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

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

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本實用新型作進一步詳細說明。

在透明材料內(nèi)部實現(xiàn)內(nèi)雕加工，對激光束有兩個方面的要求，一個要求是激光束必須可以深入到透明材料內(nèi)部，另一個要求是在特定位置，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，實現(xiàn)所謂的內(nèi)雕。一般有兩種基本途徑可以改變有機透明塑料的折射率，一種方法利用強光場，使有機塑料的瞬間氣化，從而產(chǎn)生空洞，形成內(nèi)雕的效果。但由于強光場的產(chǎn)生依賴于飛秒激光器，這種方法目前還只是在實驗室中使用。另一種是利用加熱的辦法，使透明塑料重新凝結(jié)，由應力結(jié)構(gòu)導致的凝結(jié)區(qū)與周圍的塑料會產(chǎn)生折射率差異。

對于依賴熱效應進行加工的有機塑料來說，選擇合適的激光波長成為一個重要的步驟。目前常用激光器的輸出波長一般在1微米(Nd:YAG激光器或者摻鐿光纖激光器)附近，有機透明塑料對其吸收很少，無法直接加工，而CO₂激光器的輸出波長在10微米附近，有機透明塑料對其吸收很大，只能用在有機塑料的表面加工。

根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，波長過小會導致有機透明塑料對波長的吸收很少，無法進行加工；波長過大會導致有機透明塑料對波長的吸收過大，只能用于有機塑料的表面加工，因此，選擇合適的激光波長是一個至關(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，其輸出波長在2微米附近，大多數(shù)在1.9微米～2.1微米之間，對于加工有機透明塑料是一個非常合適的選擇。以有機玻璃(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微米波長的激光束穿過2mm厚的有機玻璃，大約被吸收20％左右，因此可以用作對有機玻璃進行內(nèi)雕。

在選取了合適的激光波長后，仍需要解決在不影響到周邊塑料性質(zhì)的情況下，在指定的位置對有機透明塑料加熱的問題。本實用新型采用多光束(光束數(shù)N)聚焦的方法，使得在焦點匯合處的光強是單一路徑中激光束的光強的N倍，當激光的光強所導致的塑料溫度高于塑料的玻璃相變點時(對于亞克力塑料，玻璃相變點的溫度是104℃)，塑料就會熔化。當關(guān)斷激光后，塑料再重新凝結(jié)，形成折射率差異點，實現(xiàn)對有機透明塑料的內(nèi)雕。由于單一光束的路徑上的光強只有焦點處光強的 1/N，其所引起的溫度小于塑料的玻璃相變點，不會對透明塑料產(chǎn)生影響，從而在非指定位置仍然保持塑料的透明特性。

本實用新型提供的透明塑料內(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塑料樣品8的平移臺9、分光系統(tǒng)2、計算機控制系統(tǒng)5以及受控于計算機控制系統(tǒng)5的激光器1、調(diào)焦系統(tǒng)3、光束掃描系統(tǒng)4，計算機控制系統(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，實現(xiàn)對激光器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前還可設置準直系統(tǒng)，分光準直系統(tǒng)包括從左至右依次設置的半月透鏡21、凸透鏡22和棱鏡；在實際使用中，凸透鏡22前后表面可分別鍍有對2微米波長激光的增透膜，在本優(yōu)選實施例中，棱鏡23為平行設置的兩個棱鏡，第一棱鏡23的前表面鍍有激光波長的反射膜，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的全反膜。

調(diào)焦系統(tǒng)在常規(guī)設計中通常由三個以上的光學透鏡組成，或者由可變焦透鏡 (或反射鏡)組成，可以實現(xiàn)對激光束聚焦條件和聚焦點位置的控制。

如圖3所示，光束掃描系統(tǒng)4包括兩組正交的第一轉(zhuǎn)動反射鏡振鏡41和第二轉(zhuǎn)動反射鏡振鏡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。光束掃描系統(tǒng)可以實現(xiàn)對入射光束在X，Y軸兩個方面以較大角度進行掃描，即使在掃描角度很大時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發(fā)生嚴重變形。

本實用新型提供的裝置進行內(nèi)雕的過程如下：激光器1輸出波長為1.9微米～2.1 微米的激光，輸出的激光束經(jīng)準直系統(tǒng)準直后，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，其中一個子光束向下方被反射出去，另一個子光束經(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入到調(diào)焦系統(tǒng)3和光束掃描系統(tǒng)4，實現(xiàn)對激光束聚焦條件和聚焦點位置的控制，在掃描平面形成均勻的聚焦點。兩束激光束最后匯聚并聚焦于透明有機塑料樣品8上的指定位置。激光束將聚焦點附近的極小范圍內(nèi)的有機塑料加溫到其玻璃相變點，開始融化。這時關(guān)斷激光或通過光束掃描系統(tǒng)4將光束移動到下一個位置。該指定位置的有機塑料開始降溫，由于聚焦點周圍的有機塑料沒有達到玻璃相變點，不會融化，因此由于應力的原因，重新凝結(jié)的有機塑料的結(jié)晶方向等微觀結(jié)構(gòu)不同于周圍的有機塑料，導致其折射率的不同，產(chǎn)生內(nèi)雕的效果。

有機塑料內(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，在激光焦點處透明塑料被加熱，開始融化，當透明塑料達到了玻璃相變點，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)生由應力引起的折射率變化點，形成內(nèi)雕效果。

該內(nèi)雕裝置還可包括其他輔助設施如制冷水箱6、激光防護裝置、照明裝置等組成。其他的輔助設備主要用于確保整個裝置可以安全可靠的運行，對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，激光防護裝置用于保護操作人員的安全，照明裝置用于觀測加工效果等。

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

實施例一

本優(yōu)選實施例一的整體結(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入到分光系統(tǒng)2中。分光系統(tǒng)2由一對鍍有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，本實施例間距優(yōu)選為17mm。

兩束平行激光進入調(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片透鏡的相對距離，可以改變平行激光的發(fā)散角，從而實現(xiàn)對焦距的精確控制。

如圖6所示，光束掃描系統(tǒng)4由兩組正交的轉(zhuǎn)動反射鏡即第一轉(zhuǎn)動反射鏡振鏡 41和第二轉(zhuǎn)動反射鏡振鏡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2微米波長波長激光和指示光的高反光學膜，F(xiàn)-theta 鏡43的鏡片上鍍有對2微米波長激光和指示光的增透光學膜。

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

實施例二

本優(yōu)選實施例二的整體結(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，脈沖重復率10～30kHz可調(diào)，脈沖寬度為 30ns，激光的輸出波長為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輸出的光束進入到準直分光系統(tǒng)2中。分光系統(tǒng)2的結(jié)構(gòu)與圖2相同，由一對準直透鏡和一對鍍膜石英棱鏡組成。經(jīng)過準直分光系統(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。

兩束平行激光進入調(diào)焦系統(tǒng)3，調(diào)焦系統(tǒng)由一對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，從而實現(xiàn)對焦距的精確控制。

光束掃描系統(tǒng)4由兩組正交的轉(zhuǎn)動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2微米波長波長激光和指示光的高反光學膜，F(xiàn)-theta鏡43的鏡片上鍍有對2 微米波長激光和指示光的增透光學膜。

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

實施例三

本優(yōu)選實施例三，與實施例二基本相同，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，脈沖重復率100～500Hz可調(diào)，脈沖寬度為100us，激光的輸出波長為2100nm，輸出激光的光束直徑為3mm。其他參數(shù)與實施例二相同。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型的優(yōu)點在于：實現(xiàn)了有機透明塑料的激光內(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)化應用的需求。

雖然本實用新型已以較佳實施例揭示如上，然其并非用以限定本實用新型，任何本領(lǐng)域技術(shù)人員，在不脫離本實用新型的精神和范圍內(nèi)，當可作些許的修改和完善，因此本實用新型的保護范圍當以權(quán)利要求書所界定的為準。