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激光内雕工业的发展状况
发布时间:2007-09-12    来源:统计整理   阅读次数:1696 分享到:

随着社会的发展,人们的鉴赏水平有了很大的提高,水晶内雕工艺品不再是超出人们经济能力围的奢侈品,在发达国家已走进寻常百姓家。这为激光器在内雕行业中的应用带来了强大的动力。目前,水晶内雕机已经完成了由白光机向绿光机、灯泵机向半导体泵浦机;工位机向振镜机的转变,内雕的效果越来越好,内雕机的工作效率也越来越高。

对于水晶工艺品加工行业来说,激光相对于其他加工方式有着先天的优势,它能够在不损伤工件表面的情况下,对内部的特定位置进行打点加工。把激光的焦点定在水晶内部,使焦点处的能量密度刚好达到水晶爆炸点(破坏阈值),而在水晶表面及内部其他部位由于光能没有达到水晶的破坏阈值将不会造成任何损伤,再结合计算机精确方位控制,就不难在水晶内部雕出特定的三维图案。这里所说的水晶并不是真正的水晶,而是人造水晶,其实也就是含有氧化铅的玻璃,这种玻璃透光性好、亮度高、从不同方向看都是均匀透明的。但这并不是说有色玻璃就不能内雕,有色玻璃由于里面含有一些有色元素而呈现出特定的颜色,由于这些元素的存在,其对光能的吸收可能会高一些,所以光相对要弱一些,但一般来说在光强足够大的情况下能够雕刻。

早期的工位机是将水晶粘在工作平台上,由X和r 2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。然而,振镜则是通过控制光的方向,用类似于光扫描的方式来控制打点,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,其工作速度能够满足3 000 Hz以上的频率要求。各内雕机生产商已经开始在灯泵机上使用振镜,但振镜机并没有立刻取代工位机,因为聚焦镜补偿能力有限,造成其工作范围太小,使用F=100 mm的聚焦镜,其工作范围约为ф60mm。使用长焦距的聚焦镜能使雕刻范围有所增加,比如使用 F=160 mm 的聚焦镜,工作范围是ф110mm。但这又会带来其他问题:焦距太长,焦深也就长,雕出的点子就比较细长,图案在正面看没有大问题,但从侧面看,图案就显得很朦胧,不够清晰。目前内雕机生产商为了获得更好的雕刻效果,一般多采用焦距在100~110 mm的聚焦镜。同时,为了克服振镜机工作范围小的缺点,又派生出五维内雕技术。其实,所谓的五维就是用振镜结合工位机的特点,将图案分成若干块,每一块都用振镜来雕刻,完成一块后再通过电机移动到另一块。这样既能实现高速内雕,又能兼顾大幅面工作。但这样做存在拼接问题,目前的工作重点是如何才能使块与块之间拼接的非常好且看不出任何的缝隙或者重叠。
随着社会的发展,人们的鉴赏水平有了很大的提高,水晶内雕工艺品不再是超出人们经济能力围的奢侈品,在发达国家已走进寻常百姓家。这为激光器在内雕行业中的应用带来了强大的动力。目前,水晶内雕机已经完成了由白光机向绿光机、灯泵机向半导体泵浦机;工位机向振镜机的转变,内雕的效果越来越好,内雕机的工作效率也越来越高。

对于水晶工艺品加工行业来说,激光相对于其他加工方式有着先天的优势,它能够在不损伤工件表面的情况下,对内部的特定位置进行打点加工。把激光的焦点定在水晶内部,使焦点处的能量密度刚好达到水晶爆炸点(破坏阈值),而在水晶表面及内部其他部位由于光能没有达到水晶的破坏阈值将不会造成任何损伤,再结合计算机精确方位控制,就不难在水晶内部雕出特定的三维图案。这里所说的水晶并不是真正的水晶,而是人造水晶,其实也就是含有氧化铅的玻璃,这种玻璃透光性好、亮度高、从不同方向看都是均匀透明的。但这并不是说有色玻璃就不能内雕,有色玻璃由于里面含有一些有色元素而呈现出特定的颜色,由于这些元素的存在,其对光能的吸收可能会高一些,所以光相对要弱一些,但一般来说在光强足够大的情况下能够雕刻。

早期的工位机是将水晶粘在工作平台上,由X和r 2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。然而,振镜则是通过控制光的方向,用类似于光扫描的方式来控制打点,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,其工作速度能够满足3 000 Hz以上的频率要求。各内雕机生产商已经开始在灯泵机上使用振镜,但振镜机并没有立刻取代工位机,因为聚焦镜补偿能力有限,造成其工作范围太小,使用F=100 mm的聚焦镜,其工作范围约为ф60mm。使用长焦距的聚焦镜能使雕刻范围有所增加,比如使用 F=160 mm 的聚焦镜,工作范围是ф110mm。但这又会带来其他问题:焦距太长,焦深也就长,雕出的点子就比较细长,图案在正面看没有大问题,但从侧面看,图案就显得很朦胧,不够清晰。目前内雕机生产商为了获得更好的雕刻效果,一般多采用焦距在100~110 mm的聚焦镜。同时,为了克服振镜机工作范围小的缺点,又派生出五维内雕技术。其实,所谓的五维就是用振镜结合工位机的特点,将图案分成若干块,每一块都用振镜来雕刻,完成一块后再通过电机移动到另一块。这样既能实现高速内雕,又能兼顾大幅面工作。但这样做存在拼接问题,目前的工作重点是如何才能使块与块之间拼接的非常好且看不出任何的缝隙或者重叠。

采用半导体激光器,可使振镜机的高速性能得到充分发挥。最初工业用的内雕机是灯泵式白光机,内雕行业所谓的白光就是肉眼见不到的1 064 nm的红外光,这个波长的光能够用于内雕,但点子过于粗大使内雕的效果比较粗糙,因此图案的分辨率不高。后经研究发现,1 064 nm的倍频光532 nm在雕刻效果方面优于白光机,而且532 nm的绿光在可见光范围内易于调节,只是多一个倍频晶体而已。因此,在很短的时间内绿光机取代了白光机,进人了内雕加工工业。随着半导体激光器的发展和应用,灯泵机与半导体泵浦激光内雕机相比,半导体泵浦激光器的优势越来越明显,具体体现如下:

(1)灯泵机耗材多,调节麻烦。由于灯泵机的灯管需要经常清洗及更换,要通过一些旋钮来调节透镜的角度,因此经常会因为一些振动而导致激光器失调,需要经常性调节。而半导体激光器各部件一般在出厂时就已经固定好,而且LD要1~2年才更换一次,所以使用方便。

(2)灯泵机速度慢。普通的灯泵机能量低,频率只能达到200 Hz左右,理论最高速度12 000/min。要达到较高频率,只能增加灯功率,但会导致散热不足。而半导体激光器的光光转换效率高,能量高,频率能够达到几千赫兹。

(3)灯泵机体积大。由于灯泵机的光光转换效率为1%~3%,大部分能量都转化为热量,因此必须配备一个较高功率的制冷系统,即风冷系统的功率太低,远不能满足制冷需求,这样就造成灯泵机必须有一个大功率的水冷箱,因此体积比较大。

灯泵机因为成本低,所以并没有完全被淘汰,仍然可以满足低端客户的需要。但是,随着生产力水平的提高,各种原材料的价格降低,半导体激光器的成本将呈下降趋势,并将最终取代灯泵机成为市场的主流。

现阶段应用在激光内雕行业的半导体激光器主要分2类:电光调Q激光器和声光调Q激光器,它们各有优缺点。对于水晶内雕而言,电光调Q方式由于脉宽窄,峰值功率高,每个脉冲都会达到水晶的爆炸点,因此一般的玻璃(钢化玻璃除外)都能打进去,但在高频条件下电光调0不够稳定.电光调Q频率一般不超过1 000 Hz。声光调Q由于峰值功率不高,水晶有杂质部分就可能因为峰值功率达不到爆炸点而漏点。而且,就算对于纯度非常高的水晶,激光器的出光功率也不可能是百分之百稳定,必然有波动,功率较低的时候也可能打不出点,但却能在高频下稳定工作,通常3 000Hz以上的内雕机都是用声光调0激光器。如何解决电光调Q在高频下不稳定的问题,或者如何解决声光调0峰值功率不够高的问题,这都是将来工作的重点。相信在不久的将来,彩色内雕和便携式内雕机都将会实现。

采用半导体激光器,可使振镜机的高速性能得到充分发挥。最初工业用的内雕机是灯泵式白光机,内雕行业所谓的白光就是肉眼见不到的1 064 nm的红外光,这个波长的光能够用于内雕,但点子过于粗大使内雕的效果比较粗糙,因此图案的分辨率不高。后经研究发现,1 064 nm的倍频光532 nm在雕刻效果方面优于白光机,而且532 nm的绿光在可见光范围内易于调节,只是多一个倍频晶体而已。因此,在很短的时间内绿光机取代了白光机,进人了内雕加工工业。随着半导体激光器的发展和应用,灯泵机与半导体泵浦激光内雕机相比,半导体泵浦激光器的优势越来越明显,具体体现如下:

(1)灯泵机耗材多,调节麻烦。由于灯泵机的灯管需要经常清洗及更换,要通过一些旋钮来调节透镜的角度,因此经常会因为一些振动而导致激光器失调,需要经常性调节。而半导体激光器各部件一般在出厂时就已经固定好,而且LD要1~2年才更换一次,所以使用方便。

(2)灯泵机速度慢。普通的灯泵机能量低,频率只能达到200 Hz左右,理论最高速度12 000/min。要达到较高频率,只能增加灯功率,但会导致散热不足。而半导体激光器的光光转换效率高,能量高,频率能够达到几千赫兹。

(3)灯泵机体积大。由于灯泵机的光光转换效率为1%~3%,大部分能量都转化为热量,因此必须配备一个较高功率的制冷系统,即风冷系统的功率太低,远不能满足制冷需求,这样就造成灯泵机必须有一个大功率的水冷箱,因此体积比较大。

灯泵机因为成本低,所以并没有完全被淘汰,仍然可以满足低端客户的需要。但是,随着生产力水平的提高,各种原材料的价格降低,半导体激光器的成本将呈下降趋势,并将最终取代灯泵机成为市场的主流。

现阶段应用在激光内雕行业的半导体激光器主要分2类:电光调Q激光器和声光调Q激光器,它们各有优缺点。对于水晶内雕而言,电光调Q方式由于脉宽窄,峰值功率高,每个脉冲都会达到水晶的爆炸点,因此一般的玻璃(钢化玻璃除外)都能打进去,但在高频条件下电光调0不够稳定.电光调Q频率一般不超过1 000 Hz。声光调Q由于峰值功率不高,水晶有杂质部分就可能因为峰值功率达不到爆炸点而漏点。而且,就算对于纯度非常高的水晶,激光器的出光功率也不可能是百分之百稳定,必然有波动,功率较低的时候也可能打不出点,但却能在高频下稳定工作,通常3 000Hz以上的内雕机都是用声光调0激光器。如何解决电光调Q在高频下不稳定的问题,或者如何解决声光调0峰值功率不够高的问题,这都是将来工作的重点。相信在不久的将来,彩色内雕和便携式内雕机都将会实现。

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