一種透明塑料內雕裝置的製作方法
2023-08-12 10:03:36
本實用新型屬於加工領域，涉及一種利用雷射對透明有機塑料進行內部雕刻的裝置。
背景技術：
目前，利用波長為532nm的脈衝雷射對石英玻璃等玻璃類材料進行內雕已經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域。由於玻璃類材質的質地較脆，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域中無法使用，在工業應用中也難以發揮透明材料內雕的優點。
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、顯示和構造件等方面有十分重要的用途，但有機塑料的內部加工(內雕) 一直沒有適合工業化應用的解決方案。在透明材料內部實現內雕加工，對雷射束有兩個方面的要求，一個要求是雷射束必須可以深入到透明材料內部，另一個要求是在特定位置，雷射束可以和透明材料產生相互作用，改變透明材料的折射率，實現所謂的內雕。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，從而產生空洞，形成內雕的效果。但由於強光場的產生依賴於飛秒雷射器，但飛秒雷射器的價格昂貴、結構複雜和維護困難，短時間內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，由應力結構導致的凝結區與周圍的塑料會產生折射率差異。對於依賴熱效應進行加工的有機塑料來說，目前常用雷射器的輸出波長一般在1微米附近，例如Nd:YAG雷射器或者摻鐿光纖雷射器，有機透明塑料對其吸收很少，無法直接加工，而CO2雷射器的輸出波長在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，針對現有使用的殼體的不足之處，有必要提供一種可以實現有機透明塑料內部雕刻的加工裝置。
技術實現要素：
本實用新型所要解決的技術問題是提供一種透明塑料內雕裝置，能夠實現對有機塑料的內部雕刻。
本實用新型為解決上述技術問題而採用的技術方案是提供一種透明塑料內雕裝置，包括用於承載透明有機塑料樣品8的平移臺9，計算機控制系統5以及受控於計算機控制系統5的雷射器1、調焦系統3、光束掃描系統4，其特徵在於，所述雷射器1產生的雷射的波長為1.9微米～2.1微米，沿雷射光束出射方向，依次排布分光系統2、調焦系統3、光束掃描系統4，雷射光束經分光系統2分光後通過調焦系統3和光束掃描系統4對雷射光束進行聚焦控制，最後作用於透明有機塑料樣品8上實現透明塑料的內雕。
進一步的，所述雷射器1為連續摻銩光纖雷射器或者脈衝摻銩光纖雷射器。
進一步的，所述分光系統2前還設置有準直系統，所述準直系統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前後表面分別鍍有增透膜。
進一步的，所述分光系統2包括平行設置的第一稜鏡23和第二稜鏡24，所述第一稜鏡23和第二稜鏡24的前表面分別鍍有反射膜。
進一步的，所述第一稜鏡23的前表面鍍有對雷射波長50％反射率的反射膜，所述第二稜鏡24的前表面鍍有雷射波長的全反膜。
進一步的，所述調焦系統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4包括兩組正交的第一轉動反射鏡振鏡41和第二轉動反射鏡振鏡42、F-theta鏡43和伺服控制卡44。
本實用新型對比現有技術有如下的有益效果：本實用新型提供的透明塑料內雕裝置,通過雷射器產生2微米左右的雷射，可以對透明塑料進行內部雕刻；並且通過調焦系統和光束掃描系統，實現對焦距的精確控制，保證聚焦光斑的尺寸和形狀不會發生嚴重變形。
附圖說明
圖1為本實用新型透明塑料內雕系統的整體結構示意圖；
圖2為本實用新型透明塑料內雕系統中準直系統和分光系統的結構示意圖；
圖3為本實用新型透明塑料內雕系統中光束掃描系統的結構示意圖；
圖4為本實用新型雷射內雕的溫度變化圖；
圖5為本實用新型優選實施例一的整體結構示意圖；
圖6為圖5實施例一中的光束掃描系統結構示意圖；
圖7為本實用新型優選實施例二的整體結構示意圖。
圖中：
1:雷射器 2:分光系統 21：半月透鏡 22：凸透鏡
23：第一稜鏡 24：第二稜鏡 3:調焦系統 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 41：第一轉動反射鏡振鏡 42：第二轉動反射鏡振鏡
43：F-theta鏡 44：伺服控制卡 45：指示雷射 5:計算機控制系統
6:製冷水箱 7:集成數據線 8:透明有機塑料樣品 9:平移臺
具體實施方式
下面結合附圖和實施例對本實用新型作進一步詳細說明。
在透明材料內部實現內雕加工，對雷射束有兩個方面的要求，一個要求是雷射束必須可以深入到透明材料內部，另一個要求是在特定位置，雷射束可以和透明材料產生相互作用，改變透明材料的折射率，實現所謂的內雕。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，從而產生空洞，形成內雕的效果。但由於強光場的產生依賴於飛秒雷射器，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，由應力結構導致的凝結區與周圍的塑料會產生折射率差異。
對於依賴熱效應進行加工的有機塑料來說，選擇合適的雷射波長成為一個重要的步驟。目前常用雷射器的輸出波長一般在1微米(Nd:YAG雷射器或者摻鐿光纖雷射器)附近，有機透明塑料對其吸收很少，無法直接加工，而CO2雷射器的輸出波長在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。
根據現有技術中存在的問題，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，只能用於有機塑料的表面加工，因此，選擇合適的雷射波長是一個至關重要的步驟。基於摻銩雷射介質的雷射器，包括光纖雷射器和固體雷射器，其輸出波長在2微米附近，大多數在1.9微米～2.1微米之間，對於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微米波段其吸收係數一般在1.0/mm左右。 2微米波長的雷射束穿過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雕。
在選取了合適的雷射波長後，仍需要解決在不影響到周邊塑料性質的情況下，在指定的位置對有機透明塑料加熱的問題。本實用新型採用多光束(光束數N)聚焦的方法，使得在焦點匯合處的光強是單一路徑中雷射束的光強的N倍，當雷射的光強所導致的塑料溫度高於塑料的玻璃相變點時(對於亞克力塑料，玻璃相變點的溫度是104℃)，塑料就會熔化。當關斷雷射後，塑料再重新凝結，形成折射率差異點，實現對有機透明塑料的內雕。由於單一光束的路徑上的光強只有焦點處光強的 1/N，其所引起的溫度小於塑料的玻璃相變點，不會對透明塑料產生影響，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雕裝置的具體結構示意圖，如圖1所示，包括用於承載透明有機塑料樣品8的平移臺9、分光系統2、計算機控制系統5以及受控於計算機控制系統5的雷射器1、調焦系統3、光束掃描系統4，計算機控制系統5 通過集成數據線7與雷射器1、調焦系統3、光束掃描系統4聯接，實現對雷射器1、調焦系統3與光束掃描系統4的同步，並且可以調節雷射器1的輸出平均功率。
如圖2所示，分光系統2前還可設置準直系統，分光準直系統包括從左至右依次設置的半月透鏡21、凸透鏡22和稜鏡；在實際使用中，凸透鏡22前後表面可分別鍍有對2微米波長雷射的增透膜，在本優選實施例中，稜鏡23為平行設置的兩個稜鏡，第一稜鏡23的前表面鍍有雷射波長的反射膜，該反射膜的反射率可優選為50％，第二稜鏡24的前表面鍍有雷射波長的全反膜。
調焦系統在常規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，可以實現對雷射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4包括兩組正交的第一轉動反射鏡振鏡41和第二轉動反射鏡振鏡42、F-theta鏡43和伺服控制卡44；F-theta鏡由大口徑、寬掃描範圍的聚焦透鏡組成，可以在掃描平面內形成均勻的聚焦點。光束掃描系統可以實現對入射光束在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生嚴重變形。
本實用新型提供的裝置進行內雕的過程如下：雷射器1輸出波長為1.9微米～2.1 微米的雷射，輸出的雷射束經準直系統準直後，再經過第一稜鏡23和第二稜鏡24 後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，另一個子光束經過第二稜鏡24後，也向下方被反射出去，這兩束雷射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2傳出來的兩束雷射再依次進入到調焦系統3和光束掃描系統4，實現對雷射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。兩束雷射束最後匯聚並聚焦於透明有機塑料樣品8上的指定位置。雷射束將聚焦點附近的極小範圍內的有機塑料加溫到其玻璃相變點，開始融化。這時關斷雷射或通過光束掃描系統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，由於聚焦點周圍的有機塑料沒有達到玻璃相變點，不會融化，因此由於應力的原因，重新凝結的有機塑料的結晶方向等微觀結構不同於周圍的有機塑料，導致其折射率的不同，產生內雕的效果。
有機塑料內部的相變過程如圖4所示。初始階段，雷射開啟，塑料內部的溫度迅速上升，在雷射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，關斷雷射，塑料內部的溫度開始下降，逐漸下降到室溫，透明塑料重新凝固，產生由應力引起的折射率變化點，形成內雕效果。
該內雕裝置還可包括其他輔助設施如製冷水箱6、雷射防護裝置、照明裝置等組成。其他的輔助設備主要用於確保整個裝置可以安全可靠的運行，對於有些固體或光纖雷射器需要製冷水箱6保持工作溫度恆定，雷射防護裝置用於保護操作人員的安全，照明裝置用於觀測加工效果等。
以下舉出三個具體的實施例，以便本領域技術人員更好地理解該技術方案。
實施例一
本優選實施例一的整體結構示意圖如圖5所示，雷射器1可優選為連續摻銩光纖雷射器，它的最高輸出功率為100W，最高可調製頻率為5kHz，雷射輸出波長為 1940nm，雷射輸出平行光，輸出光束直徑為7mm。由雷射器輸出的光束進入到分光系統2中。分光系統2由一對鍍有50％反射率的反射膜的石英稜鏡組成。經過分光系統後，雷射束被分為兩束功率相等的雷射束，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，本實施例間距優選為17mm。
兩束平行雷射進入調焦系統3，如圖5所示，調焦系統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製成，第一凸透鏡31的焦距可優選為150mm、凹凸透鏡32的焦距優選為300mm、第二凸透鏡 33的焦距優選為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，可以改變平行雷射的發散角，從而實現對焦距的精確控制。
如圖6所示，光束掃描系統4由兩組正交的轉動反射鏡即第一轉動反射鏡振鏡 41和第二轉動反射鏡振鏡42以及F-theta鏡43和伺服控制卡44組成，在光束掃描系統內可以增加一個用於指示的紅色指示雷射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微米波長波長雷射和指示光的高反光學膜，F-theta 鏡43的鏡片上鍍有對2微米波長雷射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，可以前後移動，以實現對透明有機塑料的三維內雕。計算機控制系統5通過集成數據線7對雷射器1、調焦系統2、光束掃描系統4以及二維平移臺9進行控制，保持它們之間的同步，同時控制雷射器的開關時間，確保在塑料的焦點處中注入合適的能量，恰好使塑料處於玻璃相變點；然後，關斷雷射，融化的塑料重新凝固，形成應力點，實現對塑料的內雕。
實施例二
本優選實施例二的整體結構示意圖如圖7所示，雷射器1可優選為脈衝摻銩光纖雷射器，雷射器輸出平均功率10W，脈衝重複率10～30kHz可調，脈衝寬度為 30ns，雷射的輸出波長為1980nm，雷射輸出發散光，輸出發散角的數值孔徑NA為0.1。由雷射器1輸出的光束進入到準直分光系統2中。分光系統2的結構與圖2相同，由一對準直透鏡和一對鍍膜石英稜鏡組成。經過準直分光系統2後，雷射束被分為兩束功率相等的、平行傳輸的雷射束，輸出光束直徑為7mm，光束中心之間的間距為17mm。
兩束平行雷射進入調焦系統3，調焦系統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的曲率通過反射鏡後部的水壓來調節，調節範圍可以由R＝200～220mm，變化精度<0.1mm；改變這凸面反射鏡的曲率，可以改變平行雷射的發散角，從而實現對焦距的精確控制。
光束掃描系統4由兩組正交的轉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，在光束掃描系統內可以增加一個用於指示的紅色指示雷射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微米波長波長雷射和指示光的高反光學膜，F-theta鏡43的鏡片上鍍有對2 微米波長雷射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，可以前後移動，以實現對透明有機塑料的三維內雕。計算機控制系統5通過集成數據線7對雷射器1、調焦系統2、光束掃描系統4以及二維平移臺9進行控制，保持它們之間的同步，同時控制雷射器的開關時間，確保在塑料的焦點處中注入合適的能量，恰好使塑料處於玻璃相變點；然後，關斷雷射，融化的塑料重新凝固，形成應力點，實現對塑料的內雕。
實施例三
本優選實施例三，與實施例二基本相同，差別在於使用的雷射器1優選為脈衝摻鈥固體雷射器，雷射器輸出平均功率10W，脈衝重複率100～500Hz可調，脈衝寬度為100us，雷射的輸出波長為2100nm，輸出雷射的光束直徑為3mm。其他參數與實施例二相同。
與現有技術相比，本實用新型的優點在於：實現了有機透明塑料的雷射內雕，降低了透明材料內雕的加工成本，可實現柔性材料和薄型材料上雷射內雕，滿足了雷射內雕大規範工業化應用的需求。
雖然本實用新型已以較佳實施例揭示如上，然其並非用以限定本實用新型，任何本領域技術人員，在不脫離本實用新型的精神和範圍內，當可作些許的修改和完善，因此本實用新型的保護範圍當以權利要求書所界定的為準。