激光內雕機的應用、技術及發展趨勢

馬秀琛，孟凡召

(山東華宇工學院機械工程學院，山東 德州253034；德州市工業機器人控制重點實驗室，山東 德州253034)

光電一體化產品是集光學、機械、微電子、自動控制和計算機技術于一體的高科技產品，在產品功能和利用率方面具有很大潛力[1]。激光技術作為一種可持續發展技術，可以助力國民經濟發展。激光內雕機通過有線連接，將各部分系統特點和優勢結合在一起，解決了子系統無法單獨運行的問題，達到了優化系統功能的目的。

1 激光內雕機的應用

水晶雕飾件逐漸走入生活，如水晶鑰匙扣、水晶汽車掛件、水晶衣服吊墜等。激光內雕機主要用于水晶工藝品的制作，其既可生產大型水晶內雕工藝品，亦可批量化生產小型水晶飾品。

激光內雕機已廣泛應用于內雕行業，生產出的內雕飾品種類越來越多。相對于水晶內雕產品來說，采用大型激光內雕機生產單件小型水晶內雕飾品存在設備運維成本高、生產成本高、設備生產效率低等問題，影響了用戶的個性化定制體驗。既能批量化生產小型水晶內雕飾品，又能利用迷你激光內雕機為客戶完成個性化產品定制，將有效提高企業競爭力，形成新的利潤點。

激光內雕機是工藝品內雕加工最簡便快捷的方法，能夠在不損傷玻璃工藝品表面的情況下對內部任何位置進行設定激光打點加工[2]。激光對玻璃制品的聚焦需要點位，使激光對焦處的激光能量溫度剛好達到水晶爆炸溫度。由于激光焦點之外的位置能量沒有達到玻璃的爆炸溫度，因此不會產生變化。通過對計算機精確方位控制，在玻璃制品內部位置產出設定圖案，該圖案可以是平面圖案也可以是三維圖案。

早期水晶手工藝品制作方法主要有工位機和振鏡機[3]。工位機是水晶工藝品被粘在工作臺平面上、由X、Y、Z三個軸向運動電機分別帶動絲杠工作，絲杠將電機的旋轉運動轉化為工作平臺沿X、Y、Z三個軸向平移運動，這種雕刻模式通過移動工作臺來進行雕刻，電機運行時的負載不僅有工作臺重量，還需要加上工件重量，若工件質量太輕或太重、工作臺移動速度太快都會造成工件因慣性因素產生偏移，導致雕刻不精確，出現重雕等現象，因此工位機的工作速度不能過快，移動速度提不上去，導致這種雕刻機的雕刻速度不能達到理論設計速度，無法進行高速內雕。振鏡機是將振鏡放在燈泵機上工作，主要以光掃描方式控制光方向，進行控制打點。這種內雕方法不必移動工件，因此速度可以達到設計的理論最大工作速度，可滿足3 000 Hz及以上的頻率要求。但因為聚焦鏡調焦能力的限制，導致其工作范圍很小。使用F=100 mm的聚焦鏡調焦，工作范圍大約是φ60 mm。使用長焦距的聚焦鏡調焦雖然能使雕刻范圍有所增加，如使用F=160 m的聚焦鏡調焦，工作范圍大約是φ110 mm，但這又會造成焦距太長，焦深長，導致雕出的點比較細長，從正面看雕刻圖案沒有問題，但從側面看圖案就顯得不夠清晰，甚至變形，因此振鏡機也無法完全取代工位機。

2 激光內雕機類型

對市場上各公司推出的激光內雕機型號參數進行對比發現，對不同產品之間差異影響較大的因素是激光器類型。激光內雕機組成元件有很多，最關鍵的元件為激光器。其分類方法較多，一般是按照激光工作介質分類，主要分為氣體激光器、光纖激光器和半導體激光器等幾種類型[4]。

2.1 氣體激光器

氣體激光器是利用氣體作為工作物質產生激光的器件，一般包括放電管內的激活氣體、一對反射鏡構成的諧振腔和激勵源等三個部分。這種激光器的激勵方式主要是電激勵、氣動激勵、光激勵和化學激勵等，最常用的是電激勵，在放電條件下，利用電子碰撞激發氣體粒子產生激光。這種激光器結構簡單，操作方便，成本低，工作介質均勻，輸出的激光單色性好且能長時間穩定連續的工作[5]，目前廣泛應用于工農業、醫藥、精密測量、全息技術等領域，市場占有率很高。

2.2 光纖激光器

光纖激光器是用摻稀土元素的玻璃光纖作為增益介質的激光器，在泵浦光作用下，光纖內很容易形成功率密度升高，造成激光工作物質的激光能級“粒子數反轉”，適當加入正反饋回路(構成諧振腔)，便可形成激光振蕩輸出[6]，特點是結構緊湊簡單，小巧靈活，可借助光纖的良好柔韌性，轉換效率高，激光閾值低，能在不施加強制冷的情況下連續工作，耦合作用效率高，因為它們所使用的激光介質本身就是一種導波介質。光纖激光器可廣泛應用于激光光纖網絡通信、激光空間遠距通信、激光雕塑和精密打孔等技術設備及各種激光醫用器械整機的小型化和重量化乃至便攜式靈巧系統，還可用于金屬雕塑。

2.3 半導體激光器

半導體激光器又稱為激光二極管，以半導體材料作為工作物質，激勵方式有電注入、電子束激勵和光泵浦三種。半導體激光器件可分為同質結、單異質結、雙異質結等。同質結激光器和單異質結激光器在室溫時多為脈沖器件，而雙異質結激光器室溫時可實現連續工作，這類激光器具有體積小、使用壽命長、結構重量輕、輸入功率低等特點，可以直接調制，結構簡單。半導體激光器已廣泛應用于激光通信、光存儲、光陀螺、激光打印、測量距離及雷達等工作。激光內雕行業的半導體激光器主要分為電光調激光器和聲光調激光器兩種。

電光調：因為脈寬較短，功率穩定，所需峰值功率不高，所以每個爆炸點都比較精細，每個脈沖所產生能量都能達到水晶的爆炸臨界值，因此一般玻璃都能打進去，主要應用于水晶內雕行業，通常工作頻率在1 000 Hz以下的激光內雕機采用電光調激光器。

聲光調：脈寬較長，所需峰值功率較高，當峰值功率不高或水晶有雜質都可能造成峰值功率達不到爆炸點而漏點，通常3 000 Hz以上的激光內雕機采用聲光調激光器。

隨著激光雕刻技術的不斷改進，激光應用范圍在不斷擴大，雕刻設備制造和銷售處于上升趨勢。國內從事激光技術設備開發、制造、銷售的公司，市場競爭日益激烈。

水晶內雕工藝品廠商利用現有激光內雕設備，能夠生產大型水晶內雕工藝品和批量化小型水晶飾品，但是人們的個性化需求越來越高，更加追求個性，希望自己的物品是獨一無二的，是自己的理想化追求，如果店鋪無法滿足客戶的樣式需求，將無法為客戶提供個性產品，如有特殊需要，只能向工廠申請設計，價格較為昂貴。

3 激光內雕技術及結構原理

3.1 激光內雕技術

激光內雕技術主要是將激光器中發射出來的激光聚焦在無色透明體內部，產生微米尺寸單位的激光點，激光點在玻璃體內部的位置由計算機程序控制，使激光點呈設定好的圖像進行打點，從而構成立體圖像。玻璃激光內雕技術的發展可以分為兩個時期，即白色激光內雕技術和著色激光內雕技術。

白色激光內雕主要通過激光器在玻璃內部工作時所產生的一種激光，聚焦點的照射溫度超過玻璃爆炸的溫度，使玻璃產生爆裂，從而形成微裂紋，利用這種設計使微裂紋按照排序規則，實現一種白色激光內雕[7]。白色激光內雕利用激光器，將激光聚焦點在玻璃內部，產生炸裂點，通過分層次炸裂點實現三維內雕。

著色內雕技術是使用激光速度為納秒至飛秒的激光，由于激光聚焦位置周圍的電場強度很高，通過激光誘導的多光子吸收、多光子離子化等反應，在空間實現高度選擇性的微結構改性，給予材料特殊的光功能，通過選擇性空間的色心控制、離子價態操控及納米粒子析出實現激光玻璃的著色內雕。

3.2 激光內雕機結構原理

激光內雕機是利用激光內雕技術，結合傳動系統、伺服系統等機械結構設計，其傳動系統由步進電機、滾珠絲杠、平面工作臺、限位開關組成。步進電機負責將工件通過三軸傳動進行移動，使工件位于工作臺的中心，能夠讓激光器進行掃描并工作，伺服系統的驅動器接收到信號后，驅動步進電機進行旋轉，使用彈性聯軸器帶動滾珠絲杠進行運動和轉動，從而帶動激光頭上下、左右、前后運動。其中，限位開關控制激光頭運行距離是否超出工作區域，如果超出距離，將會觸碰到限位開關，則伺服系統接收到信號并發出回原點指令，驅動步進電機旋轉，絲杠帶動激光頭回原點，防止設備損壞。利用方向信號器控制三軸的正反轉，完成三軸對點確定的位置控制。三維坐標原點的設定是通過限位開關的極限位置而設定的，也可以通過計算機對原點位置進行偏移。

4 激光內雕機的發展趨勢

4.1 小型化

激光內雕機的缺點是體積大，整體構造龐大，機器運作復雜度高，加上其他一些輔助裝置，使得內雕機無法在店鋪內放置，無法滿足客戶的個性化需要，這促使激光內雕機向小型化方向發展。

4.2 高性價比

目前，市場上應用的大多數激光內雕機雕刻技術精密，故而激光內雕機的價格較高，相關保護措施要求也高，整體造價成本昂貴，性價比較低，阻礙了其推廣應用。迷你內雕機在最初設計時，考慮了雕刻技術精密度，因此造價成本也很高。相對于低中配激光內雕機，采用高精度電機和絲杠傳動裝置，應用了高分辨率的控制系統。未來，企業應向著推動迷你內雕機的高性價比方向發展。

4.3 安全、節能

迷你內雕機采用質量較輕的鋁合金及PLA件框架，結構簡單，質量輕。此類作業機械設計不同于激光內雕機設備，需要重點設計安全技術保障裝置，因此設計要求更加嚴格，既要安全可靠，又要盡量降低經濟成本。但是，設計要求的首位都是安全設計，應加強安全生產。此外，要講求節能環保傳統的激光內雕機最大的特點是能耗高，當出現故障時維修費用較高。能耗過高會影響內雕機的性價比，大大降低機器的市場價值。為了促進迷你內雕機的長遠發展，應重視降耗節能。

5 結語

激光雕刻設備發展至今其應用越來越廣泛，雕刻技術水平也越來越高。目前，激光內雕機存在高能、高耗、結構復雜等問題，應不斷進行優化。未來，應進一步研究激光內雕機的體積縮小及便攜性，按照綠色工業發展要求，將低能耗作為今后制造工業發展的重要指標，不久的將來，迷你內雕機將實現進一步發展。