激光内雕机的应用、技术及发展趋势

马秀琛，孟凡召

(山东华宇工学院机械工程学院，山东 德州253034；德州市工业机器人控制重点实验室，山东 德州253034)

光电一体化产品是集光学、机械、微电子、自动控制和计算机技术于一体的高科技产品，在产品功能和利用率方面具有很大潜力[1]。激光技术作为一种可持续发展技术，可以助力国民经济发展。激光内雕机通过有线连接，将各部分系统特点和优势结合在一起，解决了子系统无法单独运行的问题，达到了优化系统功能的目的。

1 激光内雕机的应用

水晶雕饰件逐渐走入生活，如水晶钥匙扣、水晶汽车挂件、水晶衣服吊坠等。激光内雕机主要用于水晶工艺品的制作，其既可生产大型水晶内雕工艺品，亦可批量化生产小型水晶饰品。

激光内雕机已广泛应用于内雕行业，生产出的内雕饰品种类越来越多。相对于水晶内雕产品来说，采用大型激光内雕机生产单件小型水晶内雕饰品存在设备运维成本高、生产成本高、设备生产效率低等问题，影响了用户的个性化定制体验。既能批量化生产小型水晶内雕饰品，又能利用迷你激光内雕机为客户完成个性化产品定制，将有效提高企业竞争力，形成新的利润点。

激光内雕机是工艺品内雕加工最简便快捷的方法，能够在不损伤玻璃工艺品表面的情况下对内部任何位置进行设定激光打点加工[2]。激光对玻璃制品的聚焦需要点位，使激光对焦处的激光能量温度刚好达到水晶爆炸温度。由于激光焦点之外的位置能量没有达到玻璃的爆炸温度，因此不会产生变化。通过对计算机精确方位控制，在玻璃制品内部位置产出设定图案，该图案可以是平面图案也可以是三维图案。

早期水晶手工艺品制作方法主要有工位机和振镜机[3]。工位机是水晶工艺品被粘在工作台平面上、由X、Y、Z三个轴向运动电机分别带动丝杠工作，丝杠将电机的旋转运动转化为工作平台沿X、Y、Z三个轴向平移运动，这种雕刻模式通过移动工作台来进行雕刻，电机运行时的负载不仅有工作台重量，还需要加上工件重量，若工件质量太轻或太重、工作台移动速度太快都会造成工件因惯性因素产生偏移，导致雕刻不精确，出现重雕等现象，因此工位机的工作速度不能过快，移动速度提不上去，导致这种雕刻机的雕刻速度不能达到理论设计速度，无法进行高速内雕。振镜机是将振镜放在灯泵机上工作，主要以光扫描方式控制光方向，进行控制打点。这种内雕方法不必移动工件，因此速度可以达到设计的理论最大工作速度，可满足3 000 Hz及以上的频率要求。但因为聚焦镜调焦能力的限制，导致其工作范围很小。使用F=100 mm的聚焦镜调焦，工作范围大约是φ60 mm。使用长焦距的聚焦镜调焦虽然能使雕刻范围有所增加，如使用F=160 m的聚焦镜调焦，工作范围大约是φ110 mm，但这又会造成焦距太长，焦深长，导致雕出的点比较细长，从正面看雕刻图案没有问题，但从侧面看图案就显得不够清晰，甚至变形，因此振镜机也无法完全取代工位机。

2 激光内雕机类型

对市场上各公司推出的激光内雕机型号参数进行对比发现，对不同产品之间差异影响较大的因素是激光器类型。激光内雕机组成元件有很多，最关键的元件为激光器。其分类方法较多，一般是按照激光工作介质分类，主要分为气体激光器、光纤激光器和半导体激光器等几种类型[4]。

2.1 气体激光器

气体激光器是利用气体作为工作物质产生激光的器件，一般包括放电管内的激活气体、一对反射镜构成的谐振腔和激励源等三个部分。这种激光器的激励方式主要是电激励、气动激励、光激励和化学激励等，最常用的是电激励，在放电条件下，利用电子碰撞激发气体粒子产生激光。这种激光器结构简单，操作方便，成本低，工作介质均匀，输出的激光单色性好且能长时间稳定连续的工作[5]，目前广泛应用于工农业、医药、精密测量、全息技术等领域，市场占有率很高。

2.2 光纤激光器

光纤激光器是用掺稀土元素的玻璃光纤作为增益介质的激光器，在泵浦光作用下，光纤内很容易形成功率密度升高，造成激光工作物质的激光能级“粒子数反转”，适当加入正反馈回路(构成谐振腔)，便可形成激光振荡输出[6]，特点是结构紧凑简单，小巧灵活，可借助光纤的良好柔韧性，转换效率高，激光阈值低，能在不施加强制冷的情况下连续工作，耦合作用效率高，因为它们所使用的激光介质本身就是一种导波介质。光纤激光器可广泛应用于激光光纤网络通信、激光空间远距通信、激光雕塑和精密打孔等技术设备及各种激光医用器械整机的小型化和重量化乃至便携式灵巧系统，还可用于金属雕塑。

2.3 半导体激光器

半导体激光器又称为激光二极管，以半导体材料作为工作物质，激励方式有电注入、电子束激励和光泵浦三种。半导体激光器件可分为同质结、单异质结、双异质结等。同质结激光器和单异质结激光器在室温时多为脉冲器件，而双异质结激光器室温时可实现连续工作，这类激光器具有体积小、使用寿命长、结构重量轻、输入功率低等特点，可以直接调制，结构简单。半导体激光器已广泛应用于激光通信、光存储、光陀螺、激光打印、测量距离及雷达等工作。激光内雕行业的半导体激光器主要分为电光调激光器和声光调激光器两种。

电光调：因为脉宽较短，功率稳定，所需峰值功率不高，所以每个爆炸点都比较精细，每个脉冲所产生能量都能达到水晶的爆炸临界值，因此一般玻璃都能打进去，主要应用于水晶内雕行业，通常工作频率在1 000 Hz以下的激光内雕机采用电光调激光器。

声光调：脉宽较长，所需峰值功率较高，当峰值功率不高或水晶有杂质都可能造成峰值功率达不到爆炸点而漏点，通常3 000 Hz以上的激光内雕机采用声光调激光器。

随着激光雕刻技术的不断改进，激光应用范围在不断扩大，雕刻设备制造和销售处于上升趋势。国内从事激光技术设备开发、制造、销售的公司，市场竞争日益激烈。

水晶内雕工艺品厂商利用现有激光内雕设备，能够生产大型水晶内雕工艺品和批量化小型水晶饰品，但是人们的个性化需求越来越高，更加追求个性，希望自己的物品是独一无二的，是自己的理想化追求，如果店铺无法满足客户的样式需求，将无法为客户提供个性产品，如有特殊需要，只能向工厂申请设计，价格较为昂贵。

3 激光内雕技术及结构原理

3.1 激光内雕技术

激光内雕技术主要是将激光器中发射出来的激光聚焦在无色透明体内部，产生微米尺寸单位的激光点，激光点在玻璃体内部的位置由计算机程序控制，使激光点呈设定好的图像进行打点，从而构成立体图像。玻璃激光内雕技术的发展可以分为两个时期，即白色激光内雕技术和着色激光内雕技术。

白色激光内雕主要通过激光器在玻璃内部工作时所产生的一种激光，聚焦点的照射温度超过玻璃爆炸的温度，使玻璃产生爆裂，从而形成微裂纹，利用这种设计使微裂纹按照排序规则，实现一种白色激光内雕[7]。白色激光内雕利用激光器，将激光聚焦点在玻璃内部，产生炸裂点，通过分层次炸裂点实现三维内雕。

着色内雕技术是使用激光速度为纳秒至飞秒的激光，由于激光聚焦位置周围的电场强度很高，通过激光诱导的多光子吸收、多光子离子化等反应，在空间实现高度选择性的微结构改性，给予材料特殊的光功能，通过选择性空间的色心控制、离子价态操控及纳米粒子析出实现激光玻璃的着色内雕。

3.2 激光内雕机结构原理

激光内雕机是利用激光内雕技术，结合传动系统、伺服系统等机械结构设计，其传动系统由步进电机、滚珠丝杠、平面工作台、限位开关组成。步进电机负责将工件通过三轴传动进行移动，使工件位于工作台的中心，能够让激光器进行扫描并工作，伺服系统的驱动器接收到信号后，驱动步进电机进行旋转，使用弹性联轴器带动滚珠丝杠进行运动和转动，从而带动激光头上下、左右、前后运动。其中，限位开关控制激光头运行距离是否超出工作区域，如果超出距离，将会触碰到限位开关，则伺服系统接收到信号并发出回原点指令，驱动步进电机旋转，丝杠带动激光头回原点，防止设备损坏。利用方向信号器控制三轴的正反转，完成三轴对点确定的位置控制。三维坐标原点的设定是通过限位开关的极限位置而设定的，也可以通过计算机对原点位置进行偏移。

4 激光内雕机的发展趋势

4.1 小型化

激光内雕机的缺点是体积大，整体构造庞大，机器运作复杂度高，加上其他一些辅助装置，使得内雕机无法在店铺内放置，无法满足客户的个性化需要，这促使激光内雕机向小型化方向发展。

4.2 高性价比

目前，市场上应用的大多数激光内雕机雕刻技术精密，故而激光内雕机的价格较高，相关保护措施要求也高，整体造价成本昂贵，性价比较低，阻碍了其推广应用。迷你内雕机在最初设计时，考虑了雕刻技术精密度，因此造价成本也很高。相对于低中配激光内雕机，采用高精度电机和丝杠传动装置，应用了高分辨率的控制系统。未来，企业应向着推动迷你内雕机的高性价比方向发展。

4.3 安全、节能

迷你内雕机采用质量较轻的铝合金及PLA件框架，结构简单，质量轻。此类作业机械设计不同于激光内雕机设备，需要重点设计安全技术保障装置，因此设计要求更加严格，既要安全可靠，又要尽量降低经济成本。但是，设计要求的首位都是安全设计，应加强安全生产。此外，要讲求节能环保传统的激光内雕机最大的特点是能耗高，当出现故障时维修费用较高。能耗过高会影响内雕机的性价比，大大降低机器的市场价值。为了促进迷你内雕机的长远发展，应重视降耗节能。

5 结语

激光雕刻设备发展至今其应用越来越广泛，雕刻技术水平也越来越高。目前，激光内雕机存在高能、高耗、结构复杂等问题，应不断进行优化。未来，应进一步研究激光内雕机的体积缩小及便携性，按照绿色工业发展要求，将低能耗作为今后制造工业发展的重要指标，不久的将来，迷你内雕机将实现进一步发展。