神奇的激光雕刻

刘玉柱 俞文杰

2022北京冬奥会开幕式再一次惊艳了世界！开幕式上，震撼的画面令人目不暇接，激光雕刻的“冰雪五环”更是将整个开幕式推向了高潮： 舞台中央缓缓升起的冰立方由24 道激光雕刻出“冰雪五环”高悬于空，在光与影的交织下，格外耀眼。“碎冰式”的雕刻过程寓意着“破冰之旅”，更象征着全世界的友好往来……

“激光雕刻”一词，在生活中并不少见。那么，到底什么是激光？激光雕刻利用的是什么原理呢？

激光，不寻常的光源

“激光”似乎成为当下最时髦的科技名词之一。事实上，激光本来不叫“激光”，而是 “镭射”，它的英文全称是“Light Amplification by StimulatedEmission of Radiation”，意思是“辐射的受激发射光放大”。“LASER”是其英文缩写，音译为“镭射”，1964年按照我国著名科学家钱学森的建议改称“激光”。

一般光源如太阳光、白炽灯等，其发光机制为“自发辐射”，它们发出的光是由一系列频率、相位和偏振不同的光组合形成的。这些发光体的电子跃迁情况不相同，步调也不一致。而对于激光光源，它的发光机制为“受激辐射”。在激光器中，我们先给大量的原子提供能量，让它们的电子处在激发态，然后用特定频率的光子去激发这些原子，就可以释放出大量跟入射光子频率、相位完全相同的光子。这些“一模一样”的光子叠加之后，就形成了高能量的激光。

那么，激光相比于普通光源，又有哪些优点呢？第一，激光拥有良好的方向性。与普通光源“发散”的光线不同，激光更像是一条细细的直线，激光定位、导向、 测距等就利用了其方向性好的特点。第二，激光的单色性好。计量工作的标准光源、激光通信等都离不开激光良好的单色性。第三，激光的亮度高。它的能量高度集中，能在极小区域内产生极高的温度，激光切割、激光雕刻、激光武器、激光诱导击穿光谱等都是利用了它高亮度的特性。

激光雕刻为什么又快又准

激光雕刻的方式与普通雕刻大同小异，只是激光雕刻是将激光当作一把“雕刻刀”。在雕刻时，激光会直接照在加工件上，使材料的温度瞬间增加至极高。这样的高温会使得激光照射点处极小范围内的材料瞬间熔化甚至汽化，这样便能在加工件上“雕刻”下痕迹。

此外，在大多数的激光雕刻机上还增加了一个“吹气”装置，在雕刻过程中，不断向激光照射点处喷射气体。喷射的气体不仅可以带走雕刻产生的粉尘和废渣，而且可以起到降温的作用，从而减轻木制品、皮革制品、布艺制品等材料雕刻时由于高温产生的表面碳化，让材料保持原色，实现出色的雕刻效果。雕刻前，将预先设计好的图案传输至计算机中，计算机控制机械装置带动激光头在加工件上移动，便可在加工件上雕刻下设计好的精美图案了。

激光凭借亮度高和方向性好的优点，确保了激光“雕刻刀”又快又准。激光雕刻时，亮度高的优点使得强大的激光能量可以瞬间在样品表面留下刻痕，因此激光头的移动可以非常迅速。例如，在工艺品上刻下奥运五环的图样，仅仅只需要几秒。同时，方向性好的优点使得雕刻所用的激光束极其纤细，聚焦后在加工件表面只会留下极小的刻痕，配上高精度的机械引导装置，任何细微复杂的图案都能够被精准雕刻。

值得一提的是，随着激光雕刻技术的发展，激光内雕也逐渐流行。与常见的激光外雕方式不同，激光内雕是用特殊的机器，将激光束配合多种光学元件，从不同角度射入透明的物体，在内部完成雕刻，形成栩栩如生的立体图案。常见的水晶雕刻工艺品都是利用了这种技术。

事實上，激光雕刻的应用领域多达上百个，竹木制品、塑料制品、金属制品、玻璃制品等都可以利用激光进行雕刻。常见的工艺品加工、广告牌刻字、皮革雕花等也都离不开激光雕刻技术。

激光雕刻技术的发展为我们的生活带来了极大的便利，这把又快又准的“雕刻刀”也为我们勾勒出一个更美的世界。让我们一起为科学发展和中国“智造”点赞！