СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ Российский патент 1998 года по МПК C03C23/00 

Изобретение относится к технологиям лазерной обработки твердых материалов, и, в частности к технологии создания изображений внутри объема прозрачных изделий с различными цветовыми эффектами.

Известен способ нанесения штрихов на поверхности прозрачных твердых веществ, заключающийся в нанесении слоя порошкообразного красителя на подложку, размещении на нем обрабатываемого прозрачного образца и фокусировке лазерного излучения на слой красителя [1]. При этом в точке воздействия лазерного излучения на слой поглощающего красителя происходит его нагрев и внедрение в поверхность обрабатываемого образца. Штрихи получают путем сканирования лазерного излучения по слою красителя. Достоинством данного способа является высокая точность нанесения штрихов. К недостаткам указанного способа относятся повреждение поверхности прозрачного образца и невозможность получения изображения внутри объема прозрачного образца.

Известен способ маркировки керамических материалов, глазурей, стеклокерамики и стекла, заключающийся в том, что в процессе приготовления перечисленных материалов в них вводят светочувствительные добавки, поглощающие лазерное излучение и изменяющие цвет в зоне облучения [2]. Заданное изображение получают перемещением образца относительно лазерного луча. Достоинство данного способа заключается в том, что в этом способе нанесение цветных меток происходит без нарушения целостности поверхности обрабатываемого образца. Недостаток способа заключается в локализации меток только на поверхности образца, так как светочувствительные добавки поглощают лазерное излучение непосредственно на его поверхности. Таким образом, с помощью этого способа невозможно получить внутриобъемные трехмерные изображения.

Известен способ формирования изображений внутри объема образца, заключающийся в том, что формируют изображение в объеме образца из прозрачного материала с помощью электронного пучка или электрического разряда [3, 4]. Однако сформированное при этом изображение обладает существенными недостатками, так как в результате воздействия электронного пучка или электрического разряда повреждается поверхность образца, а само изображение формируется исключительно в виде нитевидных каналов пробоя и поэтому не может быть произвольным трехмерным.

Известен способ формирования изображений, заключающийся в том, что формируют с помощью лазера светорассеивающее изображение в объеме образца из прозрачного материала за счет фокусировки лазерного излучения в заданной точке объема с плотностью мощности, превышающей пороговое значение объемного пробоя материала образца [5]. Этот способ наиболее близок к изобретению по совокупности существенных признаков и поэтому выбран в качестве ближайшего аналога - прототипа. Заданное изображение формируется поточечно при перемещении объекта относительно лазерного луча в трех взаимно перпендикулярных направлениях по данному закону. Способ обеспечивает возможность формирования заданных трехмерных изображений в объеме образца из прозрачного материала при сохранении целостности его поверхности. Этот способ может применяться для формирования любых заданных трехмерных изображений в объеме изделий из прозрачного материала - логотипов, товарных знаков, меток и т.д. Недостатком указанного способа является бесцветность и низкая контрастность получаемого изображения, так как изображение формируется из бесцветных зон лазерного поражения прозрачного материла и становится видимым только за счет рассеяния излучения внешнего источника света. Бесцветность и низкая контрастность получаемого изображения значительно снижают художественную выразительность и потребительские качества изделий с внутриобъемными изображениями.

Задачей изобретения является создание изделий с цветными внутриобъемными изображениями, а достигаемый технический результат заключается в получении окрашенных трехмерных внутриобъемных изображений.

Для достижения указанного технического результата в известном способе формирования внутриобъемных трехмерных изображений фокусируют лазерное излучение в заданной точке прозрачного образца и облучают образец с плотностью мощности, превышающей пороговое значение для объемного пробоя материала, однако в отличие от прототипа в качестве прозрачного образца используют пористое стекло, в которое вводят по крайней мере одно вещество, необратимо изменяющее свои физико-химические свойства внутри объема прозрачного образца под воздействием факторов оптического пробоя. Далее для формирования трехмерного изображения перемещают образец относительно лазерного луча в трех взаимно перпендикулярных направлениях по заданному закону. Использование прозрачного образца из различных видов пористого стекла позволяет добавить в объем прозрачного образца перед процессом лазерного облучения бесцветное или слабоокрашенное вещество, которое под воздействием факторов оптического пробоя и последующей обработки, например химической, термической, световой, акустической изменяет окраску.

Как известно, процесс внутриобъемного оптического пробоя в прозрачной среде сопровождается образованием микроплазмы, локализованной в точке фокусировки лазерного излучения [6]. Плазма имеет достаточно высокую температуру и степень ионизации, и ее воздействие на материал прозрачного образца из пористого стекла с введенным веществом заключается в изменении физико-химических свойств материала. При этом возникают следующие факторы воздействия на материал: облучение излучением плазмы (фотонное воздействие), нагрев, плавление и испарение (термическое воздействие), плазмохимические реакции, протекающие в высокоионизованной плазме (плазмохимическое воздействие), распространение волны повышенного давления - т.н. ударной волны (воздействие давлением).

Каждый из этих факторов в отдельности или их комбинация могут быть использованы для получения эффекта окрашивания зоны пробоя и примыкающей к нему области образца, если в образец введены компоненты, чувствительные к воздействию того или иного фактора или их комбинации.

Например, если в образец введены компоненты, чувствительные к излучению плазмы лазерного пробоя и в то же время не реагирующие на излучение с длиной волны лазерной генерации, то в результате облучения светом лазерной плазмы произойдет локализованное в зоне лазерного пробоя и примыкающей к нему области образца изменение оптически свойств (спектра поглощения) введенных компонентов, что приведет к изменению цвета этой области. Размер окрашенной области при этом будет определяться как оптическими свойствами компонента (коэффициентом поглощения), так и его концентрацией. Чем больше коэффициент поглощения и выше концентрация фоточувствительного компонента, тем в меньшей по размерам области будет локализован эффект изменения окраски. Проблема подбора компонентов, нечувствительных к лазерному излучению и в то же время реагирующих на излучение плазмы пробоя, может быть легко решена, поскольку излучение плазмы, в силу ее высокой температуры, смещено в ультрафиолетовую часть спектра, в которой практически все известные фотоматериалы, например на основе галогенидов серебра, обладают высокой чувствительностью [7]. В то же время многие фотоматериалы не чувствительны к излучению в длинноволновой части спектра. Поэтому, если для инициирования внутриобъемного пробоя используется излучение лазера в красной или инфракрасной области спектра, например лазера на алюмоиттриевом гранате (1,06 мкм) или рубинового лазера (649,3 нм) то изменение окраски будет локализовано в области внутриобъемного лазерного пробоя. При перемещении обрабатываемого образца по заданному закону будет сформирован трехмерный окрашенный рисунок в объеме прозрачного образца.

Аналогично, для изменения окраски в области лазерного пробоя может быть использован эффект термического воздействия. В этом случае в прозрачный образец необходимо ввести компоненты либо изменяющие спектр поглощения (окраску) в результате нагрева, либо реагирующие друг с другом в результате нагрева с образованием новых компонентов, имеющих цвет, отличный от цвета исходных компонентов. Такие вещества хорошо известны. Это, например метаванадат аммония, имеющий в исходном состоянии белую окраску и разлагающийся при температуре 50^oС до компонентов, имеющих красно-желтую окраску [8]. Локализация эффекта изменения окраски будет обеспечена тем, что высокотемпературный нагрев локализован в области лазерного пробоя.

Аналогично, для изменения окраски в области лазерного пробоя может быть использован эффект плазмохимического воздействия и эффект воздействия ударной волны, приводящие к изменению физико-химических свойств молекул введенного в прозрачный образец вещества. Кроме того, полученное окрашенное изображение можно закрепить и усилить за счет дополнительной обработки образца. Происходящие при этом физико-химические процессы описаны в [9].

Возможен вариант реализации способа, при котором после облучения добавляют в прозрачный образец по крайней мере еще одно вещество, вступающее в химическую реакцию по крайней мере с одним первоначально введенным веществом, измененным под воздействием факторов оптического пробоя. Это вариант обеспечивает химическое закрепление и усиление сформированного окрашенного изображения с помощью дополнительного реагента.

Возможен вариант реализации способа, при котором после облучения образец подвергают термической обработке.

Возможен вариант реализации способа, при котором после облучения образец подвергают дополнительной оптической обработке.

Возможен вариант реализации способа, при котором после облучения образец подвергают дополнительной обработке звуковыми волнами.

Пример 1. В качестве прозрачного объекта использовали образцы пористого стекла, полученного путем выщелачивания в растворе соляной кислоты заготовки натрийборосиликатного стекла ДБIм. Объем пор составлял 0,3 см³/см³ при среднем диаметре пор 8-10 нм. После промывки в дистиллированной воде, термообработки при температуре 450^oС в течение 40 мин и вакуумной сушки полученные образцы полировали и насыщали фоточувствительной солью AgBr последовательным погружением в водные растворы КВr, AgNO₃, KBr с последующей промывкой в дистиллированной воде и сушкой. Полученные таким образом образцы облучали сфокусированным внутри объема излучением лазера на алюмоиттриевом гранате с длиной волны 1,06 мкм и мощностью, достаточной для возникновения внутриобъемного пробоя. В результате облучения ультрафиолетовым излучением плазмы лазерного пробоя в местах ее локализации возникали зоны темно-коричневого цвета размером 0,1 мм (режим прямого почернения). Для усиления окраски (оптической плотности) образцы после облучения обрабатывали разбавленным проявляюще-фиксирующим раствором ЛИКИ с последующей промывкой в дистиллированной воде.

Пример 2. Образцы микропористого стекла, полученные аналогично примеру 1, насыщали методом погружения в водный раствор ферриоксалата калия, фоточувствительного к ультрафиолетовому излучению с образованием соли двухвалентного железа. После облучения полученных образцов в режиме оптического внутриобъемного пробоя излучением лазера на алюмоиттриевом гранате образцы пропитывали раствором железосинеродистого калия, и в результате химического взаимодействия двухвалентного железа с железосинеродистым калием в местах локализации пробоя появлялись области интенсивной окраски синего цвета за счет образования турнбулевой сини.

Пример 3. Образцы микропористого стекла, полученные аналогично примеру 1, насыщали методом погружения в водный раствор ферриоксолата калия, фоточувствительного к ультрафиолетовому излучению аналогично примеру 2. После облучения полученных образцов в режиме оптического внутриобъемного пробоя излучением лазера на алюмоиттриевом гранате образцы пропитывали раствором 1.10-фенантролина, в результате чего в местах локализации пробоя появлялись области интенсивной окраски красного цвета.

Предлагаемое изобретение может найти широкое применение для создания окрашенных внутриобъемных изображений в прозрачных материалах, например, в производстве сувениров и различного рода светильников. Применение предложенного способа получения внутриобъемных трехмерных окрашенных рисунков в прозрачных изделиях позволит повысить их художественные и потребительские качества.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Авторское свидетельство СССР N 1106798, кл. С 03 С 17/22, 1984.

2. US, Патент N 4769310, кл. G 03 C 5/16, 1988.

3. Авторское свидетельство СССР N 891489, кл. В 44 С 5/00, 1981.

4. Гулоян Ю. А. Декоративная обработка стекла и стеклоизделия. - М.: Высшая школа, 1987, с. 222.

5. Патент РФ N 2008288, кл. С 03 С 23/00, 1994.

6. Дж.Рэди. Действие лазерного излучения. - М.: Мир, 1975.

7. Шашлов Б.А. Теория фотографического процесса. - М., 1971.

8. Гиллебранд В. Ф. и др. Практическое руководство по неорганическому анализу. - М., 1957.

9. Несеребряные фотографические процессы. Под ред. Картужанского А.А. - Л.: Химия, 1984.

Предлагаемое изобретение относится к технологиям лазерной обработки твердых материалов, и, в частности, к технологии создания изображений внутри объема прозрачных изделий с различными цветовыми эффектами. Предлагаемый способ обеспечивает возможность получения трехмерных цветных внутриобъемных изображений. Сущность изобретения: фокусируют лазерное излучение в заданной точке прозрачного образца и облучают образец с плотностью мощности, превышающей пороговое значение для объемного пробоя материала. В качестве прозрачного образца используют пористое стекло, в которое вводят по крайней мере одно вещество, необратимо изменяющее свои физико-химические свойства внутри объема прозрачного образца под воздействием факторов оптического пробоя. 4 з.п.ф-лы.

1. Способ лазерного формирования цветных изображений, заключающийся в том, что фокусируют лазерное излучение в заданной точке прозрачного образца и облучают образец с плотностью мощности, превышающей пороговое значение для объемного пробоя материала, отличающийся тем, что в качестве прозрачного образца используют пористое стекло, в которое вводят по крайней мере одно вещество, необратимо изменяющее свои физико-химические свойства внутри объема прозрачного образца под воздействием факторов оптического пробоя. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что после облучения добавляют в прозрачный образец по крайней мере еще одно вещество, вступающее в химическую реакцию по крайней мере с одним первоначально введенным веществом, измененным под воздействием факторов оптического пробоя. 3. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что после облучения образец подвергают термической обработке. 4. Способ по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что после облучения образец подвергают дополнительной оптической обработке. 5. Способ по любому из пп.1 - 4, отличающийся тем, что после облучения образец подвергают дополнительной обработке звуковыми волнами.