СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ Российский патент 2000 года по МПК B44C5/00 

Изобретение относится к лазерной технологии создания изображений внутри объема прозрачного твердого материала при изготовлении декоративных изделий.

Известны способы формирования изображений, заключающиеся в обработке оптически прозрачного твердого материала импульсным лазерным излучением в режиме оптического пробоя путем фокусировки его и формирования следа оптического пробоя в виде микротрещин в дискретных точках объема заготовки, образующих изображения, при их относительном перемещении по заданной программе (RU, патент 1838163, кл. B 44 C 5/00, 1992; RU, патент 2087322, кл. B 44 C 5/00, 1997 - аналоги; RU, патент 2111128, кл. B 44 C 5/00, 1998 - ближайший аналог).

Известные способы формирования изображении внутри оптически прозрачных твердых материалов предъявляют достаточно жесткие требования к качеству поверхности плоскости заготовки, пропускающей лазерное излучение (полировки не хуже, чем N ΔN = 10), а также накладывают ограничения на форму заготовки, т. к. обработка заготовки, не имеющей плоской поверхности, или заготовки сложной формы требует создания чрезвычайно сложной программы для получения изображения достаточно высокого качества
Задачей заявляемого изобретения является устранение упомянутых недостатков для расширения функциональных возможностей способа.

Поставленная задача достигается тем что в способе формирования изображений, заключающемся в обработке заготовки из оптически прозрачного твердого материала импульсным лазерным излучением в режиме оптического пробоя путем фокусировки его в дискретных точках объема заготовки, образующих изображение, - на пути сфокусированного лазерного луча перед заготовкой размещают просветленную пластину, а пространство между пластиной и заготовкой заполняют иммерсионной жидкостью, причем показатели преломления иммерсионной жидкости и материала просветленной пластины равны показателю преломления материала заготовки.

Сформированный таким образом на пути лазерного излучения дополнительный объем, примыкающий к объему заготовки, из материалов с показателями преломления, равными показателю преломления материала заготовки в виде просветленной пластины и иммерсионной жидкости как бы оптически "достраивает" форму заготовки, снабжая ее плоскостью с заданным качеством поверхности.

Таким образом создается возможность обработки заготовок, не имеющих плоских поверхностей, практически любой формы без разработки специальной дополнительной программы для блока управления.

Кроме того, просветленную на длину волны лазера пластину изготавливают с очень высоким качеством наружной поверхности, что снижает требования к качеству полировки заготовки, т.е. удешевляет заготовку, и одновременно улучшает условия возникновения оптического пробоя за счет снижения энергии, необходимой для пробоя.

Осуществление лазерной обработки заготовки в условиях согласно заявляемому способу неожиданно создает возможности, отличные от описанных в уровне техники.

Способ поясняется чертежом, на котором изображена принципиальная схема устройства для формирования изображений с приспособлениями для реализации способа. Устройство содержит лазер 1, телескоп 2, поворотное зеркало 3, объектив 4 и координатный стол 5 (блок управления не показан).

Способ осуществляется следующим образом.

На координатном столе 5 закрепляют сосуд 6 с иммерсионной жидкостью 7, в которую погружают заготовку 8. Заготовка 8 может не иметь плоской поверхности, например, иметь форму шара, элипсоида и др. Показатель преломления иммерсионной жидкости должен быть такой же, как у материала заготовки. Например, это может быть жидкость на основе воды.

На поверхности иммерсионной жидкости 7 на пути сфокусированного объективом 4 лазерного луча размещают без воздушной прослойки просветленную на длину волны лазера пластину 9, наружная поверхность которой имеет качество полировки с неровностями не более 0,5 длины волны лазера. Просветленная пластина 9 может быть выполнена из того же материала, что и заготовка 8, или из материала с таким же показателем преломления. В частности, в качестве материала заготовки и просветленной пластины может быть использовано оптическое стекло.

Размещение на пути сфокусированного луча лазера просветленной пластины и заполнение пространства между нею и заготовкой иммерсионной жидкостью как бы создает наружную плоскую поверхность для любой формы заготовки, т.к. показатели преломления просветленной пластины, и иммерсионной жидкости, и материала заготовки одинаковы.

После запуска программы лазер 1 с фокусирующим объективом 4 и координатный стол 5 с заготовкой 8 взаимно перемещаются по трем координатам для фокусировки излучения лазера 1 в заданных точках заготовки 8 и образования в фокусе объектива 4 под действием энергии оптического пробоя четко видимой точечной области. При этой используют программу, созданную без учета формы заготовки.

Пример.

В качестве источника излучения используют импульсный твердотельный лазер на иттрий-алюминиевом гранате, активированном трехвалентными ионами неодима ИАГ:Nd³⁺ с модулированной добротностью с длиной волны 1,06 мкм. Заготовку из оптического стекла К-8 в форме шара погружают в сосуд с иммерсионной жидкостью, который закрепляют на столике манипулятора. Качество полировки поверхности заготовки не ниже N/ΔN = 20, что вдвое ниже требований по качеству полировки заготовок в известных способах. В качестве иммерсионной жидкости используют глицерин, состав которого подбирают для получения показателя преломления, максимально приближенного к показателю преломления стекла К-8 и равного 1,52. На поверхность иммерсионной жидкости устанавливают пластину из оптического стекла К-8 без воздушной прослойки между поверхностью иммерсионной жидкости и контактирующей с ней поверхностью пластины. Наружная поверхность пластины имеет качество полировки с шероховатостью не более 0,5 длины волны лазера и на нее нанесена просветляющая пленка на длину волны лазера.

Излучение лазера, проходящее через просветленную пластину и слой иммерсионной жидкости, фокусируют в дискретных точках заготовки в форме шара. Энергия, необходимая для оптического пробоя, составляет 5-10 мДж (35-80 мДж в способе по патенту 1838163) при длительности импульса 15 нс.

Изобретение расширяет технологические возможности способа, не требуя сложной оснастки, позволяет изготавливать декоративные изделия разнообразной формы и с высоким качеством изображений, без использования сложных программ, получать изображения высокого качества при снижении требований к качеству полировки заготовки и снижении энергии оптического пробоя.

Способ формирования изображений для повышения качества изображений заключается в том, что на пути сфокусированного луча перед заготовкой размещают просветленную пластину, а пространство между пластиной и заготовкой заполняют иммерсионной жидкостью. Изобретение расширяет технологические возможности способа, позволяет изготавливать декоративные изделия разнообразной формы и с высоким качеством изображения. 1 ил.

Способ формирования изображений, заключающийся в обработке заготовки из оптически прозрачного твердого материала импульсным лазерным излучением в режиме оптического пробоя путем фокусировки его в дискретных точках объема заготовки, образующих изображение, отличающийся тем, что на пути сфокусированного луча перед заготовкой размещают просветленную пластину, а пространство между пластиной и заготовкой заполняют иммерсионной жидкостью, причем показатели преломления иммерсионной жидкости и материала просветленной пластины равным показателю преломления материала заготовки.