快工也能出細(xì)活神奇的激光雕刻

●文/劉玉柱 南京信息工程大學(xué)教授、博導(dǎo),江蘇省科普作家協(xié)會(huì)會(huì)員 俞文杰 南京信息工程大學(xué)

2022北京冬奧會(huì)開幕式再一次驚艷了世界！開幕式上，震撼的畫面令人目不暇接，激光雕刻的“冰雪五環(huán)”更是將整個(gè)開幕式推向了高潮:舞臺(tái)中央緩緩升起的冰立方由24道激光雕刻出“冰雪五環(huán)”高懸于空，在光與影的交織下，格外耀眼。“碎冰式”的雕刻過程寓意著“破冰之旅”，更象征著全世界的友好往來……

“激光雕刻”一詞，在生活中并不少見。那么，到底什么是激光？激光雕刻利用的是什么原理呢？

激光，不尋常的光源

“激光”似乎成為當(dāng)下最時(shí)髦的科技名詞之一。事實(shí)上，激光本來不叫“激光”，而是 “鐳射”，它的英文全稱是“Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”，意思是“輻射的受激發(fā)射光放大”。“LASER”是其英文縮寫，音譯為“鐳射”，1964年按照我國(guó)著名科學(xué)家錢學(xué)森的建議改稱“激光”。

一般光源如太陽光、白熾燈等，其發(fā)光機(jī)制為“自發(fā)輻射”，它們發(fā)出的光是由一系列頻率、相位和偏振不同的光組合形成的。這些發(fā)光體的電子躍遷情況不相同，步調(diào)也不一致。而對(duì)于激光光源，它的發(fā)光機(jī)制為“受激輻射”。在激光器中，我們先給大量的原子提供能量，讓它們的電子處在激發(fā)態(tài)，然后用特定頻率的光子去激發(fā)這些原子，就可以釋放出大量跟入射光子頻率、相位完全相同的光子。這些“一模一樣”的光子疊加之后，就形成了高能量的激光。

那么，激光相比于普通光源，又有哪些優(yōu)點(diǎn)呢？第一，激光擁有良好的方向性。與普通光源“發(fā)散”的光線不同，激光更像是一條細(xì)細(xì)的直線，激光定位、導(dǎo)向、 測(cè)距等就利用了其方向性好的特點(diǎn)。第二，激光的單色性好。計(jì)量工作的標(biāo)準(zhǔn)光源、激光通信等都離不開激光良好的單色性。第三，激光的亮度高。它的能量高度集中，能在極小區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生極高的溫度，激光切割、激光雕刻、激光武器、激光誘導(dǎo)擊穿光譜等都是利用了它高亮度的特性。

激光雕刻為什么又快又準(zhǔn)

激光雕刻的方式與普通雕刻大同小異，只是激光雕刻是將激光當(dāng)作一把“雕刻刀”。在雕刻時(shí)，激光會(huì)直接照在加工件上，使材料的溫度瞬間增加至極高。這樣的高溫會(huì)使得激光照射點(diǎn)處極小范圍內(nèi)的材料瞬間熔化甚至汽化，這樣便能在加工件上“雕刻”下痕跡。

此外，在大多數(shù)的激光雕刻機(jī)上還增加了一個(gè)“吹氣”裝置，在雕刻過程中，不斷向激光照射點(diǎn)處噴射氣體。噴射的氣體不僅可以帶走雕刻產(chǎn)生的粉塵和廢渣，而且可以起到降溫的作用，從而減輕木制品、皮革制品、布藝制品等材料雕刻時(shí)由于高溫產(chǎn)生的表面碳化，讓材料保持原色，實(shí)現(xiàn)出色的雕刻效果。雕刻前，將預(yù)先設(shè)計(jì)好的圖案?jìng)鬏斨劣?jì)算機(jī)中，計(jì)算機(jī)控制機(jī)械裝置帶動(dòng)激光頭在加工件上移動(dòng)，便可在加工件上雕刻下設(shè)計(jì)好的精美圖案了。

激光憑借亮度高和方向性好的優(yōu)點(diǎn)，確保了激光“雕刻刀”又快又準(zhǔn)。激光雕刻時(shí)，亮度高的優(yōu)點(diǎn)使得強(qiáng)大的激光能量可以瞬間在樣品表面留下刻痕，因此激光頭的移動(dòng)可以非常迅速。例如，在工藝品上刻下奧運(yùn)五環(huán)的圖樣，僅僅只需要幾秒。同時(shí)，方向性好的優(yōu)點(diǎn)使得雕刻所用的激光束極其纖細(xì)，聚焦后在加工件表面只會(huì)留下極小的刻痕，配上高精度的機(jī)械引導(dǎo)裝置，任何細(xì)微復(fù)雜的圖案都能夠被精準(zhǔn)雕刻。

值得一提的是，隨著激光雕刻技術(shù)的發(fā)展，激光內(nèi)雕也逐漸流行。與常見的激光外雕方式不同，激光內(nèi)雕是用特殊的機(jī)器，將激光束配合多種光學(xué)元件，從不同角度射入透明的物體，在內(nèi)部完成雕刻，形成栩栩如生的立體圖案。常見的水晶雕刻工藝品都是利用了這種技術(shù)。

事實(shí)上，激光雕刻的應(yīng)用領(lǐng)域多達(dá)上百個(gè)，竹木制品、塑料制品、金屬制品、玻璃制品等都可以利用激光進(jìn)行雕刻。常見的工藝品加工、廣告牌刻字、皮革雕花等也都離不開激光雕刻技術(shù)。

激光雕刻技術(shù)的發(fā)展為我們的生活帶來了極大的便利，這把又快又準(zhǔn)的“雕刻刀”也為我們勾勒出一個(gè)更美的世界。讓我們一起為科學(xué)發(fā)展和中國(guó)“智造”點(diǎn)贊！