Способ лазерного формирования изображения в прозрачных образцах (его варианты)

 

Изобретение относится к лазерной технологии и может быть использовано для создания художественных изделий и маркировки прозрачных материалов. Сущность изобретения заключается в фокусировке в объеме образца импульсного лазерного излучения с плотностью мощности, превышающей порог разрушения образца, до образования областей повреждения и перемещения образца по заданному закону. В процессе формирования изображения по крайней мере часть его создают построением подобных поверхностей, где n ≥ 2, а взаимное перемещение образца и точки фокусировки осуществляют так, что области повреждений не перекрываются. В процессе формирования изображения по крайней мере часть можно создавать в виде мозаики, элементы которой формируют из точек пробоя, причем повреждения вокруг точек пробоя в пределах каждого элемента мозаики перекрываются. Данным способом создают выразительные высококонтрастные и механически прочные изделия. 2 с. и 1 з. п. ф-лы.

Предлагаемая группа изобретений относится к области лазерной технологии и может быть использована для создания художественных изделий или сувениров из широкого класса прозрачных материалов, а также для маркировки изделий из таких материалов.

Известен способ изготовления декоративных изделий из прозрачного материала [см. А.с. СССР N321422, МКИ C 03 C 23/00, приор. 16.02.1970 г.] путем изменения его структуры при термообработке, осуществляемой посредством концентрации лучистой энергии в определенной точке объема при последовательном перемещении материала по заданному рисунку. Одним из недостатков этого способа является то, что его широкое использование возможно лишь для материалов с достаточно высоким показателем поглощения, обеспечивающим нагрев материала вплоть до изменения его структуры. С другой стороны, обработка материалов с высоким показателем поглощения приводит к непроизводительным затратам энергии лазерного излучения при создании изображений на значительной глубине в образце.

Известен также способ лазерного формирования изображения в твердых средах [см. Пат. РФ N 2008288, МКИ C 03 C 23/00, приор. 23.04.1991 г.], включающий фокусировку в заданной точке в объеме образца лазерного излучения с плотностью мощности, превышающей пороговое значение объемного пробоя материала, и перемещение образца относительно лазерного луча в трех взаимно перпендикулярных направлениях. Нам представляется, что этот способ является лишь частным случаем упоминавшегося ранее авторского свидетельства, а указанных в нем признаков недостаточно для решения задачи сохранения целостности поверхности образца и его объема до заданной точки при облучении. Использование для фокусировки излучения рекомендуемых автором короткофокусных оптических систем не гарантирует сохранения целостности. Действительно, "поскольку пороговое значение плотности мощности поверхностного пробоя для прозрачных сред имеет меньшую величину, чем для объемного пробоя...", то для любой короткофокусной оптической системы вблизи поверхности образца всегда короткофокусной оптической системы вблизи поверхности образца всегда найдется такой объем среды, разрушение которого будет происходить либо одновременно с пробоем поверхности, либо не будет происходить вовсе из-за экранировки объема областью пробоя поверхности. С другой стороны, для любой длиннофокусной системы всегда можно сфокусировать излучение на такую глубину в образце, когда пробой объема будет происходить без разрушения поверхности.

Общим недостатком указанных решений является невысокая художественная выразительность изображений из-за низкого контраста их поверхностей. Это связано с тем, что только центральная часть областей повреждений достаточно эффективно экранирует проходящее излучение. Поэтому для создания высокого контраста поверхности формирующие ее области повреждения должны быть расположены достаточно близко друг к другу. Однако в этом случае из-за напряжений вокруг областей повреждений формируется общая трещина, объединяющая их и значительно снижающая не только зрительное восприятие изображения и качество изделий, но их механическую прочность.

Наиболее близким к заявляемой группе изобретений по достигаемому результату является способ лазерного формирования изображений в прозрачных образцах [см. Пат. РФ N 2045862, МКИ C 03 C 23/00, приор. 09.06.1994 г.], выбранный нами в качестве прототипа. Он заключается в фокусировке непрерывного или импульсного лазерного луча в заданной точке в объеме образца с получением плотности мощности излучения, превышающей порог разрушения образца, и перемещении образца относительно точки фокусировки излучения по заданному закону. При этом предварительно фокусируют лазерный луч, имеющий различную расходимость в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, а в процессе формирования изображения изменяют угол между плоскостью с наибольшей расходимостью лазерного луча и поверхностью формируемого участка изображения в зависимости от требуемого контраста данного участка изображения. Такие условия формирования изображения позволяют повысить контраст его поверхностей, (под контрастом поверхности изображения понимается ее контраст относительно необлученной области образца, т.е. величина k = (1-τ)/(1+τ), где τ - пропускание участка поверхности, сформированной областями повреждения образца, измеренное в направлении наблюдения) за счет увеличения поперечного размера области повреждения в плоскости поверхности изображения. Это связано с фокусировкой излучения в пятно в форме эллипса, большая ось которого расположена в указанной плоскости. Однако вследствие увеличения площади пятна возрастает мощность лазерного излучения, необходимая для пробоя. Кроме того, увеличение поперечных размеров областей повреждений приводит к необходимости располагать их на большем расстоянии друг от друга для исключения объединения их единой трещиной. Это и низкий контраст периферийных участков областей повреждений приводят к ограничению эффективности способа и невозможности получения высококонтрастных поверхностей.

Технический эффект предлагаемой группы изобретений заключается в том, что она позволяет в объеме образцов формировать высококонтрастные поверхности, создавать выразительные художественные образы, повысить степень зрительного восприятия отображаемого объекта, и сохранить механическую прочность изделий.

Такой результат получен благодаря тому, что по первому варианту в способе лазерного формирования изображения в прозрачных образцах, включающем фокусировку в объеме образца импульсного лазерного излучения с плотностью мощности излучения, превышающей порог разрушения образца, до образования областей повреждения и перемещение образца по заданному закону, в процессе формирования изображения по крайней мере часть его создают построением n подобных поверхностей, где n≥2, а взаимное перемещение образца и точки фокусировки осуществляют так, что области повреждения не перекрываются.

Если области повреждения создают из m точек пробоя, где m≥2, причем повреждения вокруг этих точек перекрываются, то возникает дополнительный эффект цветовой игры поверхности, что значительно украшает формируемое изображение и делает изделие в целом более богатым для восприятия.

По второму варианту в способе лазерного формирования изображения в прозрачных образцах, включающем фокусировку в объеме образца импульсного лазерного излучения с плотностью мощности излучения, превышающей порог разрушения образца, до образования областей повреждения и перемещение образца по заданному закону, в процессе формирования изображения по крайней мере часть его создают в виде мозаики [1], элементы которой формируют из точек пробоя, причем повреждения вокруг точек пробоя в пределах каждого элемента мозаики перекрываются.

Проведенные нами исследования позволили установить, что при построении изображений поверхностей или их участков, расположенных в открытом пространстве и не образующих замкнутого объема, не всегда требуется получение высокого контраста изображения. В то же время низкий контраст изображений поверхностей, образующих замкнутый объем, приводит к тому, что через любой участок такой поверхности виден весь внутренний объем и противоположные участки изображения, что значительно снижает его зрительное восприятие.

Увеличение контраста за счет уменьшения расстояния между всеми областями повреждения, формирующими поверхность изображения, имеет ограничение. Так, нами экспериментально было показано, что со временем происходит значительный рост микротрещин вокруг точек пробоя, что приводит к увеличению первоначальных размеров области повреждения, в некоторых случаях до двух и более раз. Этот эффект в случае близкого расположения точек вызывает формирование больших и бесформенных областей повреждения. Поэтому, для сохранения качества и механической прочности изделия, изображения должны создаваться их точек пробоя, расположенных на достаточно большом удалении друг от друга, чтобы повреждения вокруг них не перекрывались, что и приводит к ограничению контраста.

Нами было показано, что можно достичь высокого уровня художественной выразительности изображения, дать зрительную иллюзию объемности, внутренней наполненности образа формированием высококонтрастных поверхностей двумя путями.

1. Путем построения n подобных участков изображений (n≥2) и размещении областей повреждения так, что они не перекрываются. При этом области повреждения, формирующие последующие слои, как правило размещают между областями повреждений в предыдущих слоях при наблюдении изображения с точки зрения, зависящей от предлагаемой ориентации изделия. Так, при построении уже двухслойной поверхности контраст возрастает более чем в два раза. Это происходит вследствие практически двукратного увеличения плотности областей повреждения на единичной поверхности. Кроме того, рассеяние излучения на разнесенных между собой слоях дает дополнительный вклад в увеличении контраста.

2. Путем формирования в объеме образцов однослойных поверхностей с высоким контрастом, что достигается за счет создания их в виде мозаики, элементы которой формируют из точек пробоя, причем повреждения вокруг точек пробоя в пределах каждого элемента мозаики перекрываются. В этом случае правильно подобранные элементы мозаики, создавая зрительное ощущение упорядоченности элементов поверхностей изображения, не только не ухудшают, но в большинстве случаев даже и усиливают его художественную выразительность и при этом не оказывают влияния на механическую прочность образца.

Варианты предлагаемой группы изобретений осуществляются следующим образом. Облучение производят излучением импульсного лазера. Энергию излучения выбирают выше пороговой на 20-30%, чтобы при воздействии уверенно возникал пробой, но при этом формировалась область повреждения небольшого размера, по форме напоминающая небольшой шар или эллипсоид. Вид области повреждения зависит как от условий облучения, так и от линейных и нелинейных параметров материала. Поэтому для фокусировки излучения используют линзу, фокусное расстояние F которой выбирают исходя из максимальной глубины, на которой необходимо формировать изображение в образце. После этого для каждого материала выбирают диаметр пучка D на входе в линзу таким, чтобы в одиночном выстреле формировалась область разрушения по возможности более близкая к точке, а не к линии.

Перед формированием изображения в материале производят оптический пробой в контрольном образце из того же материала в выбранных условиях облучения, образец выдерживают в течение нескольких дней после облучения, а затем измеряют поперечные и продольные размеры образовавшихся областей повреждения. Такие измерения по различным координатам позволяют установить минимальное расстояние между точками, обеспечивающее выполнение изображения из неперекрывающихся областей повреждений.

На стадии разработки изображения создают таблицу координат точек, определяющих вид этого изображения, включая однослойные, многослойные и мозаичные участки поверхностей. При формировании изображений сложных объектов, состоящих из сотен и тысяч точек пробоя, для правильного размещения областей повреждения в различных слоях и в элементах мозаики используют моделирование этих объектов и их предварительный просмотр под различными углами зрения на экране монитора с помощью стандартных программ. Затем с помощью лазера, ЭВМ и устройств перемещения образца и/или точки фокусировки лазерного излучения изображение выполняют в образце. При этом, как правило, изображение выполняется начиная с наиболее удаленной от линзы точки и далее при последовательном приближении к входной поверхности образца, чтобы исключить экранировку уже сформированными областями повреждений более удаленных от входной поверхности образца участков изображения.

По предложенной технологии нами были выполнены различающиеся по сложности, глубине объемной проработки и богатству образности изображения: здания, фигурки птиц, парусное судно и др. В качестве источника облучения использовался импульсный лазер на АИГ:Nd³⁺ (λ = 1.06 мкм, t_имп.~20 нс), работающий в режиме генерации одной поперечной и многих продольных мод, что позволяло производить оптический пробой при меньших уровнях энергии излучения в импульсе, по сравнению с одночастотным режимом [2, 3]. В качестве рабочего материала использовались промышленные оптические стекла марок К, ТФ, БК и др. Размер образцов составлял до 50x50x80 мм, размер изображений - до 40x40x60 мм. Контраст поверхностей вычислялся исходя из измерений их пропускания в видимой области спектра (λ = 0.55 мкм) на спектрофотометре СФ-26 в пучке площадью ~ 1 см² в направлении, перпендикулярном этим поверхностям. Пропускание измерялось относительно пропускания необлученного образца из того же материала (τ = 1), чтобы исключить влияние отражения на поверхностях образца на результаты измерений. Художественная выразительность изделий определялась методом экспертных оценок.

Для сравнения художественной выразительности и контраста изделий, выполненных различными методами (по способу-прототипу и по предлагаемым вариантам) нами были изготовлены художественные изделия и образцы с изображением участков плоских поверхностей. Проведенные экспертные оценки показали, что все изображения, выполненные предложенными нами способами, обладали более высокой художественной выразительностью. Измерения контраста выполнялись в образцах с изображением участков плоских поверхностей. По 1-му варианту было получено увеличение в 2.2 раза контраста для двухслойной поверхности (τ = 0.77, k = 0.13) по сравнению с однослойной (τ = 0.89, k = 0.06), и в 3.2 раза для трехслойной (τ = 0.68, k = 0.19).

По 2-му варианту по сравнению с однослойной поверхностью было получено увеличение контраста в 1.8 и 2.3 раза для поверхностей, выполненных в виде мозаики, где в качестве элементов мозаики использовались квадраты (τ = 0.81, k = 0.11 и шестигранники (τ = 0.76, k = 0.14) соответственно.

В настоящее время по предлагаемой группе изобретений разработана технология изготовления и организовано производство сувениров и художественных изделий из стекла.

Формула изобретения

1. Способ лазерного формирования изображения в прозрачных образцах, включающий фокусировку в объеме образца импульсного лазерного излучения с плотностью мощности, превышающей порог разрушения образца, до образования областей повреждения и перемещение образца по заданному закону, отличающийся тем, что в процессе формирования изображения по крайней мере часть его создают построением n подобных поверхностей, где n ≥ 2, а образец перемещают так, что области повреждения не перекрываются.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что области повреждения создают из m точек пробоя, где m ≥ 2, причем повреждения вокруг этих точек перекрываются.

3. Способ лазерного формирования изображения в прозрачных образцах, включающий фокусировку в объеме образца импульсного лазерного излучения с плотностью мощности, превышающей порог разрушения образца, до образования областей повреждения и перемещение образца по заданному закону, отличающийся тем, что в процессе формирования изображения по крайней мере часть его создают в виде мозаики, элементы которой формируют из точек пробоя, причем повреждения вокруг точек пробоя в пределах каждого элемента мозаики перекрываются.