快工也能出細活從冬奧會開幕式聊聊神奇的激光雕刻

□文/南京信息工程大學物理學教授、博導 劉玉柱 南京信息工程大學 俞文杰

2022北京冬奧會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)”更是將整個開幕式推向了高潮：舞臺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？激光雕刻又是什么原理呢？

冰雪五環(huán)

激光和普通光有啥不同

“激光”似乎成了當下最時髦的科技名詞之一。事實上，激光本來不叫“激光”，而叫 “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年按照我國著名科學家錢學森的建議改稱“激光”。

在了解激光的原理之前，我們不妨來看看普通光源的發(fā)光機理。一般光源如太陽光、白熾燈光等，其發(fā)光機制為“自發(fā)輻射”，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。而對于激光光源，它的發(fā)光機制為“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，相比于普通光，激光又有哪些優(yōu)點呢？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，激光更像是一條細細的直線，激光定位、導向、測距等就利用了其方向性好的特點。第二，激光的單色性好。計量工作的標準光源、激光通信等都離不開它。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

激光雕刻與普通雕刻大同小異，只是激光雕刻是將激光當成一把“雕刻刀”。在雕刻時，激光會直接照在加工件上，使材料的溫度瞬間增加至極高。這樣的高溫會使激光照射點處極小范圍內(nèi)的材料瞬間熔化甚至汽化，便能在加工件上雕刻出痕跡。

此外，在大多數(shù)的激光雕刻機上，還增加了一個“吹氣”裝置，在雕刻過程中，不斷向激光照射點處噴射氣體。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、布藝制品等材料由于高溫產(chǎn)生的表面碳化，讓材料保持原色，實現(xiàn)出色的雕刻效果。

雕刻前，只要將預先設計好的圖案傳輸至計算機中，計算機控制機械裝置帶動激光頭在加工件上移動，便可在加工件上雕刻出設計好的精美圖案了。

激光憑借亮度高和方向性好的優(yōu)點，確保了激光“雕刻刀”又快又準。激光雕刻時，亮度高的優(yōu)點使得強大的激光能量可以瞬間在樣品表面留下刻痕，因此激光頭的移動可以非常迅速。例如，在工藝品上刻下奧運五環(huán)的圖樣，只需要幾秒。同時，方向性好的優(yōu)點使得雕刻所用的激光束極其纖細，聚焦后在加工件表面只會留下極小的刻痕，再配上高精度的機械引導裝置，任何細微復雜的圖案都能夠被精準雕刻。

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)雕是用特殊的機器，將激光束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就是利用了這種技術(shù)。

激光雕刻都有哪些應用

那么，激光雕刻到底可以應用在哪些方面呢？

事實上，激光雕刻的應用領(lǐng)域多達上百個，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)展給我們的生活帶來了極大的便利，這把又快又準的“雕刻刀”為我們勾勒出一個更美的世界。

讓我們在為冬奧喝彩的同時，也為科學發(fā)展和中國“智造”點贊！

激光加工

激光內(nèi)雕工藝品