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激光精细刻划技术应用于钻石珠宝行业

时间：2017/3/12 13:29:38  来源： 打印本文
1.引言
　　激光精细刻划技术具有标记速度快，字迹和图形清晰美观，安全无污染，不影响基材品质的特点，在钻石珠宝行业引发了革命性的变化，并正以其独特的优势取代传统的刻划方法。长春新产业光电技术有限公司依托中国科学院长春光机所的技术优势，成功研制了具有多项核心技术和自主知识产权的系列激光精细刻划系统。该系列激光精细刻划设备综合了激光技术和计算机技术的光机电一体化系统，其主要性能指标达到了国际同类产品的水平。
　　2.激光刻划技术的原理与优势
　　激光精细刻划系统主要由激光器、激光聚焦与成像光学系统、平移台和驱动系统、输入/输出控制卡、计算机和控制软件等组成。
　　激光器输出高峰值功率的激光，经扩束镜和物镜形成直径很小的光斑并聚焦到物件的表面，在局部形成高能量密度的光辐照，材料吸收一部分光能，并将其转换成热量，热量会通过材料传导使物件气化，达到打标的目的。激光器的功率强度和脉宽是影响激光束与材料相互作用的关键因素，强度越强，脉宽越窄，刻划越深。聚焦斑点的大小和质量是影响激光精细刻划的重要因素，激光聚焦的大小还受激光光束质量的影响，因此聚焦光斑的大小决定激光精细刻划线条的粗细。
　　图1和图2为长春新产业光电技术有限公司研制的EP10系列激光精细刻划机和AHB-Scribe系列带有CCD摄像头和电动平移台的钻石激光微刻机。
 
　　激光精细刻划机的工作过程：激光束经过振镜系统，再经物镜聚焦于物件的表面，计算机控制振镜运动，实现光束按照设定的路径移动并在物件表面形成刻蚀。
　　钻石激光微刻机的工作过程：光学系统将钻石成像于CCD的像元面上，CCD采集其图像并显示在计算机屏幕上，用于选取刻字的位置，以保证激光光束聚焦于所选区域的表面。钻石激光微刻机采用物件移动的方式进行扫描，电动平移台将物件按照设定的路径作二维移动，从而实现激光光束聚焦于物件表面形成刻蚀，该方法更适合精细标刻。
　　EP10系列激光精细刻划机使用的是光束质量M2<1.1，脉冲宽度<5ns，波长为1064nm的YAG调Q红外脉冲激光器，该设备具有以下特点：
　　1.体积小巧，结构紧凑，方便携带；
　　2.实现完全风冷，热耗损低，无需单独配备冷却系统；
　　3.输出激光光斑较小，打标线条较细，更适合一些较精细图文的标记；
　　4.光束质量好，输出激光稳定性高，打标效果易调试；
5.整机性能稳定，体积小，功耗低。
AHB-Scribe系列钻石激光微刻机使用的是光束质量M2<1.05，脉冲宽度<3ns，波长为1064nm的YAG调Q红外脉冲激光器，该设备有以下优点：
　　使用自主研发的具有国际领先水平的调Q激光器，激光光束质量好，与物质作用时间<3ns，热效应极小； 高倍扩束器和双波段消像差聚焦镜联合使用，完美的设计使聚焦光点小至 5μm；
　　使用高精度X-Y-Z数控电移平台，重复定位精度达到±1μm； 使用激光和CCD显微共焦瞄准光学系统，使微米级被刻钻石图像和激光刻线同时显示在屏幕上，操作人员的眼睛不感到疲劳； 特殊设计的软件可以输入编辑任何文字图形，操作简单易学； 设备使用寿命>20 000小时，总耗电量<200W，无水冷，免维护。
　　3.应用领域
　　与传统的钻石粉研磨和离子束刻划方法相比，激光精细刻划技术具有标记速度快，可随意选择字符和图案，字迹清晰美观，对钻石的光泽度和纯度不产生任何影响，并具有安全无污染，操作简单和成本低廉的优点，因此在钻石珠宝行业得到了广泛应用 。
　　众所周知，钻石是世界上最坚硬的物质，比红蓝宝石的硬度高150倍。人们日常做珠宝首饰用的钻石体积非常小，因此想在其表面上实现微标记，其难度可想而知。长春新产业光电技术有限公司研制的AHB-Scribe系列钻石激光微刻机，可以在钻石腰线上刻出字高50μm 的英文字母和阿拉伯数字，相当于在1mm2的面积内刻出400个字符。这种标刻对钻石形成的损耗仅为万分之一克拉，对以克拉为单位的钻石商业销售不存在任何影响，反而却可以提高钻石标刻后的售价。图3和图4为长春新产业光电技术有限公司的AHB-Scribe系列钻石激光微刻机在钻石上标记的个性化样品，美国总统的名字在钻石上清晰可见。
 
　　激光精细刻划技术所具备的更深雕刻的特性，也非常适合在贵重且精小的戒指、项链等珠宝首饰表面实现耐磨的永久性标记。在当今珠宝市场，个性化的标刻深受顾客的青睐，如在首饰等配件上标刻上有特殊意义的文字，祝福语和个性化的图案等。此外，激光精细刻划技术还可以在诸如铜、不锈钢、银、黄金、K金、白金、铂金和钛等绝大多数材料制品表面上实现各种标记。图5，图6，图7和图8都是用长春新产业光电技术有限公司的EP10系列激光精细刻划机在戒指、项链等首饰上实现的个性化标记样品。
结束语

　　激光精细刻划技术所具有的优点正在改变传统的刻划方法，并将对珠宝行业产生革命性的影响。中国钻石珠宝行业从20世纪90年代便开始进入一个迅猛的发展期，其中钻石业的发展速度更是惊人！中国作为世界第二大钻石消费国，未来发展前景看好。相信随着钻石珠宝行业的发展和人们对此类物品赋予的特殊附加意义，激光精细刻划技术将得到更加广泛的应用。