□文/南京信息工程大學(xué)物理學(xué)教授、博導(dǎo) 劉玉柱 南京信息工程大學(xué) 俞文杰

2022北京冬奧會(huì)開(kāi)幕式再一次驚艷了世界！開(kāi)幕式上，震撼的畫(huà)面令人目不暇接，激光雕刻的“冰雪五環(huán)”更是將整個(gè)開(kāi)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?！八楸健钡牡窨踢^(guò)程寓意著“破冰之旅”，更象征著全世界的友好往來(lái)……

“激光雕刻”一詞，在生活中并不少見(jiàn)。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(dāng)下最時(shí)髦的科技名詞之一。事實(shí)上，激光本來(lái)不叫“激光”，而叫 “鐳射”，它的英文全稱(chēng)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(xiě)，音譯為“鐳射”，1964年按照我國(guó)著名科學(xué)家錢(qián)學(xué)森的建議改稱(chēng)“激光”。

在了解激光的原理之前，我們不妨來(lái)看看普通光源的發(fā)光機(jī)理。一般光源如太陽(yáng)光、白熾燈光等，其發(fā)光機(jī)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(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，相比于普通光，激光又有哪些優(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(kāi)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(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)

激光雕刻與普通雕刻大同小異，只是激光雕刻是將激光當(dāng)成一把“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)使激光照射點(diǎn)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(jī)上，還增加了一個(gè)“吹氣”裝置，在雕刻過(guò)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，只要將預(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出設(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，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，再配上高精度的機(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(jiàn)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(jiàn)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(yīng)用

那么，激光雕刻到底可以應(yīng)用在哪些方面呢？

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(jiàn)的工藝品加工、廣告牌刻字、皮革雕花等也都離不開(kāi)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(lái)了極大的便利，這把又快又準(zhǔn)的“雕刻刀”為我們勾勒出一個(gè)更美的世界。

讓我們?cè)跒槎瑠W喝彩的同時(shí)，也為科學(xué)發(fā)展和中國(guó)“智造”點(diǎn)贊！

激光加工

激光內(nèi)雕工藝品