Bên trong lăng kính: Cách tia Laser chụp ảnh 3D bên trong tinh thể
Bắn một tia laser năng lượng cao xuyên qua kính rắn và theo logic, nó sẽ để lại vết cháy dọc theo đường đi của nó. Khắc laser dưới bề mặt thách thức kỳ vọng này bằng cách dựa vào sự hấp thụ quang phi tuyến tính. Sử dụng laser Nd: YAG nhân đôi tần số phát ra ở bước sóng xanh 532 nanomet, ánh sáng truyền qua kính trong suốt mà không làm nóng bề mặt. Năng lượng truyền thẳng qua vật liệu cho đến khi chạm vào tọa độ mục tiêu cụ thể bên trong.
Ống kính lấy nét có thể thực hiện được thủ thuật này. Họ tập trung chùm tia laser xuống đường kính tiêu điểm trong khoảng từ 15 đến 25 micromet. Bên ngoài vùng hội tụ chặt chẽ này, mật độ năng lượng vẫn ở dưới ngưỡng hư hại của kính. Bên trong tiêu điểm, mật độ năng lượng tăng vọt lên trên 500 MW/cm2. Cường độ ánh sáng tại tọa độ đó tách các electron liên kết khỏi nguyên tử, tạo ra một vi plasma cục bộ. Sóng xung kích tạo ra tạo ra một vết nứt vi mô được kiểm soát gọi là voxel—có chiều rộng khoảng 30 đến 80 micron. Bề mặt bên ngoài vẫn mịn khi chạm vào.
Hóa học của việc lựa chọn thủy tinh
Việc thực hiện khắc laser sạch bên trong kính đòi hỏi nguyên liệu thô nguyên sơ. Thủy tinh nổi soda-vôi tiêu chuẩn, thường được sử dụng trong cửa sổ hoặc đồ uống, bị hỏng ngay lập tức dưới các xung laser dưới bề mặt. Thủy tinh giá rẻ chứa các túi khí cực nhỏ, ô nhiễm oxit sắt và lực căng cơ học không đồng đều. Khi xung laser nano giây chạm vào tạp chất cực nhỏ, sự giãn nở nhiệt sẽ lan truyền không kiểm soát được. Tinh thể vỡ ra bên trong, biến các đám mây điểm có độ chi tiết cao thành các vết nứt dạng màng.
Vật kỷ niệm có độ chính xác cao yêu cầu tinh thể K9 cấp quang học. K9 là loại vương miện bằng thủy tinh borosilicate chuyên dụng được sản xuất với tiêu chuẩn độ tinh khiết nghiêm ngặt. Nó có chiết suất 1,5168 và tính đồng nhất bên trong đặc biệt. Độ phân tán thấp đảm bảo rằng các tia laser hội tụ uốn cong có thể dự đoán được mà không bị biến dạng sớm. Khi thực hiện khắc laser tinh thể K9, mọi vết nứt vi mô vẫn nằm trong vùng chặt chẽ từ 30 đến 80 micron, duy trì độ sắc nét trên hàng triệu điểm riêng lẻ.
Thông số kỹ thuật và thông số vận hành
Kiểm soát chính xác thời gian phát xung và công suất đầu ra sẽ xác định xem hình ảnh có sắc nét hay mờ hay không. Các thông số sau đây chi phối quá trình laser dưới bề mặt.
| tham số | Giá trị tiêu chuẩn | Tác động hoạt động |
|---|---|---|
| Bước sóng Laser | 532 nm (Tần số nhân đôi Nd: YAG) | Đi qua tinh thể trong suốt với độ hấp thụ tuyến tính gần như bằng không. |
| Thời lượng xung | 3 đến 8 nano giây | Hạn chế nhiệt để tránh gãy xương cấu trúc kính. |
| Đường kính tiêu điểm | 15 đến 25 micron | Xác định độ phân giải vật lý của từng điểm ảnh ba chiều 3D. |
| Mật độ công suất đỉnh | > 500MW/cm2 | Vượt quá ngưỡng phân tích quang học ở tiêu điểm. |
| Đường kính voxel | 30 đến 80 micron | Xác định mật độ điểm và khả năng hiển thị vết nứt vi mô. |
| Chỉ số khúc xạ của vật liệu | 1.5168 (Pha lê K9) | Đảm bảo khúc xạ ánh sáng có thể dự đoán được thông qua độ sâu khối. |
Hình học đường dẫn laser và hiệu ứng bóng
Khắc dưới bề mặt hoạt động theo hình học vật lý nghiêm ngặt. Mỗi voxel được tạo ra bên trong tinh thể sẽ trở thành một vết nứt cực nhỏ làm tán xạ ánh sáng. Sự phân tán này làm gián đoạn các xung laser đang cố gắng đi qua cùng điểm đó sau đó trong chuỗi. Nếu tia laze cố gắng tấn công phía sau điểm ảnh ba chiều hiện có, ánh sáng sẽ phân tán sớm, để lại một điểm trống hoặc một điểm không đúng định dạng. Các kỹ sư gọi hạn chế này là bóng tối quang học.
Các thuật toán phần mềm ngăn chặn hiện tượng đổ bóng bằng cách tính toán đường đi của tia laser từ sau ra trước, so với vật kính. Tia laser bắn vào mặt phẳng sâu nhất bên trong khối trước tiên. Nó hoạt động theo từng lớp, tăng dần từ dưới lên trên. Đường dẫn này để lại một tấm kính trong suốt giữa thấu kính tiêu cự và tọa độ mục tiêu cho mỗi xung.
Giới hạn vật lý và hạn chế thiết kế
Ranh giới vật liệu áp đặt các quy tắc nghiêm ngặt đối với thiết kế laser 3D:
- Giải phóng mặt bằng:Voxel phải cách xa bất kỳ mặt ngoài nào ít nhất 2,0 mm. Khắc quá gần một cạnh sẽ tập trung sức căng bên trong, dẫn đến các vết nứt bề mặt bên ngoài hoặc sứt mẻ các góc.
- Giới hạn mật độ Voxel:Các điểm đóng gói quá chặt sẽ tạo ra các mặt phẳng gãy liên tục. Giữ khoảng cách các điểm trên 100 micron sẽ ngăn chặn các ứng suất bên trong hợp nhất thành các vết nứt lớn.
- Giới hạn độ sâu:Các khối tinh thể dày hơn 150 mm bị suy giảm chất lượng chùm tia. Khi ánh sáng truyền sâu hơn qua kính, những biến đổi quang học nhỏ sẽ làm mềm tiêu điểm, làm giảm mật độ năng lượng.
- Đầu ra đơn sắc:Các vết nứt vi mô phản chiếu ánh sáng trắng xung quanh. Không thể thay đổi màu sắc bên trong ma trận thủy tinh; hiệu ứng màu sắc yêu cầu ánh sáng nền LED bên ngoài.
Xử lý cẩn thận sẽ duy trì chất lượng hình ảnh theo thời gian. Tránh làm rơi các khối pha lê hoặc để chúng tiếp xúc với nhiệt độ thay đổi nhanh trên 40 độ C mỗi phút. Những cú sốc nhiệt đột ngột làm giãn nở các vết nứt vi mô, làm mờ các chi tiết bên trong.
Tại sao khắc laser tinh thể K9 lại yêu cầu laser xanh thay vì laser CO2 hoặc laser sợi quang?
Laser CO2 phát ra ở bước sóng 10.600 nanomet, khiến thủy tinh hấp thụ ngay lập tức trên bề mặt của nó, khiến việc nhắm mục tiêu bên trong là không thể. Laser sợi quang hoạt động ở bước sóng 1.064 nanomet, xuyên qua thủy tinh mà không hấp thụ đủ hiệu quả để gây ra sự cố quang học mà không có công suất cực lớn. Laser xanh 532 nanomet mang đến nền tảng trung gian lý tưởng: khả năng truyền cao qua tinh thể trong suốt và khả năng hấp thụ phi tuyến tính hiệu quả ở mật độ năng lượng cao tập trung.
Khắc laser dưới bề mặt có thể tạo ra hình ảnh màu bên trong kính không?
Không. Các vết nứt vi mô dưới bề mặt làm thay đổi cấu trúc vật lý của tinh thể, tạo ra các điểm trắng nhỏ phân tán ánh sáng xung quanh. Vì không có chất màu, mực hoặc thuốc nhuộm đi vào kính kín nên hình ảnh bên trong vẫn có màu trắng đơn sắc. Hiển thị hình ảnh có màu sắc dựa vào hệ thống chiếu sáng nền bên ngoài được trang bị đèn LED RGB.
Hình ảnh 3D bên trong tinh thể sẽ mờ dần hay xuống cấp theo thời gian?
Hình ảnh là vĩnh viễn. Các vết nứt vi mô thể hiện những thay đổi vật lý trong cấu trúc tinh thể không thể lành lại, mờ dần hoặc dịch chuyển trong điều kiện bình thường. Giữ khối tránh xa môi trường sốc nhiệt khắc nghiệt để ngăn chặn các vết nứt do ứng suất lan rộng trên các điểm ảnh ba chiều.
Khắc laser bên trong kính khác với khắc kính truyền thống trên bề mặt như thế nào?
Phương pháp khắc bề mặt truyền thống sử dụng phun cát, dung dịch axit hoặc tia laser bề mặt để làm xói mòn vật lý mặt ngoài của kính. Khắc laser dưới bề mặt tập trung năng lượng thẳng qua mặt ngoài, khiến bề ngoài hoàn toàn trơn tru trong khi tạo thành đám mây điểm ba chiều hoàn toàn bên trong vật liệu.
