快工也能出细活从冬奥会开幕式聊聊神奇的激光雕刻

□文/南京信息工程大学物理学教授、博导 刘玉柱 南京信息工程大学 俞文杰

2022北京冬奥会开幕式再一次惊艳了世界！开幕式上，震撼的画面令人目不暇接，激光雕刻的“冰雪五环”更是将整个开幕式推向了高潮：舞台中央缓缓升起的冰立方由24道激光雕刻出“冰雪五环”高悬于空，在光与影的交织下，格外耀眼。“碎冰式”的雕刻过程寓意着“破冰之旅”，更象征着全世界的友好往来……

“激光雕刻”一词，在生活中并不少见。那么，到底什么是激光？激光雕刻又是什么原理呢？

冰雪五环

激光和普通光有啥不同

“激光”似乎成了当下最时髦的科技名词之一。事实上，激光本来不叫“激光”，而叫 “镭射”，它的英文全称是“Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”，意思是“辐射的受激发射光放大”，“Laser”是其英文缩写，音译为“镭射”，1964年按照我国著名科学家钱学森的建议改称“激光”。

在了解激光的原理之前，我们不妨来看看普通光源的发光机理。一般光源如太阳光、白炽灯光等，其发光机制为“自发辐射”，是由一系列频率、相位和偏振不同的光组合形成的。这些发光体的电子跃迁情况不相同，步调也不一致。而对于激光光源，它的发光机制为“受激辐射”。在激光器中，我们先给大量的原子提供能量，让它们的电子处在激发态，然后用特定频率的光子去激发这些原子，就可以释放出大量跟入射光子频率、相位完全相同的光子。这些“一模一样”的光子叠加之后，就形成了高能量的激光。

那么，相比于普通光，激光又有哪些优点呢？第一，激光拥有良好的方向性。与普通光源“发散”的光线不同，激光更像是一条细细的直线，激光定位、导向、测距等就利用了其方向性好的特点。第二，激光的单色性好。计量工作的标准光源、激光通信等都离不开它。第三，激光的亮度高。它的能量高度集中，能在极小区域内产生极高的温度，激光切割、激光雕刻、激光武器、激光诱导击穿光谱等都是利用了它高亮度的特性。

激光雕刻为什么又快又准

激光雕刻与普通雕刻大同小异，只是激光雕刻是将激光当成一把“雕刻刀”。在雕刻时，激光会直接照在加工件上，使材料的温度瞬间增加至极高。这样的高温会使激光照射点处极小范围内的材料瞬间熔化甚至汽化，便能在加工件上雕刻出痕迹。

此外，在大多数的激光雕刻机上，还增加了一个“吹气”装置，在雕刻过程中，不断向激光照射点处喷射气体。喷射的气体不仅可以带走雕刻产生的粉尘和废渣，而且可以起到降温的作用，从而减轻木制品、皮革制品、布艺制品等材料由于高温产生的表面碳化，让材料保持原色，实现出色的雕刻效果。

雕刻前，只要将预先设计好的图案传输至计算机中，计算机控制机械装置带动激光头在加工件上移动，便可在加工件上雕刻出设计好的精美图案了。

激光凭借亮度高和方向性好的优点，确保了激光“雕刻刀”又快又准。激光雕刻时，亮度高的优点使得强大的激光能量可以瞬间在样品表面留下刻痕，因此激光头的移动可以非常迅速。例如，在工艺品上刻下奥运五环的图样，只需要几秒。同时，方向性好的优点使得雕刻所用的激光束极其纤细，聚焦后在加工件表面只会留下极小的刻痕，再配上高精度的机械引导装置，任何细微复杂的图案都能够被精准雕刻。

值得一提的是，随着激光雕刻技术的发展，激光内雕也逐渐流行。与常见的激光外雕方式不同，激光内雕是用特殊的机器，将激光束从不同角度射入透明的物体，在内部完成雕刻，形成栩栩如生的立体图案。常见的水晶雕刻工艺品就是利用了这种技术。

激光雕刻都有哪些应用

那么，激光雕刻到底可以应用在哪些方面呢？

事实上，激光雕刻的应用领域多达上百个，竹木制品、塑料制品、金属制品、玻璃制品等都可以利用激光进行雕刻。常见的工艺品加工、广告牌刻字、皮革雕花等也都离不开激光雕刻技术。

激光雕刻技术的发展给我们的生活带来了极大的便利，这把又快又准的“雕刻刀”为我们勾勒出一个更美的世界。

让我们在为冬奥喝彩的同时，也为科学发展和中国“智造”点赞！

激光加工

激光内雕工艺品