一种可见光-红外双波段防伪标签及其制备方法

本发明属于热辐射控制与防伪技术领域，具体涉及一种可见光-红外双波段防伪标签及其制备方法。

背景技术：

防伪技术是保障信息安全、维护产品权益的重要手段。红外防伪等光学防伪技术得到广泛应用。现有的红外防伪技术主要采用特殊油墨吸收或反射红外光方式实现(cn103242708a)；亦有采用具有不同红外辐射特性的涂覆图案实现(cn101783094b)。

上述现有技术中的红外防伪技术需使用专门的防伪油墨，制作成本较高且方法相对复杂。此外，上述方法均属于不可重复使用的设计，不能满足部分场合针对可重复配置的防伪标记的需求。

技术实现要素：

为解决上述现有技术中存在的问题，本发明提供一种可见光-红外双波段防伪标签及其制备方法，该制备方法能够更简单地制备可见光-红外双波段防伪标签，并且实现对标签进行重复配置应用。

一种可见光-红外双波段防伪标签，包括依次设置在衬底上的反射层、间隔层以及相变材料层；

所述相变材料层上设置有由两种或者多种稳定相态区域组成的红外防伪图案。

上述技术方案中，所述衬底层作为支撑结构，用于承载防伪图案；所述衬底可以是产品自身的基材，也可以是单独设置的支撑结构。所述反射层和间隔层用于形成光学谐振腔，增强防伪图案在红外波段的光谱辐射率对比；所述相变材料层以不同程度的相变状态形成具有不同光谱辐射率的红外防伪图案。

本发明的可见光-红外双波段防伪标签，利用不同相态下相变材料在红外波段的光谱辐射率不同的特性，在相变材料层设置两种或多种稳定相态区域，使相变材料层在红外光下呈现由该两种或多种相态共同形成的红外防伪图案，实现防伪功能。

作为优选，所述相变材料层的两种或多种稳定相态之间能相互转换。

在特定情况下，相变材料层的相态之间可以相互转换，能够实现对红外防伪图案的重置。利用该重置功能，可以在红外防伪图案验证完成之后，通过相态转换擦除该红外防伪图案避免被二次利用；或者是用于交换信息，该红外防伪图案作为一个在交换信息中在双方之间反复呈现的信息媒介，提高防伪的级别。

作为优选，所述可见光-红外双波段防伪标签还包括设于所述相变材料层上的保护层，所述保护层在特定波长范围内的光波透明。

上述技术方案中，所述保护层用于对所述相变材料层进行保护，以维持红外防伪图案的效果。所述特定波长为相变材料层发生相变的波长，所述保护层在该波长下光波透明，以使所述相变材料层吸收所有的入射激光。

作为优选，所述保护层上设置构成可见光防伪图案的多个凸起结构。通过凸起结构的设置，形成可见光防伪图案，实现可见光-红外双波段防伪，提高防伪效果。

作为优选，所述凸起结构的高度为10～500nm，直径为100nm～5μm。

作为优选，所述保护层为氧化铝膜。

作为优选，所述衬底层为硅衬底；所述反射层为金薄膜；所述间隔层为硫化锌膜；所述相变材料层为锗锑碲合金薄膜。

作为优选，所述反射层的厚度为50～200nm；所述间隔层的厚度为600～1000nm；所述相变材料层的厚度为10～40nm；所述保护层的厚度为15～50nm。

作为优选，所述红外防伪图案由晶态区域和非晶态区域构成。一般来讲，相变材料非晶态区域的原子排布成无序状态，其晶态区域的原子排布则是有序的规整状态。

一种上述任一项所述的可见光-红外双波段防伪标签的制备方法，包括：

(1)在衬底层上依次沉积反射层、间隔层、相变材料层，可选择的最后沉淀保护层，得具有非晶态(也可以是晶态或者任一中间稳定态)相变材料层的器件a；

(2)通过激光脉冲照射，在相变材料层特定区域发生相态转变，形成所述由两种或者多种稳定相态区域构成的红外防伪图案；

对于沉淀有保护层的结构，在步骤(2)前或者步骤(2)后，对相变材料层进行激光脉冲照射，在保护层形成由凸起结构构成的可见光防伪图案。

上述技术方案中，利用不同相态下相变材料在红外波段的光谱辐射率不同的特性，采用激光脉冲照射，将被照射的相变材料层部分由非晶态转变成晶态，由此形成了由晶态区域和非晶态区域组成的相变材料层，在红外光源照射下可呈现出由晶态区域和非晶态区域则共同形成的防伪图案。

利用不同形态下材料在可见光波段的散射系数不同的特性，采用激光脉冲照射，在被照射的相变材料层部分气化形成内部为空腔的凸起，进而使保护层形成相应的凸起结构，形成表面由平坦表面和凸起结构组成保护层，该保护层在可见光下呈现出由凸起结构和平坦表面共同形成的防伪图案。

上述制备方法中，可见光防伪图案和红外防伪图案的制备是相互独立，互不影响的，制备时可随意选择先制备可见光防伪图案或者先制备红外防伪图案。

本发明的可见光-红外双波段防伪标签的制备方法，调整激光脉冲的宽度和功率，通过激光脉冲照射绘制红外防伪图案和可见光防伪图案，实现了可见光-红外双波段防伪。

另外还可以通过调整激光脉冲的宽度和功率，使相变材料在晶态和非晶态之间转换，实现红外防伪图案可重复配置。

作为优选，所述激光脉冲的波长在400nm-2500nm。

作为优选，制备红外防伪图案时，所述激光脉冲的脉冲宽度为1～20ms，功率为1～25mw。进一步优选为，脉冲宽度为1～10ms，功率为1～10mw。

作为优选，制备可见光防伪图案时，所述激光脉冲的脉冲宽度为1～100ns，功率为30～1000mw。进一步优选为，脉冲宽度为1～50ns，功率为30～100mw。

所述相变材料层在激光脉冲照射下能够发生相态转换。所述相态转换可以是所述相变材料内部原子结构由无序的相态转换至有序的相态，也可以是由有序的状态转换至无序的状态。作为优选，在制备红外防伪图案时，在激光脉冲照射下，所述相变材料层的相态转换的最小区域直径为100nm～5μm。

作为优选，将相变材料层中晶态区域转换为非晶态区域时，激光脉冲的脉冲宽度为1～100ns，功率为1～25mw。进一步优选为，脉冲宽度为1～50ns，功率为10～20mw。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明的可见光-红外双波段防伪标签，利用不同相态下相变材料在红外波段的光谱辐射率不同以及不同形态下材料在可见光波段的散射系数不同的特性，设置具有不同稳定相态的相变材料层形成红外防伪图案，以及保护层表面设置凸起结构形成可见光防伪图案，实现可见光-红外双波段防伪。

本发明的制备方法，通过激光脉冲照射形成防伪图案，并调整不同的脉冲宽度和功率，分别制备红外防伪图案和可见光防伪图案，以及将相变材料在不同稳定相态之间相互转换，实现红外防伪图案重置。

附图说明

图1中：(a)为本发明实施例未绘制可见光防伪图案的剖面结构示意图；(b)为本发明实施例的剖面结构示意图；

图2为本发明的可见光-红外双波段防伪标签的制备流程图；

图3中：(a)为本发明实施例中平坦表面和凸起结构的可见光散射特性对比图；(b)为本发明实施例中非晶态区域平坦表面和凸起结构，以及晶态区域平坦表面的红外光谱辐射率对比图；

图4为本发明提出的可见光-红外双波段防伪标签在可见光相机与红外相机下的图像，比例尺为500μm。

图1中：11--保护层；12--相变材料层；13--间隔层；14--反射层；15--衬底材料；16--凸起结构；17--空腔。

图2中：21表示非晶态相变材料器件；22表示带凸起结构的非晶态相变材料器件；23表示晶态区域的相变材料器件；24表示带凸起结构的晶态相变材料器件；31表示激光脉冲p1；32表示激光脉冲p2；33表示激光脉冲p3；34表示激光脉冲p4。

图3中：41表示平坦表面在可见光波段相对散射光强随波长的变化曲线；42表示凸起结构在可见光波段相对散射光强随波长的变化曲线；51表示非晶态平坦表面在红外波段光谱辐射率随波长的变化曲线；52表示非晶态凸起结构在红外波段光谱辐射率随波长的变化曲线；53表示晶态凸起结构在红外波段光谱辐射率随波长的变化曲线。

图4中：6--可见光图案；7--红外热像仪图案；8--可见光图案；9--红外热像仪图案。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明：本实施方式案例以本发明提出的可见光-红外双波段防伪标签制备方法与器件为前提，但本发明的保护范围并不限于下述实施方式与案例。

如图1中(a)(b)所示，可见光-红外双波段防伪标签器件包括保护层11、相变材料层12、间隔层13、反射层14以及衬底层15。可见光-红外双波段防伪标签在激光脉冲作用下，相变材料层通过吸收激光脉冲能量并产热，导致相变材料层内受激光脉冲照射区域的相变材料升温发生相态切换。当激光脉冲能量较高导致相变材料层受照射区域温度超过相变材料沸点时，如图1(b)所示，相变材料发生气化并形成凸起结构16，凸起结构在常温下仍然存在，内部为空腔17。本实施例中，相变材料层选用25nm厚的锗锑碲合金(ge2sb2te5)。

采用激光脉冲照射法制备可见光和红外防伪图案的原理及过程如图2所示，防伪标签器件各层可采用物理气相沉积、化学气相沉积、涂布等方式制备。在本实施例中，衬底层为硅衬底，反射层为电子束蒸镀沉积的100nm的金膜，间隔层为电子束蒸镀沉积的850nm的硫化锌膜，相变材料层为磁控溅射沉积的25nm的锗锑碲合金膜，保护层为电子束蒸镀沉积的30nm的氧化铝膜。初步制备得到的器件内部所述相变材料层处于非晶态，即原子排布相对无序的状态，记为非晶态相变材料器件21。

通过不同的激光脉冲组合(即不同的脉冲宽度和功率)照射，相变材料层内受激光照射区域的相态与形貌将发生变化。本实施例使用了4种不同的激光脉冲组合分别实现对可见光-红外双波段防伪标签器件在可见光波段的散射图案以及红外波段热辐射图案的控制。

脉冲组合p131为脉冲宽度20ns，功率40.10mw的脉冲序列，照射非晶态相变材料器件21后，相变材料层受照射区域升温气化且在保护层作用下形成带凸起结构16器件，相变材料层受照射区域保持非晶态，记为带凸起结构的非晶态形变材料器件22。

脉冲组合p333为脉冲宽度4ms，功率2.64mw的脉冲序列，照射非晶态相变材料器件21后，相变材料层受照射区域升温至相变材料锗锑碲合金的结晶化温度以上而形成带晶态区域的相变材料器件23；脉冲组合p232为脉冲宽度20ns，功率14.25mw的脉冲序列，照射带晶态区域的相变材料器件23后，晶态区域升温至相变材料熔点后迅速降温而相变为非晶态，带晶态区域的相变材料器件23恢复到非晶态相变材料器件21。

脉冲组合p434为脉冲组合p131与脉冲组合p333的叠加，即分别使用脉冲组合p131与脉冲组合p333照射非晶态相变材料器件21，分别在受照射区域形成内部具有空腔17的凸起结构16及完成相变材料由非晶态到晶态的转变，得到可见光防伪图案和红外防伪图案，即得到本发明的可见光-红外双波段防伪标签。

使用暗场显微镜对非晶态相变材料器件21与带凸起结构的非晶态相变材料器件22在可见光波段的相对散射光强进行测试，结果如图3(a)所示。由图3(a)可知，带凸起结构的非晶态相变材料器件22的相对散射光强光谱42相对于非晶态相变材料器件21的相对散射光强光谱41增强约5倍，利用该特性，本发明制得了由凸起结构形成的可见光防伪图案。

凸起结构16、晶态和非晶态对于红外辐射的影响如图3(b)所示。对比非晶态相变材料器件21、带凸起结构的非晶态相变材料器件22与带晶态区域的相变材料器件23各自的光谱辐射率曲线51-53可知，凸起结构16的存在并没有大幅改变非晶态相变材料器件21在红外波段的辐射特性，因此可以在同一防伪标签内设置可见光-红外双波段的防伪图案；而相态的转变则对相变材料在红外波段的辐射特性影响较大，本发明正是利用该特性，制备出由晶态区域和非晶态区域共同形成的红外防伪图案。

图4为本实施例对可见光-红外双波段防伪标签性能展示。通过在空间不同位置布置器件21-24可以得到所述可见光-红外双波段防伪标签器件。对于标签器件的同一位置，可见光图像6与红外热像仪图像7分别展示了可见光下的房屋和天空图案以及可见光不可见的、包含文字与房屋线条图案的红外信息。可见光图像8与红外热像仪图像9则分别展示了将红外可见的文本信息隐藏于可见光可见的条码中的效果，以及将可见光可见的文本信息隐藏于红外可见的条码中的效果。