使用皮秒突发的黑色亚阳极氧化的标记的制作方法

相关申请的交叉引用

本申请要求享有2015年12月31日提交的美国临时专利申请no.62/273,847的权益，该美国临时专利申请以整体引用的方式纳入本文。

本领域涉及皮秒激光突发标记以及材料加工。

背景技术：

已经发现，使激光束指向各种材料类型的物体可以产生具有各种程度的耐久性和质量且具有各种视觉特性的激光标记。通常，具有由等于或小于30的l值(lvalue)限定的暗度的标记是优选的，但是这样的标记难以或不可能产生，或者由于用来产生标记的激光加工的漫长的持续时间而对于大批量制造而言是不切实际的。因此，仍需要能够在少量时间内产生暗标记的激光加工。

技术实现要素：

在所公开的技术的一些实施例中，方法包括：生成多个脉冲突发，在每个脉冲突发内具有预定数量的突发内脉冲并且在突发内脉冲之间具有时间间隔，且具有一个脉冲突发频率；以及，以一个扫描速率横跨一个阳极氧化靶标扫描所述脉冲突发，使得所述脉冲突发在该阳极氧化靶标处重叠一个在重叠损害阈值以上的量并且所述突发内脉冲提供一个在该阳极氧化靶标的烧蚀阈值以下的峰值功率和峰值注量(peakfluence)，从而在该阳极氧化靶标上产生一个具有小于或等于30的l值的激光标记而不损害该阳极氧化靶标的阳极氧化层。在一些实施例中，突发内脉冲时间间隔和突发内脉冲数量被选择成使得该激光标记的区域在扫描方向上具有一个延长的形状。在一些实施例中，公开了使用在本文中描述的各种方法的脉冲光纤激光设备。在另一些实施例中，公开了使用在本文中描述的各种方法形成的激光标记的表面。

根据下面参考附图进行的详细描述，所公开的技术的前述和其他的目的、特征和优点将变得更加明了。

附图说明

图1是激光标记系统100的示意图。

图2是激光标记方法200的流程图。

图3a和图3b是描绘激光脉冲突发的曲线图。

图4是用脉冲激光突发创建的激光标记的一个实施例。

图5是用脉冲激光突发创建的激光标记的另一个实施例。

具体实施方式

如在本申请和权利要求书中使用的，单数形式的“一个”、“一”以及“所述”包含复数形式，除非上下文另有明确指示。此外，术语“包含”意指“包括”。另外，术语“耦合”不排除在耦合项之间存在中间元件。

在本文中描述的系统、设备和方法不应被理解为以任何方式进行限制。而是，本公开内容指向各种公开的实施方案(单独地以及彼此间以各种组合和子组合的方式)的所有新颖的且非显而易见的特征和方面。所公开的系统、方法和设备既不限制于任何具体的方面或特征或其组合，也不需要呈现任何一个或多个具体的优势或解决任何一个或多个具体的问题。任何操作理论都是为了便于解释，但是所公开的系统、方法和设备不限于这样的操作理论。

尽管为了方便呈现而对一些公开的方法的操作以特定的顺次次序进行了描述，但是应理解，这种描述方式包含了重新布置，除非通过下面陈述的具体的语言要求特定的次序。例如，在一些情况下，顺次描述的操作可以被重新布置或被同时地执行。此外，为了简单起见，附图可能未示出公开的系统、方法和设备可以与其他系统、方法和设备结合使用的各种方式。此外，本说明书有时使用术语像“产生”和“提供”来描述公开的方法。这些术语是对执行的实际操作的高度抽象。对应于这些术语的实际操作将根据具体的实施方式而改变，且可容易被本领域的普通技术人员识别。

在一些实施例中，值、程序或设备被称作“最低”、“最好”、“最小”或诸如此类。将理解，这样的描述旨在表明可以在许多使用的功能性替代方案间进行选择，且这样的选择不必更好、更小或以其他方式优于其他选择。

如在本文中使用的，光学辐射指波长在大约100nm和10μm之间且典型地在大约500nm和2μm之间的电磁辐射。基于可获得的激光二极管源和光纤的实施例通常与在大约800nm和1700nm之间的波长相关联。在一些实施例中，传播的光学辐射被称为一个或多个光束或激光脉冲，所述一个或多个光束或激光脉冲具有可以取决于光束或脉冲波长以及用于光束或脉冲成形的光学系统的直径、横截面面积以及散度。为了方便起见，光学辐射在一些实施例中被称为光，且不必处于可见波长。一系列光脉冲可以形成一个或多个光束。在一些实施例中，光的波长随着一个或多个非线性光学过程(诸如，倍频)改变。

参考光纤对代表性的实施方案进行了描述，但是可以使用具有正方形横截面、矩形横截面、多边形横截面、卵形横截面、椭圆形横截面或其他横截面的其他类型的光学波导。光纤通常由被掺杂(或未被掺杂)以提供预定折射率或折射率差的二氧化硅(玻璃)形成。在一些实施例中，取决于感兴趣的波长，光纤或其他波导由其他材料(诸如，氟锆酸盐、氟铝酸盐、氟化物或磷酸盐玻璃、硫族化物玻璃、或者结晶材料诸如蓝宝石)制成。二氧化硅和氟化物玻璃的折射率通常是大约1.5，但是其他材料(诸如，硫族化物)的折射率可以是3或更大。在另外的其他实施例中，光纤可以部分由塑料形成。在典型的实施例中，掺杂的波导芯(诸如，光纤芯)响应于泵浦提供光学增益，且芯和包层是近似同轴的。在其他实施例中，所述芯和包层中的一个或多个是偏心的，且在一些实施例中，芯和包层的定向和/或位移沿着波导长度变化。

如在本文使用的，数值孔径(na)指相对于传播的光学辐射基本上被限制于的光学波导所限定的传播轴线的最大入射角度。在光纤中，光纤芯和光纤包层可以具有相关联的na，通常分别由芯和包层之间的折射率差或者相邻的包层之间的折射率差限定。当以这样的na传播的光学辐射总体上被很好地限制时，相关联的电磁场(诸如，消逝场)通常延伸到相邻的包层内。在一些实施例中，芯na与芯/内包层折射率相关联，且包层na与内包层/外包层折射率差相关联。对于具有芯折射率ncore和包层折射率nclad的光纤，光纤芯na是对于具有一个内芯和一个与该内芯相邻的外芯的光纤，包层na是其中ninner和nouter分别是内包层和外包层的折射率。上文所讨论的光束还可以被称为具有与光束角半径相关联的光束na。虽然下文描述了多芯阶跃折射率光纤，但是也可以使用梯度折射率设计。

在本文中公开的实施例中，波导芯(诸如，光纤芯)掺杂有稀土元素(诸如，nd、yb、ho、er)或其他活性掺杂剂或其组合。这样的活性掺杂的芯可以响应于光学泵浦或其他泵浦来提供光学增益。如下文所公开的，具有这样的活性掺杂剂的波导可以被用来形成光学放大器，或如果这样的波导被设置有合适的光学反馈(诸如，反射层、镜、布拉格光栅或其他反馈机构)，则可以生成激光发射。光学泵浦辐射可以被布置成在波导内相对于所发射的激光束或所放大的光束的传播方向而同向传播和/或反向传播。

在本文中术语“亮度”被用来指每立体角度每单位面积(perunitareapersolidangle)的光束功率。在一些实施例中，光束功率被设置有产生以下光束的一个或多个激光二极管，所述光束的立体角度与光束波长和光束面积成比例。光束面积和光束立体角度的选择可以产生将选定的泵浦光束功率耦合到双包层光纤、三包层光纤或其他多包层光纤的一个或多个芯或包层内的泵浦光束。可以使用总体上对应于零强度值、1/e值、1/e²值、半峰全宽(fwhm)值的范围或其他合适的度量标准描述光束和脉冲的空间特性和时间特性。光束和脉冲的空间特性和时间特性包括但不限于脉冲能量、脉冲注量、脉冲持续时间、光束直径、光点大小、束腰、脉冲强度、脉冲功率、辐照度、脉冲重叠、脉冲扫描路径重叠等。各种实施例包括在其以上或以下对材料的一个或多个层产生期望的或不期望的改变的阈值。

参考图1，激光标记系统100包括种子激光器102和光纤放大器106，该种子激光器被设置成生成种子激光脉冲突发104，该光纤放大器被设置成接收种子激光脉冲突发104并且产生经放大的激光脉冲突发108。在典型的实施例中，种子激光器102和光纤放大器106被设置成主振荡光纤放大器配置并且形成一个光纤激光系统。在一些实施例中，脉冲可以是变频的(例如，用非线性光学晶体)。泵浦源110被光耦合到光纤放大器106并且为该光纤放大器提供在一个泵浦波长的一个或多个泵浦光束112以用于产生经放大的激光脉冲突发108。控制器114被耦合到种子激光器102和泵浦源110以控制经放大的激光脉冲突发108的各种特性，诸如，脉冲突发频率、脉冲突发持续时间、脉冲持续时间、突发内脉冲频率、突发内脉冲数量、脉冲功率等。在一些实施例中，电光调制器或声光调制器是种子激光器102或激光标记系统100的一部分以便控制脉冲突发功率或突发内脉冲功率。光束成形系统116被设置成接收经放大的激光脉冲突发108并且基于从控制器114接收的控制信号来调整经放大的激光脉冲突发108的传播特性以形成成形的激光脉冲突发118。在代表性的实施例中，所述成形的激光脉冲突发被准直成选定的直径并且具有与光轴传播方向垂直的近似圆形对称的高斯强度分布。在其他实施例中，成形的激光脉冲突发可以是收敛的或发散的并且具有非高斯强度分布，诸如，平顶的。

电流计扫描器122被设置成接收成形的激光脉冲突发118并且基于控制器输入128更改传播方向以产生指向靶标表面126上的不同位置的激光加工突发124。在一些实施例中，电流计扫描器122包括一对扫描镜，所述扫描镜围绕相应的旋转轴线分别地旋转，使得第一镜的旋转沿着与传播方向垂直的第一方向引导激光加工突发124且第二镜的旋转沿着与第一方向和传播方向互相垂直的第二方向引导。聚焦光学器件130(诸如，f-θ透镜)被设置成接收用于聚焦在靶标表面126的激光加工突发124。平移平台132可以被耦合到靶标表面126以使靶标表面126的x、y或z位置变化。在一些实施例中，平移平台132、聚焦光学器件130或光束成形系统116能操作用于将激光加工突发124提供在靶标表面126处处于传播的激光加工突发124的非聚焦或散焦位置，诸如，在聚焦位置的一个、两个或五个瑞利(rayleigh)范围内。可以沿着扫描路径134以一个扫描速率扫描激光加工突发124以在靶标表面126的一个或多个区域136中产生黑色标记。

靶标表面126通常是具有形成在下面的裸露金属衬底上的薄阳极氧化层的阳极氧化铝或其他阳极氧化金属表面，所述薄阳极氧化层通常在几纳米到几十纳米厚的范围内。靶标表面126所接收的激光加工突发124在靶标表面126上产生具有小于或等于30的l值(即，标准l*a*b*彩色空间的明度分量)的暗激光标记，而不损害或烧蚀阳极氧化层且具有优于常规激光方法的节拍时间(takttime)或加工速度，使得这样的激光标记在大批量制造中是可行的。在一些实施例中，产生小于或等于25的l值。激光标记系统100还可以包括一个或多个检测器138，所述检测器被设置成检测与靶标表面126上的一个或多个区域136中的激光标记相关联的l值。检测器138可以被耦合到控制器114以提供l值数据，使得激光加工突发124的各种特性可以被调整，包括突发内脉冲的数量(例如，从2个到30个突发内脉冲或更多个)、突发内脉冲之间的时间间隔(例如，从小于1ns到20ns、50ns或更长)、脉冲突发频率和/或扫描速率，从而使激光标记的l值可以被减少(例如，变得更暗)到检测到的值以下。

在一个实施方案中，激光标记系统100以200khz的脉冲突发重复率(即，脉冲突发频率)产生激光加工突发124，其中每个激光加工突发124具有十个突发内脉冲，每个突发内脉冲具有50ps的脉冲持续时间，所述突发内脉冲在时间上中心到中心之间相互间隔20ns。加工速度与用以相当长的重复率周期持续时间(例如，200khz)分开的单个皮秒脉冲加工相比是快速的。可以使用5m/s的扫描速率来横跨靶标表面126扫描激光加工突发124。突发内脉冲可以被散焦成具有100μm的光点大小和圆形对称的高斯单模(m²＜1.5)强度分布。实现了具有27.9的l暗度值的对应的激光标记。可以使用不同的扫描线间隔(诸如，5μm、10μm、20μm或更大)执行激光加工突发的一个或多个扫描道次。各种加工参数可以被调整以进一步提高激光标记性能。在一些实施例中，脉冲突发重复率包括20khz或更高，50khz或更高，100khz或更高或更快。

参考图2，示例方法200包括，在方法动作202处，为激光脉冲突发以及所述激光脉冲突发内的对应的突发内脉冲选择突发内脉冲的数量、突发内脉冲之间的时间间隔、脉冲突发频率、脉冲功率以及脉冲持续时间。在方法动作204处，相对于阳极氧化靶标的表面为激光脉冲突发选择扫描速率和光点大小。为第一激光脉冲突发以及紧随该第一激光脉冲突发之后的第二激光脉冲突发选择光点大小。光点大小以在烧蚀阈值以下的预定峰值注量和峰值功率在该表面处提供激光脉冲突发。在烧蚀阈值以上的峰值功率和峰值注量在该表面处对阳极氧化层或下面的衬底产生烧蚀损害，这导致不期望的触觉或视觉外观而不是平滑的暗激光标记。扫描速率被选择成使得该第二激光脉冲突发与该第一激光脉冲突发重叠一个在重叠损害阈值之外的量。不充足的重叠量(例如，在重叠损害阈值以下)可以对表面产生损害，包括微裂纹的形成以及各种不期望的视觉特征，诸如，褪色或色彩变化、不充足的暗度以及角l*a*b*依赖性。在重叠损害阈值以上的激光脉冲突发重叠产生激光标记而没有损害或有与由标记到标记(mark-to-mark)或突发到突发(burst-to-burst)接近度引起的损害相关联的最小损害。

在方法动作206处，通过一个脉冲光纤激光器生成具有选定属性的激光脉冲突发。然后在方法动作208处以选定的扫描速率和光点大小横跨阳极氧化靶标扫描生成的激光脉冲突发，以产生一个或多个具有小于或等于30的l*值的激光标记。在代表性的实施例中，该扫描速率比与以脉冲突发重复率(例如，每个突发一个脉冲)提供的且设置有在重叠损害阈值以上的脉冲到脉冲重叠的单个皮秒或纳秒脉冲相关联的标称扫描速率更快，从而防止重叠相关的损害。当以如下突发内脉冲之间的时间间隔提供脉冲突发的突发内脉冲时，可以实现扫描速率增加到标称扫描速率以上，所述突发内脉冲之间的时间间隔产生在重叠损害阈值以上的突发内脉冲到突发内脉冲重叠并且延长通过一个脉冲突发提供的标记区域的长度。例如，与在第一脉冲突发的第一突发内脉冲位置处启动的第一脉冲突发相关联的延长的标记区域允许在相对于该第一脉冲突发的第一突发内脉冲更远的位置的第二脉冲突发的第一突发内脉冲位置提供第二随后的脉冲突发，同时维持在重叠损害阈值以上的足够的重叠。在一些示例激光标记加工中，在其他脉冲特征(诸如，脉冲持续时间和峰值功率)保持恒定的情况下，可以实现超过标称扫描速率0.5％、1％、5％或更多的扫描速率增加，导致用于激光标记加工的节拍时间的提高。

在一些实施例中，第一突发内脉冲和第二突发内脉冲之间的时间间隔被选择为至少一个最小材料弛豫时间，以允许靶标有足够的时间在接收该第一突发内脉冲之后且在与该第一突发内脉冲的区域相同的区域内或在该第一突发内脉冲的区域的很大一部分内接收该第二随后的突发内脉冲之前弛豫到一个新的状态，但被标记或被部分地标记。通过允许突发内脉冲之间的最小材料弛豫时间，一个由一个脉冲突发标记的区域可以被进一步延长，从而提供扫描速率增加。材料弛豫时间可以根据加工参数变化且当材料在突发内脉冲之间未充分弛豫时还在一个脉冲突发内变化。此外，当标记的区域逐渐被相继的突发内脉冲加工时，弛豫时间可以在一个脉冲突发内改变或由于相同区域内的脉冲突发的多个道次改变。在一些实施例中，使突发内脉冲之间的时间间隔变化以适应在一个脉冲突发期间或在脉冲突发的相继道次之后的材料弛豫时间的改变。例如，脉冲光束横跨靶标区域的第一扫描道次可以包括突发内脉冲之间的第一时间间隔且靶标区域的第二扫描道次可以具有长于该第一时间间隔的第二时间间隔。在一些实施方案中，一个脉冲突发可以包括三个或更多个突发内脉冲，其中第一突发内脉冲和第二突发内脉冲之间的时间间隔短于第二突发内脉冲和第三突发内脉冲之间的时间间隔。

图3是具有脉冲突发持续时间tburst的脉冲突发302、303的曲线图300。脉冲突发302包括彼此分隔时间间隔tintra的四个突发内脉冲304a-304d。突发内脉冲304a-304d具有脉冲持续时间tpulse，该脉冲持续时间tpulse被选择成使得它在从材料到材料变化的材料冲击阈值tshock以下，但是出于激光标记目的通常在几百皮秒以下。在tshock以下的合适的脉冲持续时间包括在40-60皮秒或更短的范围内的脉冲持续时间tpulse。通过将脉冲持续时间tpulse维持在材料冲击阈值tshock以下，可以实现与用具有在材料冲击阈值tshock以上的脉冲持续时间的脉冲创建的激光标记相比具有提高的暗度的激光标记。例如，示出了数百皮秒(例如，更接近纳秒范围)的光脉冲306用于比较。除了具有超过材料冲击阈值tshock的脉冲持续时间以外，大量的光能量位于光脉冲306的尾部，所述大量的光能量也超过了材料冲击阈值tshock且进一步带来差的激光标记加工性能。以在激光加工阈值pprocess以上但在烧蚀阈值pablate以下的峰值功率或峰值注量将突发内脉冲提供到激光标记靶标。在此窗口激光内的且以脉冲突发频率fburst提供的对应的突发内脉冲304a-304d加工靶标，以产生具有小于或等于30的l*值的暗标记。

如上文所描述的，脉冲突发302、303被间隔开，从而形成以脉冲突发频率fburst或脉冲突发重复率重复的一系列脉冲突发，并且横跨靶标扫描所述脉冲突发以标记该靶标的相继的区域。在一些实施例中，至少两个相邻的突发内脉冲之间的时间间隔tintra可以大于材料弛豫时间trelax。可以通过以脉冲突发302的格式提供多个突发内脉冲304创建暗激光标记，其中时间间隔tintra具有足够的持续时间允许材料弛豫并且其中tpulse被维持在材料冲击阈值tshock以下。此外，当时间间隔tintra可以在靶标表面处通过脉冲突发302创建的激光标记的扫描方向上增加区域范围时可以有效地创建激光标记，这有效地延长激光标记，同时以增加的扫描速率将激光标记加工维持在重叠损害阈值以上。材料弛豫时间trelax也可以是脉冲突发依赖的。例如，与突发内脉冲304d相关联的trelax可以长于突发内脉冲304a，使得在脉冲突发302后期的时间间隔tintra可以超过或更接近于trelax。

图3b示出了包括五个突发内脉冲310a-310e的示例脉冲突发308。如图所示，在脉冲突发308内，突发内脉冲310a-310e的峰值功率以及突发内脉冲310a-310e之间的时间间隔可以彼此相同或不同。如图所示，突发内脉冲310a-310e之间的时间间隔在脉冲突发308的整个持续时间内增加且突发内脉冲310a-310d的峰值功率减少。将意识到，同样可以使用各种其他时间间隔和峰值功率变体，包括减少的时间间隔、增加的时间间隔和减少的时间间隔的组合以及任意突发内脉冲峰值功率。可以相对于靶标的各种材料特性(诸如，阳极氧化层厚度、热扩散率、热弛豫时间等)选择时间间隔和峰值功率。

参考图4，示出了铝表面401上的激光标记400，该激光标记是通过沿着扫描路径404以预定扫描速度vscan提供的对应于三个圆形激光脉冲标记组402a、402b、402c的三个光脉冲突发形成的。所述光脉冲突发中的每个包括在时间上彼此间隔与表面401的材料弛豫时间相关联的预定时间间隔的十个突发内脉冲的分组。所述突发内脉冲与靶标表面401相互作用以形成激光脉冲标记组402a内的彼此相继地间隔长度lintra的对应的激光标记406。通过沿着扫描路径404提供的每个相继的突发内脉冲，标记组402a的突发长度lburst增加。所述光脉冲突发形成一个光束并且以当与扫描速度vscan相除时得到的突发到突发间隔lspacing的脉冲突发频率来提供。

通过突发内脉冲产生的激光标记406与相邻的激光标记406重叠，包括在激光脉冲标记组402a-402c之间，诸如，在脉冲组402a的末端脉冲标记403a和脉冲组402b的起始脉冲标记403b之间。可以基于提供的光脉冲突发的特性来确定脉冲标记之间的重叠量，光脉冲突发的特性包括前面提及的扫描速度vscan、脉冲突发频率、突发内脉冲时间间隔、脉冲大小、能量以及强度分布等。在本文中的实施例中，重叠量被维持在重叠损害阈值以上，在该重叠损害阈值以下产生对表面401的损害。每个激光脉冲标记组402a的与突发内脉冲标记406的相继形成相关联的延长的长度允许以已经通过突发长度lburst延长的间隔lspacing提供激光脉冲标记组402b。扫描速度vscan可以被增加，从而使加工速度增加，以维持更接近于重叠损害阈值的标记重叠。替代地，扫描速度vscan可以是未变更的并且可以用更少的扫描道次获得更暗的标记。在一些实施例中，脉冲标记组402内相邻的脉冲标记406之间的重叠量是99.9％或更大，99％或更大，95％或更大，或90％或更大，且相邻的脉冲标记组402a、402b的相邻的脉冲标记406之间的重叠量是99％或更大，95％或更大，90％或更大，或者60％或更大。重叠量通常取决于被标记的表面材料以及被标记的材料的相关联的重叠损害阈值。

图5示出了阳极氧化铝表面501上的激光标记500，该激光标记是通过沿着扫描路径504以预定的恒定扫描速度vscan提供的对应于三个圆形激光脉冲标记组502a、502b的两个光脉冲突发形成的。脉冲标记组502a包括相邻重叠的七个个体脉冲标记506a-506g。脉冲标记506a、506b彼此重叠相对较大的第一量，例如，99.9％，并且脉冲标记506b、506c彼此重叠大约相同的量。脉冲标记506c、506d彼此重叠少于该第一量的第二量，诸如，99.8％，并且脉冲标记506d、506e彼此重叠少于该第二量的第三量，例如，99.6％。脉冲标记506e、506f彼此重叠少于该第三量的第四量，诸如，99.2％，并且脉冲标记506f、506g彼此重叠少于该第四量的第五量，例如，98.6％。脉冲标记组502b类似于脉冲标记组502a并且包括具有对应的重叠量的七个个体脉冲标记508a-508g。

脉冲标记组502a的相邻的脉冲标记506a-506g之间的以及脉冲标记组502b的相邻的脉冲标记508a-508g之间的在提供标记的方向(例如，扫描速度vscan的方向)上的可变且减少的重叠可以提高在阳极氧化铝表面501上形成的激光标记500的暗度并且可以允许扫描速度vscan被增加。在一些实施例中，与在每个脉冲标记组包括一个脉冲标记的情况下形成的脉冲标记相比，增加扫描速度vscan并且保持脉冲标记组502a的最后一个脉冲标记506g和随后的脉冲标记组502b的第一个脉冲标记508a之间的重叠恒定。激光脉冲标记组502a、502b内的重叠的可变性可以被调整成对应于阳极氧化铝表面501的特性，包括关于重叠损害阈值和热弛豫时间的特性。在一些实施例中，可变的重叠可以在提供标记的方向上在相邻的标记之间增加。在另一些实施例中，重叠可变性可以从增加到减少或从减少到增加改变一次或多次。

鉴于所公开的技术的原理可以应用到许多可能的实施方案，应认识到，例示的实施方案仅是代表性的实施例且不应被认为限制本公开内容的范围。在这些部分中具体提到的替代方案仅仅是示例性的且不构成在此所描述的实施方案的所有可能替代方案。例如，在此所描述的系统的多种部件可以在功能和用途上组合。因此，我们要求享有在所附权利要求的范围和精神内的所有权利。