一种基于抗反射微结构的飞秒激光点阵标印方法与流程

本发明属于激光标印技术领域，特别涉及一种基于抗反射微结构的飞秒激光点阵标印方法。

背景技术

为了确保产品的可标识性和可追溯性，如航空零件、医疗器械、电子产品的产品介绍和质量追踪，要求产品需要具有可靠性和不易损坏的标印。传统标印方法如机械打点、电解得到的标印不均匀、不美观、柔性差、粗糙、有污染、材料选择有局限、识别率不高；而激光标印是非接触性加工，因此标印均匀、美观、柔性好、细致，无污染，材料选择没有局限，且可以形成与产品同等寿命的标印，目前已经应用到了各个领域。

目前激光标印研究大多都是扫槽标印，但是扫槽标印效率低，质量不均匀。而激光点阵标印不仅可以提高效率，而且质量也会比较均匀。但是激光往往是在焦点处加工，所以凹坑尺寸不仅会小(只有几十微米)，而且参数不当还会由于边缘熔融物较多而造成凸起，从而影响标印识别问题和零件装配问题，因此需要进行激光参数的调控以实现标印无边缘凸起，尺寸范围变大且识别率高。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于抗反射微结构的飞秒激光点阵标印方法，提高了激光点阵标印的质量、尺寸范围和识别率。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于抗反射微结构的飞秒激光点阵标印方法，包括以下步骤：

1)采用厚度为2mm的钛合金tc4金属片作为加工对象；

2)搭建光路，飞秒激光器1输出光依次经过半波片2、分光棱镜3和小孔光阑5；

经过小孔光阑5的光经过快门7后通过聚焦透镜8垂直照射在owis三维精密位移台9的加工工位上，快门7、聚焦透镜8、owis三维精密位移台9形成基本参数光路，基本参数包括脉冲数、激光功率和离焦量；

经过小孔光阑5的光经过反射镜6反射后再经过二轴扫描振镜系统10聚焦到剪式升降台11上，反射镜6、二轴扫描振镜系统10、剪式升降台11形成标印光路；

所述的飞秒激光器1、快门7、owis三维精密位移台9、二轴扫描振镜系统10和电脑连接；

3)利用电脑调节飞秒激光器1输出激光，激光波长为800nm，重频为1khz，脉宽为120fs；

4)将tc4金属样片固定在owis三维精密位移台9加工工位上，通过基本参数光路调节脉冲数、激光功率、owis三维精密位移台9位置和小孔光阑5直径/边长，使激光负离焦加工标印单元并获得最优基本参数：脉冲数为1400-1800，激光功率为1w和1.5w，离焦量为7mm，小孔光阑5直径/边长为10mm；

再将tc4金属样片固定在剪式升降台11加工工位上，并根据基本参数光路获得的最优基本参数，通过标印光路完成激光点阵标印。

通过调节脉冲数、激光功率、离焦量和小孔光阑大小和形状，调节标印单元的尺寸和形状。

所述的小孔光阑5为圆形或方形。

所述的钛合金tc4材料的组成为ti-6al-4v，含钛(ti)余量，铁(fe)≤0.30，碳(c)≤0.10，氮(n)≤0.05，氢(h)≤0.015，氧(o)≤0.20，铝(al)5.5～6.8，钒(v)3.5～4.5)。

本发明的有益效果：

通过选择合适的脉冲数、激光功率、离焦量和光阑孔径提高了激光点阵标印的质量、尺寸范围和识别率，并且采用激光负离焦加工，避免了由于光丝效应而造成的形貌差和能量损失。

小孔光阑一方面是对光束实现整形，标印单元可以为圆形和方形；另一方面是实现光束的空间滤波：即能够将光斑外围的高频成分滤除，只允许位于光斑中心区域、能量较为均匀一致的低频成分通过，因此加上小孔光阑后，孔的边缘质量明显得到改善，圆度和直线度变好，熔融物明显减少；同时加上小孔光阑后发生了小孔衍射，因此在孔底表面产生了抗反射微结构，并且随着脉冲数的增多小孔衍射更加明显，由此降低了标印的反射率，所以提高了标印的识别率。并且标印完成后需要对其涂覆清漆进行保护，而孔底表面的抗反射微结构增大了孔底的粗糙度，由此提高了清漆与标印的结合力。

本发明对激光点阵标印的整体质量和识别率有了明显的提高：从形貌上看，孔的圆度、直线度和边缘质量较好，熔融物明显减少，无边缘凸起；从尺寸上看，孔径调节范围变大，可达几百微米；从识别率上看，具有抗反射微结构的标印可全部被条码设备所识别，相对于传统标印方法明显提高。

附图说明

图1为本发明光路的示意图。

图2为本发明实施例1激光功率1w、脉冲数为1400、离焦量7mm和圆形小孔光阑直径10mm的结果图。

图3为本发明实施例2激光功率1.5w、脉冲数1800、离焦量7mm和圆形小孔光阑直径10mm的结果图。

图4为本发明实施例2标印单元放大结果图。

图5为本发明实施例3激光功率1.5w、脉冲数1600、离焦量7mm和方形小孔光阑边长10mm的结果图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

实施例1，一种基于抗反射微结构的飞秒激光点阵标印方法，包括以下步骤：

1)采用面积为2×2cm²，厚度为2mm的tc4金属片(钛合金tc4材料的组成为ti-6al-4v，含钛(ti)余量，铁(fe)≤0.30,碳(c)≤0.10,氮(n)≤0.05,氢(h)≤0.015,氧(o)≤0.20,铝(al)5.5～6.8,钒(v)3.5～4.5)作为加工对象；

2)搭建光路，飞秒激光器1输出光依次经过半波片2、分光棱镜3和小孔光阑5；

经过小孔光阑5的光经过快门7后通过聚焦透镜8垂直照射在owis三维精密位移台9的加工工位上，快门7、聚焦透镜8、owis三维精密位移台9形成基本参数光路，用于基本参数的确定，基本参数包括脉冲数、激光功率和离焦量；

经过小孔光阑5的光经过反射镜6反射后再经过二轴扫描振镜系统10聚焦到剪式升降台11上，反射镜6、二轴扫描振镜系统10、剪式升降台11形成标印光路，标印光路根据基本参数光路获得的最优参数进行标印的加工；

所述的飞秒激光器1、快门7、owis三维精密位移台9、二轴扫描振镜系统10和电脑连接，利用半波片2和分光棱镜3调节激光功率，分光棱镜3旁设有的热电检测器4用于实时监测激光功率，小孔光阑5调节光斑的形状和大小，同时电脑通过快门7控制光路的通断，采用聚焦透镜8用于飞秒激光器1输出激光的聚焦；

3)利用电脑调节飞秒激光器1输出激光，激光波长为800nm，重频为1khz，脉宽为120fs；

4)将tc4金属样片固定在owis三维精密位移台9加工工位上，通过基本参数光路调节脉冲数、激光功率、owis三维精密位移台9位置和小孔光阑5直径/边长，使激光负离焦加工标印单元并获得最优基本参数：脉冲数为1400、激光功率1w、离焦量7mm和圆形小孔光阑直径10mm；

再将tc4金属样片固定在剪式升降台11加工工位上，并根据基本参数光路获得的最优基本参数，通过标印光路完成激光点阵标印。

本实施例的有益效果为：参照图2，本实施例得到的标印单元的圆度和边缘质量较好，熔融物明显减少，无边缘凸起；孔径平均尺寸为363μm，调节范围变大至百微米级；标印可被条码设备所识别，并且由于小孔衍射在孔底表面产生了抗反射微结构，因此提高了标印的识别率和与清漆的结合力。

实施例2，将实施例1中的最优基本参数设置为：脉冲数1800、激光功率1.5w、离焦量7mm和圆形小孔光阑直径10mm。

本实施例的有益效果为：参照图3，本实施例得到的标印单元的圆度和边缘质量更好，熔融物明显减少，无边缘凸起；孔径平均尺寸为362μm，调节范围变大至百微米级；标印可被条码设备所识别，由于小孔衍射在孔底表面产生了抗反射微结构，并且随着脉冲数的增多小孔衍射比实施例1更明显，所以标印的识别率和与清漆的结合力更高。图4为图3中标印单元放大结果图，可以看出其孔底表面由小孔衍射产生的抗反射微结构组成，由此降低了标印的反射率，增大了孔底的粗糙度，有助于提高标印的识别率和与清漆的结合力。

实施例3，将实施例1中的最优基本参数设置为：脉冲数1600、激光功率1.5w、离焦量7mm和方形小孔光阑边长10mm。

本实施例的有益效果为：参照图5，本实施例采用方形小孔光阑进行点阵标印，并且取得了与圆形小孔光阑同样好的整体质量：标印单元的直线度和边缘质量较好，熔融物明显减少，无边缘凸起；孔径平均尺寸为384μm，调节范围变大至百微米级；标印可被条码设备所识别，同样由于小孔衍射在孔底表面产生了有助于提高识别率和与清漆结合力的抗反射微结构。