用于高反射金属的锁频单脉冲紫外超快激光精密标刻方法和系统与流程

1.本发明涉及激光标刻技术领域，具体涉及一种用于高反射金属的锁频单脉冲紫外超快激光精密标刻方法和系统。


背景技术：

2.金属铝，铜，金，银及其合金材料广泛应用于消费类电子、汽车、航空航天、建筑及居家生活。在基于此类材料的标记、追溯、防伪、大数据等的应用中，标记技术，尤其激光标刻技术是非常重要的保留信息的方法。
3.普通的标记技术多为喷涂颜料，或者机械雕刻，效果比较粗糙，不容易长期保留信息。因此，激光标刻被寄予厚望。但这类材料对激光发射率很高，普通激光标刻机很难打出清晰精密或颜色较深的印迹。有的(如铝)需要在表面做阳极氧化之后，才能形成明显标刻。因为它们对激光的反射率高达80％，甚至95％以上。
4.以铝合金为例，在室温环境下,表面粗糙度1.6～3.2um条件下,对1.06um 波长、功率密度61kw/cm2激光的反射率为80％。因而其激光标刻技术主要采用 co2激光器、紫外纳秒激光器、紫外纳秒激光器或基于超快光纤激光器的标刻机，这些激光对铝合金标刻具有表面选择性，需先做表面阳极氧化，然后通过热至熔化作用，破坏表面的形貌来实现标刻。
5.同时，铝、铜、金、银及其合金本身传热就很快，具有好的抗腐蚀性。对激光束的高初始反射率及其本身的高导热性，使高反金属材料在未熔化前对激光的吸收率很低，“小孔”诱导比较困难；电离能低，标刻过程中光致等离子体易于过热和扩展，使得稳定性差；标刻过程中容易产生气孔和热裂纹；标刻过程中合金元素的烧损，使其力学性能下降。
6.从理论上分析，铝合金对激光的吸收率由下式决定：
7.ε＝0.365{ρ[1+β(t－20)]/λ}1/2
[0008]
式中ρ——铝合金20℃的直流电阻率，ω.m；
[0009]
β——电阻温度系数，℃-1；
[0010]
t——温度，℃；
[0011]
λ——激光束的波长，m。
[0012]
对于铝合金来说，吸收率是温度的函数。在表面温度达到熔化温度、汽化温度前，材料对激光的吸收率将随温度的升高缓慢增加，一旦材料表面达到熔化温度、汽化温度，对激光的吸收率就会迅速增大。
[0013]
因此，激光标刻需要更短的作用时间，更高的峰值功率。但普通连续运转模式的激光只能靠时间积累更高的热量来实现，而长脉冲运转的激光光子峰值功率不够，其他光纤超快激光工作频率太高，脉冲串内光子彼此能量不均匀，而在材料表面产生不同效果的热影响区，引起气泡效应、加工面挂渣、裂纹以及崩边，导致标记内容不清晰，一致性弱、甚至材料强度退化，改变了材料的特征参数。


技术实现要素：

[0014]
有鉴于此，为了克服现有技术的不足，本发明提供一种用于高反射金属的锁频单脉冲紫外超快激光精密标刻方法和系统。该方法基于锁定的高重复频率、高能量单脉冲工作、高单脉冲峰值功率、单脉冲间能量一致性高的超快激光，无需对金属表面氧化处理即可实现深黑色稳定的精密标刻。
[0015]
本发明用于高反射金属的锁频单脉冲紫外超快激光精密标刻方法，包括步骤：
[0016]
1)将高反射金属置于操作台上；2)将激光器设于操作台的一侧；所述激光器为能够在高重复频率下发射高能量单脉冲且单脉冲能量一致性高的超快激光器，所述高重复频率为1k-500k，所述高能量单脉冲能量为20uj-10000uj，所述单脉冲的峰值功率为2mw-10gw,所述单脉冲间能量差异≤
±
5％；
[0017]
3)锁定发射频率为1k-500k之间的一定值；
[0018]
4)所述激光器发射的超快激光，经过整形光路放大光束尺寸、再经过光束传输光路输入到振镜、再经过场镜后聚焦在操作台上的高反射金属工件表面；
[0019]
5)在软硬件控制器的控制下，设置激光参数和加工参数，控制激光束x、y、 z轴的移动，完成高反射金属表面图案的激光标刻。
[0020]
进一步，所述经过光束传输光路的激光经光隔离器后输入到振镜。
[0021]
进一步，高反射金属包括金属铝，铜，金，银及其合金。
[0022]
进一步，所述单脉冲为单脉冲光子尖峰波，所述单脉冲宽度为1-10ps。
[0023]
进一步，所述激光器为全固态皮秒激光器，所述激光波长为355
±
5nm。
[0024]
进一步，所述激光器窗口光斑为1-3mm，发散角为0.5-1.5mrad。
[0025]
进一步，所述整形光路为放大倍率为1-8倍的扩束光路。
[0026]
进一步，所述光束传输光路为传输距离10-1000mm的传输光路组成。
[0027]
进一步，所述振镜转速为100-10000转/秒。
[0028]
进一步，所述场镜是f-θ场镜或远心场镜，焦距为30-300mm。
[0029]
进一步，形成所述标刻图案微型结构的最小分辨率特征尺寸为0.5-15um。
[0030]
本发明还提供实现上述紫外超快激光精密标刻方法的标刻系统，其特征在于，所述系统包括操作台、激光器光路系统和控制器；
[0031]
其中，所述操作台上设有传送带，所述传送带的一侧设有激光器光路系统和控制器，所述传送带传送高反射金属工件到激光器光路系统的工作区域内，所述控制器分别与所述激光器光路系统、及所述传送带的驱动机构连接；
[0032]
激光器通过数据线与安装有激光标刻系统软件的计算机控制器相连，计算机控制器将控制的激光功率、扫描速度及重复频率信号输入到激光器，并接收激光器的脉冲同步信号，同时控制激光器光路系统和所述传送带的驱动机构完成高反射金属工件的标刻。
[0033]
所述激光器上还设有位置传感器，所述位置传感器与控制器连接。
[0034]
所述整形光路与光束传输光路之间设置光闸。
[0035]
所述光束传输光路与振镜之间设置光隔离器，隔离反射激光。
[0036]
本发明所述锁频均匀能量单脉冲是指超快激光工作方式为锁定频率下均匀能量单脉冲周期性输出。
[0037]
本发明的有益效果在于：
[0038]
1.本发明方法基于锁定的高重复频率、高能量单脉冲工作、高的单脉冲光子峰值功率、单脉冲间能量一致性高的超快激光，无需对高反射金属表面氧化处理即可实现深黑色稳定的精密标刻。
[0039]
2.本发明激光标刻设备选用短焦距透镜和低阶模激光输出。减小光斑尺寸，增大激光功率密度，高反射金属对激光的吸收率也随之增大。
[0040]
3.本发明激光器采用高的单脉冲光子峰值功率。加速瞬时汽化作用时间，减少热致熔化作用，同时使用周期性高峰值功率的单脉冲光子，来实现温度在短时间内的快速上升。
[0041]
激光作用过程中，对ly12铝合金，当激光功率密度大于3.5mw/cm2时会产生离子体，产生“小孔”效应，“小孔”的出现可大大提高高反射金属对激光的吸收率。
[0042]
高反射金属激光加工中都存在一个阈值，一旦峰值功率密度大于此值，激光能量向材料内部的传递不再受热传导的限制，激光辐射将引起高反射金属强烈蒸发，激光束通过蒸发凹槽深入到材料内部，深度和效率也急剧增大。
[0043]
4.本发明激光器运转采用一致性和均匀性周期性单脉冲光子。在铝合金激光作用过程中，小孔的出现可以大大提高材料对激光的吸收率，激光作用可以获得更多的能量。但由于铝合金材料中低熔点元素的蒸发，使得光致等离子体易于过热和扩展，小孔的稳定性差，从而影响标刻成形的力学性能，并且容易产生气泡等标刻缺陷，所以选择周期性均匀光子的超快激光，可以解决激光标刻作用效果的一致性。
[0044]
5.本发明激光器单脉冲波形选择单脉冲光子尖峰波。铝合金属于典型的共晶合金，在激光作用快速凝固条件下更容易产生热裂纹。激光作用于金属结晶时在柱状晶边界形成al-si或mg-si等低熔点共晶是导致裂纹产生的主要原因。为减少热裂纹，使用激光器调节脉冲波形，控制热输入也可以减少结晶裂纹。选择单脉冲光子尖峰波，波形上升阶段提供较大的能量使铝合金熔化，一旦工件中“小孔”形成，金属熔化后液态金属对激光的吸收率迅速增大，此时应迅速缩短激光脉冲宽度，减小激光能量的持续时间，以超快脉冲进行，以免造成飞溅。此种单光子脉冲波形能够有效地减少气孔和裂纹的产生，使汽化凝固重复进行，作用后的材料表面均匀性好，强度大，一致性好，很少产生挂渣和气泡。
[0045]
6.本发明方法通过高单脉冲能量的超快激光汽化材料加工面来实现标刻，而不是通过热至熔化作用来实现标刻，因此几乎没有热影响区出现、加工面几乎无挂渣、无裂纹、无崩边等现象。本发明也不需要辅助粉末等物料，标记内容精细清晰、材料强度几乎不变。
[0046]
7.本发明标刻方法输出的高能量单脉冲，在时域上表现唯一，标刻时工件材料加工面的具体位置点非常准确，不会在空间上发生漂移，标刻的质量非常好。
[0047]
8.本发明标刻方法加工时间快，几乎不出现漏点、漏标记，时序匹配精准。
[0048]
9.在本发明单脉冲能量一致性高的超快激光设备照射下，光加工过程一致性好，玻璃等高反射金属表面清晰明亮，没有重复照射，材料几乎不变暗，也几乎不改变材料的特征参数。
附图说明：
[0049]
图1为本发明用于高反射金属的锁频单脉冲紫外超快激光精密标刻方法原理示意图；
[0050]
图2为实现本发明方法的标刻系统结构示意图；
[0051]
图3为本发明方法在高反射金属铝表面标刻的效果照片；
[0052]
图4为本发明方法在高反射金属铜毛坯料表面标刻的效果照片；
[0053]
其中：1.超快激光器；2.光路；2-1.整形光路；2-2.光束传输光路；3.振镜； 4.场镜；5.标刻工件6.工位，7.控制器，8.反射镜，9.操作台，10.激光光路系统，11.位置传感器，12.传送带，13.光隔离器。
具体实施方式
[0054]
下面结合附图和具体实施例对本发明提供的用于高反射金属的锁频单脉冲紫外超快激光精密标刻方法和系统进一步解释而本发明并不局限于以下实施例。
[0055]
本发明用于高反射金属的锁频单脉冲紫外超快激光精密标刻方法，包括步骤：
[0056]
1)将高反射金属5置于操作台9上；2)将激光器1设于操作台9的一侧；所述激光器1为能够在高重复频率下发射高能量单脉冲且单脉冲能量一致性高的超快激光器，所述高重复频率为1k-500k，所述高能量单脉冲能量为 20uj-10000uj，所述单脉冲的峰值功率为2mw-10gw,所述单脉冲间能量差异≤
±ꢀ
5％；
[0057]
3)锁定发射频率为1k-500k之间的一定值；
[0058]
4)所述激光器发射的超快激光，经过整形光路2-1放大光束尺寸、再经过光束传输光路2-2输入到振镜3、再经过场镜4后聚焦在操作台9上的高反射金属工件5表面；
[0059]
5)在软硬件控制器7的控制下，设置激光参数和加工参数，控制激光束x、 y、z轴的移动，完成高反射金属5表面图案的激光标刻。
[0060]
所述整形光路2-1、光束传输光路2-2和反射镜8构成光路2，经过光路2 的激光经光隔离器13后输入到振镜3。本发明工作原理示意图如图1所示。
[0061]
步骤5)包括以下步骤：
[0062]
1.设定激光发射参数及电平形式的激光脉冲同步信号，将所述激光脉冲同步信号和起始时间t1发送给软硬件控制器7，作为加工基准时间；
[0063]
2.调试激光光束：光束经整形光路2-1、光闸和光束传输2-2，所述光闸由 ttl电平控制；所述软硬件控制器7向光闸发送控制其开关的信号以及起始时间 t2；
[0064]
3.调试振镜：所述软硬件控制器7将振镜的5v高低电平形式的控制信号以及起始时间t3，发送给振镜3，
[0065]
4.调试激光光束，经场镜4聚焦在操作台9附近，在场镜有效范围内工作。
[0066]
5.通过软硬件控制器7将准备标刻的内容分解，得到可读格式的像素、直径、填充密度，走线路径和图形，其边界范围以不大于所述激光标刻机的区域边界为限。
[0067]
6.根据切片图形内容和次序，以激光同步信号输入给软硬件控制器7作为时间基准，校准操作台的坐标为空间基准，经软硬件控制器7依次给振镜3、光闸、传送带的驱动机构发射控制信号，时间基准，延时时间和控制信号时序，进行整体时序校准以及初步打样。
[0068]
7.根据初步打样效果，验证其与预设的效果符合程度，如果有差异，微调各个部件的工艺和参数，直到效果最佳，锁定参数，开始标刻。
[0069]
本发明的步骤(2)优选地，所述激光器的发射频率为10khz-500khz之间的一定值,所述激光器发射的单脉冲能量为20-1000uj，所述单脉冲的峰值功率为 2mw-1gw；更优选
地，所述激光器的发射频率为10khz-200khz之间的一定值,所述激光器发射的单脉冲能量为50-1000uj，所述单脉冲的峰值功率为5mw-1gw。
[0070]
作为本发明的一个实施方案，所述光束传输光路2-2的传输距离为 10-1000mm；优选为100-1000mm；更优选为500-800mm。
[0071]
作为本发明的另一个实施方案，所述整形光路2-1为放大倍率为1-8倍的扩束光路；优选地，所述整形光路为放大倍率为2-6倍的扩束光路；更优选地，所述整形光路为放大倍率为5倍的扩束光路。
[0072]
作为本发明的再一个实施方案，所述振镜的转速为100-10000转/秒；优选地，振镜的转速为400-5000转/秒；更优选地，振镜的转速为500-1000转/秒。
[0073]
作为本发明的又一个实施方案，所述场镜为f-θ场镜或远心场镜4，焦距为 30-300mm；优选地，所述场镜为f-θ场镜或远心场镜，焦距为100-300mm；更优选地，所述场镜为f-θ场镜或远心场镜，焦距为150-250mm。
[0074]
本发明还提供实现上述紫外超快激光精密标刻方法的标刻系统，其特征在于，所述系统包括操作台9、激光器光路系统10和控制器7；
[0075]
其中，所述操作台9上设有传送带12，所述传送带12的一侧设有激光器光路系统10和控制器7，所述传送带12传送工位6上的高反射金属工件5到激光器光路系统10的工作区域内，所述控制器7分别与所述激光器光路系统10、及所述传送带12的驱动机构连接；
[0076]
激光器1通过数据线与安装有激光标刻系统软件的计算机控制器7相连，计算机控制器7将控制的激光功率、扫描速度及重复频率信号输入到激光器1，并接收激光器1的脉冲同步信号，同时控制激光器光路系统10、及所述传送带12 的驱动机构完成标刻。
[0077]
所述激光器1上还设有位置传感器11，所述位置传感器11与控制器7连接。
[0078]
所述光束传输光路2-2与振镜3之间设置光隔离器13，隔离反射激光。
[0079]
所述整形光路2-1和光束传输光路2-2之间设有光闸，由控制器7控制其开关。
[0080]
本发明标刻系统结构示意图如图2所示。
[0081]
实施例1：铝合金表面“蜗牛”图案的精密标刻
[0082]
将激光器通过数据线与安装有激光标刻系统软件的计算机相连，计算机将控制的激光功率，扫描速度，重复频率等信号输入到激光器，激光器为全固态皮秒激光器。控制器接收激光器的脉冲同步信号，同时控制激光器光路系统10、及所述传送带12的驱动机构完成标刻。
[0083]
锁定激光器的发射频率为100khz,单脉冲的峰值功率为10mw；
[0084]
单脉冲为单脉冲光子尖峰波，单脉冲宽度为10ps。
[0085]
激光波长为355
±
5nm。
[0086]
激光器窗口光斑为1mm，发散角为1mrad。
[0087]
整形光路为放大倍率为6倍的扩束光路，光束传输光路为传输距离1000mm 的传输光路组成。
[0088]
振镜转速为5000转/秒。
[0089]
场镜是f-θ场镜，焦距为100mm。
[0090]
形成所述标刻图案微型结构的最小分辨率特征尺寸为15um。
[0091]
使用上述激光器进行标刻：
[0092]
(1)将要标刻的图像导入到计算机中；
[0093]
(2)通过安装于计算机的激光标刻系统软件读取待标刻图像，设置激光输出功率、激光器重复频率和振镜工作频率；
[0094]
打开激光器，激光运动控制系统根据计算机输出的图像信号进行扫描，高能量的激光束透过高反射金属在工作面上进行激光标刻。
[0095]
标刻效果如图3所示。
[0096]
实施例2：铜毛坯料表面“二维码”图案的精密标刻
[0097]
与实施例1基本相同，所不同之处在于：
[0098]
锁定激光器的发射频率为200khz,所述单脉冲的峰值功率为10mw；
[0099]
所述单脉冲为单脉冲光子尖峰波，所述单脉冲宽度为5ps。
[0100]
所述激光器窗口光斑为2mm，发散角为1.5mrad。
[0101]
所述整形光路为放大倍率为4倍的扩束光路，所述光束传输光路为传输距离 500mm的传输光路组成。
[0102]
所述振镜转速为1000转/秒。
[0103]
所述场镜是远心场镜，焦距为200mm。
[0104]
形成所述标刻图案微型结构的最小分辨率特征尺寸为10um。
[0105]
使用上述激光器进行标刻：
[0106]
(1)将要标刻的图像导入到计算机中；
[0107]
(2)通过安装于计算机的激光标刻系统软件读取待标刻图像，设置激光输出功率、激光器重复频率和振镜工作频率；
[0108]
打开激光器，激光运动控制系统根据计算机输出的图像信号进行扫描，高能量的激光束透过高反射金属在工作面上进行激光标刻。
[0109]
标刻效果如图4所示。此为铜的毛胚料，无需表面处理和洁净即可打上清晰的黑色图标。
[0110]
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。