CN101368256A - 一种利用超短脉冲激光改变金属表面色泽的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用超短脉冲激光改变金属表面色泽的方法，涉及金属材料表面处理领域。本发明利用脉宽为2飞秒到100皮秒的超短脉冲激光束直接辐照金属表面，通过控制脉冲激光的能量、偏振等参数在金属表面形成不同的微米甚至纳米结构，这种由于纳米结构的形成使得金属表面能够实现对光在不同角度的选择性反射现象，使得金属表面看起来具有多种不同的金属颜色。该技术可以应用于金属首饰的表面改色、防伪商标的制作等，可获得类似蝴蝶翅膀一样绚丽多彩的颜色。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用超短脉冲激光改变金属表面色泽的方法，利用该方法可以改变金属表面的色泽，属于金属材料表面处理领域。
背景技术
改变金属表面颜色的技术很多，如通过火焰、激光束表面处理进行氧化而获得不同的颜色，也可以通过表面生长、涂镀各种色层实现，还可以通过去除某些表面色层形成某种的颜色。这些方法中金属表面涂镀颜料的方法色层容易脱落，其他的方法则难以实现颜色的多样性。
发明内容
本发明提出了的一种利用超短脉冲激光改变金属表面色泽的方法，该方法通过超短脉冲激光制备表面亚微米结构，这种结构对光的选择性反射形成了“结构色”，从而改变了金属表面色泽。
本发明利用超短脉冲激光束直接辐照金属表面，通过控制脉冲激光的能量、偏振等参数在金属表面形成不同的微米甚至纳米结构，这种由于纳米结构的形成使得金属表面能够实现对光在不同角度的选择性反射现象，使得金属表面看起来具有多种不同的金属颜色。该技术可以应用于金属首饰的表面改色、防伪商标的制作等，可获得类似蝴蝶翅膀一样绚丽多彩的颜色。
本发明采取的技术方案如下。本方法包括以下步骤：首先对金属表面进行抛光处理，然后利用超短脉冲激光辐照金属表面，在金属表面形成波纹、洼坑或者小珠状等亚微米级的周期性结构，通过控制激光束与金属位置的相对运动使得金属表面上待加工区域内的金属色泽改变。所述的超短脉冲激光的脉宽为2飞秒～100皮秒。
所述的金属包括薄板、厚板，其厚度从1微米到10米。
所述的金属材料为金、银、铜、铁、铝、镍、钛、不锈钢或镁或它们的合金材料或者主要成分为前述材料的复合金属材料。
所述的超短脉冲激光为椭圆偏振激光束或线偏振激光束。
所述的超短脉冲激光的中心波长为200纳米～1微米。
所述超短脉冲激光在金属表面预定改变金属色泽的位置的脉冲个数为1个脉冲～1亿个脉冲。
所述的超短脉冲激光能量密度在10mJ/cm2～10J/cm2。
金属表面可以为圆形、椭圆形、方形或不规则的形状。金属可以为各种球体、环形体、锥体和空间不规则体等空间结构。
本发明也可以通过改变超短脉冲激光束对金属材料表面的入射角度以控制其表面的亚微米结构的形成。
本发明中用于控制激光束与金属位置的相对运动的方法包括控制光斑运动和控制金属移动两个方法。
本发明主要是利用飞秒激光诱导金属表面形成周期性结构，通过脉宽为2飞秒到100皮秒的超短脉冲激光照射在金属板材上形成周期间隔小于波长的精细周期性结构。
在本发明中，当使用线偏振光时，该金属表面结构的特征在于形成垂直偏振方向的上延伸的周期性波纹结构，或者平行于偏振方向的周期性波纹结构。当利用椭圆偏振光束作为辐照光源时，该精密周期性结构的特征在于形成垂直于主轴偏振方向的周期性波纹结构。周期间隔定义为周期性结构相邻凹陷结构中间的平均距离。
本发明通过这种超短脉冲诱导金属表面亚微米的周期性结构，除了可以获得从400nm到700nm这种周期间隔与可见光的波段重合的周期性结构外，还存在更小的周期性间隔，这些结构的出现客观存在了类似于蛋白石、蝴蝶翅膀等的周期性结构对光的选择性反射和吸收，从而可以在处理后的金属表面形成独特的视觉效果。
附图说明
图1金属表面固定位置激光辐照形成的表面周期结构的扫描电镜图
图2超短脉冲激光诱导表面结构改变金属色泽的方法示意图
图中：1、超短脉冲激光器，2、快门，3、光强调节器，4、空间光强整形器，5、光偏振调节器，6、光学聚焦系统(透镜聚焦、物镜聚焦或者振镜与场镜聚焦)，7、金属样品，8、平移台。
具体实施方式
下面对本发明作进一步说明：
选用的金属材料应该先通过抛光方式获得光亮洁净的表面，根据样品不同可以选用机械抛光、化学抛光以及振动抛光等各种抛光工艺。抛光后的金属样品置于平移台8上，如图2所示。超短脉冲激光器1发出的脉冲激光依次经过快门2、光强调节器3、空间光强整形器4、光偏振调节器5、光学聚焦系统6后作用在金属样品7上。
本实施例中的金属样品为钛，将钛样品置于飞秒脉冲激光下，本实施例选用的飞秒脉冲激光中心波长为800nm，带宽为80nm，脉宽为15fs，垂直线偏振，通过焦距为200mm的聚焦镜聚焦到厚度为2mm的方形金属钛表面。金属钛固定于三维平移台，通过移动三维平移台，在脉冲能量密度为0.18J/cm2，激光辐照下金属钛表面20个脉冲后可以形成650nm左右周期性波纹(如图一)，随着平移台垂直以偏振方向运动周期性结构能在金属钛表面延伸，这样周期性结构可以覆盖辐照区，从而表面形成了一大片的光栅结构，而这种结构对于不同波长的光反射不同，从而形成了结构色的金属表面。
使用本方法改变金属表面光泽时，脉冲激光能量密度可以优先选在该金属材料的烧蚀阈值的0.6～1.4倍。钛在飞秒脉冲下的单脉冲烧蚀阈值为0.25J/cm2，本实施例中的脉冲激光能量密度选为0.72倍的烧蚀阈值，为0.18J/cm2。
本发明是一种物理现象，几乎可以出现在各种金属材料上，虽然每种金属材料的周期性结构略有区别。上述的金属材料可以优选金、银、铜、铁、铝、镍、钛、不锈钢、镁以及它们的合金材料或者主要成分为前述材料的复合金属材料。这些材料经过通常的表面抛光清洗，主要是为了得到清洁表面，表面没有明显的大尺寸缺陷。飞秒激光辐照下可以获得周期性结构，该结构周期通常小于激光波长，通过选择不同的金属厚度、激光偏振和入射角度可以控制获得的表面结构的周期。
在使用本发明改变金属表面色泽时，超短脉冲激光激光束的能量优选在各种金属的烧蚀阈值附近，10mJ/cm2～10J/cm2之间，随着辐照脉冲个数的增加，相应金属的烧蚀阈值会越小。
目前，利用飞秒激光进行金属薄膜的表面处理形成周期性结构主要是用于减少激光的反射率、提高光的透过率，或者提高金属表面对光的吸收率。本发明中的金属相对于金属薄膜要厚，侧重于表面结构颜色的产生。
本发明提出的改变金属表面色泽的方法，不同于前述方法之处在于其中的颜色的起源不同，本发明提出的金属表面结构颜色是一种自然界中非常绚丽多姿的颜色，如蛋白石、蝴蝶翅膀以及孔雀羽毛等，它们在不同的角度和光源照射下显示出不同的颜色和亮度，这种绚丽多姿的颜色起源于其这些物质内部或者表面存在光子晶体结构，其特征在于存在小于可见光波长(如700nm)的周期性或者准周期性的结构，这种结构在某一角度吸收特定的波长，反射其他的特定波长从而形成了颜色多样性。
Claims (7)
1.一种利用超短脉冲激光改变金属表面色泽的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：首先对金属表面进行抛光处理，然后利用超短脉冲激光辐照金属表面，在金属表面形成亚微米级周期性结构，通过控制激光束与金属位置的相对运动使得金属表面上某个区域面积内的金属色泽改变；
所述的超短脉冲激光的脉宽为2飞秒～100皮秒。
2.根据权利要求1所述的一种利用超短脉冲激光改变金属表面色泽的方法，其特征在于：所述的金属的厚度为1微米～10米。
3.根据权利要求1所述的一种利用超短脉冲激光改变金属表面色泽的方法，其特征在于：所述的金属材料为金、银、铜、铁、铝、镍、钛、不锈钢或镁或它们的合金材料或者主要成分为前述材料的复合金属材料。
4.根据权利要求1所述的一种利用超短脉冲激光改变金属表面色泽的方法，其特征在于：所述的超短脉冲激光为椭圆偏振激光束或线偏振激光束。
5.根据权利要求1所述的一种利用超短脉冲激光改变金属表面色泽的方法，其特征在于：所述的超短脉冲激光的中心波长为200纳米～1微米。
6.根据权利要求1所述的一种利用超短脉冲激光改变金属表面色泽的方法，其特征在于：所述超短脉冲激光在金属表面预定改变金属色泽的位置的脉冲个数为1个脉冲～1亿个脉冲。
7.据权利要求1所述的一种利用超短脉冲激光改变金属表面色泽的方法，其特征在于：所述的超短脉冲激光的能量密度为10mJ/cm2～10J/cm2。
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Cited By (23)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102922128A (zh) * | 2012-11-05 | 2013-02-13 | 天津大学 | 一种基于预调制激光快速制备周期性波纹结构的方法 |
| CN103480967A (zh) * | 2013-09-09 | 2014-01-01 | 温州大学 | 一种铝合金表面的激光扫描选择性着色方法 |
| CN103568195A (zh) * | 2012-07-27 | 2014-02-12 | 罗伯特·博世有限公司 | 发送器元件及其制造方法 |
| CN103586578A (zh) * | 2013-11-14 | 2014-02-19 | 苏州图森激光有限公司 | 一种材料表面激光黑化或着色方法 |
| CN103627883A (zh) * | 2013-11-07 | 2014-03-12 | 清华大学 | 一种用皮秒脉冲激光调控金属表面吸光性能的方法 |
| CN103789761A (zh) * | 2012-10-31 | 2014-05-14 | 罗伯特·博世有限公司 | 探测元件及制造这种探测元件的方法 |
| DE102013002222A1 (de) * | 2013-02-11 | 2014-08-14 | Photon Energy Gmbh | Verfahren zur Modifikation der Oberfläche eines Metalls |
| CN104308369A (zh) * | 2014-10-28 | 2015-01-28 | 吉林大学 | 一种铜基底上彩虹色超疏水仿生表面的制备方法 |
| CN105817758A (zh) * | 2016-05-17 | 2016-08-03 | 中国科学技术大学 | 一种飞秒激光加工多彩结构色的方法、加工系统及采集系统 |
| CN106842588A (zh) * | 2017-03-28 | 2017-06-13 | 北京印刷学院 | 激光诱导向前转移制备结构色薄膜的装置和方法 |
| CN107030378A (zh) * | 2017-05-18 | 2017-08-11 | 长春理工大学 | 一种飞秒激光处理金属表面优化微波段吸收性能的方法 |
| CN107252967A (zh) * | 2017-07-26 | 2017-10-17 | 大连理工大学 | 超短脉冲激光表面结构改性制造高吸收率黑色金属的方法 |
| CN107757169A (zh) * | 2017-10-11 | 2018-03-06 | 福州大学 | 一种基于飞秒激光的贵金属防伪方法 |
| CN108235694A (zh) * | 2015-06-24 | 2018-06-29 | 敦提大学 | 其中激光具有特定功率密度和/或特定脉冲持续时间的用于使表面激光变黑的方法和装置 |
| CN108515269A (zh) * | 2018-04-03 | 2018-09-11 | 北京航空航天大学 | 一种利用皮秒激光直接制备不锈钢超疏水自清洁表面的方法 |
| CN110396617A (zh) * | 2019-08-23 | 2019-11-01 | 深圳市华乐珠宝首饰有限公司 | 一种白色金合金及其制备方法 |
| CN110899957A (zh) * | 2019-11-27 | 2020-03-24 | 西安交通大学 | 基于飞秒激光诱导分割图案实现信息显示及加密的方法 |
| CN111375897A (zh) * | 2018-12-29 | 2020-07-07 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 一种用于金属表面抛光的光学装置 |
| CN112300622A (zh) * | 2020-10-28 | 2021-02-02 | 深圳市绚图新材科技有限公司 | 一种综合性能良好的汽车专用结构色颜料片及其制备方法 |
| CN112505919A (zh) * | 2020-08-27 | 2021-03-16 | 蔡汉荣 | 一种反射式投影成像的金属表面及加工方法 |
| CN114393311A (zh) * | 2021-12-30 | 2022-04-26 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 图案彩绘加工装置与加工方法 |
| CN114406473A (zh) * | 2021-12-27 | 2022-04-29 | 无锡超通智能制造技术研究院有限公司 | 一种利用线结构光整平金刚石片表面的方法 |
| DE102022129499A1 (de) | 2022-11-08 | 2024-05-08 | Bundesdruckerei Gmbh | Sicherheitselement, Sicherheitsdokument und Verfahren zur Herstellung eines Sicherheitsdokuments |
-
2008
- 2008-10-17 CN CN 200810224501 patent/CN101368256A/zh active Pending
Cited By (33)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103568195A (zh) * | 2012-07-27 | 2014-02-12 | 罗伯特·博世有限公司 | 发送器元件及其制造方法 |
| CN103789761A (zh) * | 2012-10-31 | 2014-05-14 | 罗伯特·博世有限公司 | 探测元件及制造这种探测元件的方法 |
| CN102922128A (zh) * | 2012-11-05 | 2013-02-13 | 天津大学 | 一种基于预调制激光快速制备周期性波纹结构的方法 |
| DE102013002222B4 (de) * | 2013-02-11 | 2017-03-02 | Photon Energy Gmbh | Verfahren zur Modifikation der Oberfläche eines Metalls |
| DE102013002222A1 (de) * | 2013-02-11 | 2014-08-14 | Photon Energy Gmbh | Verfahren zur Modifikation der Oberfläche eines Metalls |
| CN103480967B (zh) * | 2013-09-09 | 2015-04-01 | 温州大学 | 一种铝合金表面的激光扫描选择性着色方法 |
| CN103480967A (zh) * | 2013-09-09 | 2014-01-01 | 温州大学 | 一种铝合金表面的激光扫描选择性着色方法 |
| CN103627883A (zh) * | 2013-11-07 | 2014-03-12 | 清华大学 | 一种用皮秒脉冲激光调控金属表面吸光性能的方法 |
| CN103627883B (zh) * | 2013-11-07 | 2015-04-22 | 清华大学 | 一种用皮秒脉冲激光调控金属表面吸光性能的方法 |
| CN103586578B (zh) * | 2013-11-14 | 2016-08-31 | 苏州图森激光有限公司 | 一种材料表面激光黑化或着色方法 |
| CN103586578A (zh) * | 2013-11-14 | 2014-02-19 | 苏州图森激光有限公司 | 一种材料表面激光黑化或着色方法 |
| CN104308369A (zh) * | 2014-10-28 | 2015-01-28 | 吉林大学 | 一种铜基底上彩虹色超疏水仿生表面的制备方法 |
| CN104308369B (zh) * | 2014-10-28 | 2016-08-24 | 吉林大学 | 一种铜基底上彩虹色超疏水仿生表面的制备方法 |
| CN108235694A (zh) * | 2015-06-24 | 2018-06-29 | 敦提大学 | 其中激光具有特定功率密度和/或特定脉冲持续时间的用于使表面激光变黑的方法和装置 |
| CN105817758A (zh) * | 2016-05-17 | 2016-08-03 | 中国科学技术大学 | 一种飞秒激光加工多彩结构色的方法、加工系统及采集系统 |
| CN105817758B (zh) * | 2016-05-17 | 2017-12-22 | 中国科学技术大学 | 一种飞秒激光加工多彩结构色的方法、加工系统及采集系统 |
| CN106842588A (zh) * | 2017-03-28 | 2017-06-13 | 北京印刷学院 | 激光诱导向前转移制备结构色薄膜的装置和方法 |
| CN107030378A (zh) * | 2017-05-18 | 2017-08-11 | 长春理工大学 | 一种飞秒激光处理金属表面优化微波段吸收性能的方法 |
| CN107252967A (zh) * | 2017-07-26 | 2017-10-17 | 大连理工大学 | 超短脉冲激光表面结构改性制造高吸收率黑色金属的方法 |
| CN107252967B (zh) * | 2017-07-26 | 2023-06-20 | 大连理工大学 | 超短脉冲激光表面结构改性制造高吸收率黑色金属的方法 |
| CN107757169A (zh) * | 2017-10-11 | 2018-03-06 | 福州大学 | 一种基于飞秒激光的贵金属防伪方法 |
| CN108515269A (zh) * | 2018-04-03 | 2018-09-11 | 北京航空航天大学 | 一种利用皮秒激光直接制备不锈钢超疏水自清洁表面的方法 |
| CN111375897B (zh) * | 2018-12-29 | 2021-06-15 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 一种用于金属表面抛光的光学装置 |
| CN111375897A (zh) * | 2018-12-29 | 2020-07-07 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 一种用于金属表面抛光的光学装置 |
| CN110396617A (zh) * | 2019-08-23 | 2019-11-01 | 深圳市华乐珠宝首饰有限公司 | 一种白色金合金及其制备方法 |
| CN110396617B (zh) * | 2019-08-23 | 2021-02-26 | 深圳市华乐珠宝首饰有限公司 | 一种白色金合金及其制备方法 |
| CN110899957A (zh) * | 2019-11-27 | 2020-03-24 | 西安交通大学 | 基于飞秒激光诱导分割图案实现信息显示及加密的方法 |
| CN112505919A (zh) * | 2020-08-27 | 2021-03-16 | 蔡汉荣 | 一种反射式投影成像的金属表面及加工方法 |
| CN112300622A (zh) * | 2020-10-28 | 2021-02-02 | 深圳市绚图新材科技有限公司 | 一种综合性能良好的汽车专用结构色颜料片及其制备方法 |
| CN114406473A (zh) * | 2021-12-27 | 2022-04-29 | 无锡超通智能制造技术研究院有限公司 | 一种利用线结构光整平金刚石片表面的方法 |
| CN114393311A (zh) * | 2021-12-30 | 2022-04-26 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 图案彩绘加工装置与加工方法 |
| CN114393311B (zh) * | 2021-12-30 | 2022-10-04 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 图案彩绘加工装置与加工方法 |
| DE102022129499A1 (de) | 2022-11-08 | 2024-05-08 | Bundesdruckerei Gmbh | Sicherheitselement, Sicherheitsdokument und Verfahren zur Herstellung eines Sicherheitsdokuments |
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