CN102958640A

CN102958640A - 用于可靠地镭射标记物品的方法和装置

Info

Publication number: CN102958640A
Application number: CN2011800092116A
Authority: CN
Inventors: 张海滨; 格兰·西门森; 派崔克·李奥纳德
Original assignee: Electro Scientific Industries Inc
Current assignee: Electro Scientific Industries Inc
Priority date: 2011-03-10
Filing date: 2011-03-10
Publication date: 2013-03-06
Also published as: WO2012121734A1; EP2683518A1; JP2014509947A; KR20140044299A

Abstract

本发明是一种用于在经过阳极氧化的铝质样品190上建立可选择颜色及光学密度的标记194的方法及装置。此方法包含提供镭射标记系统148，其具有镭射150、镭射光学模块(laser optics)154以及有效连接至该镭射150以控制激光脉冲参数的控制器160。该镭射标记系统148是用以产生激光脉冲152，所述激光脉冲具有关联至预定颜色及光学密度的激光脉冲参数，当进行标记时，在一流体168存在下被导控至该经过阳极氧化的铝质样品158的表面。

Description

用于可靠地镭射标记物品的方法和装置

本发明为于2010年2月11日提申的申请案第12/704,293号的部分的接续案。

技术领域

本发明是有关于以镭射处理系统对经过阳极氧化处理(anodized)之物品之镭射标记(laser marking)。特别是关于利用镭射处理系统以一种具持久性且符合商业需求的方式标记经过阳极氧化处理的物品。具体言之，其是有关于使紫外线、可见光及红外线波长激光脉冲与经过阳极氧化处理的物品之间的交互作用具备独特特征，以可靠地并可重复地在一流体存在下建立具有预定颜色及光学密度(optical density)之持久性标记。

背景技术

市面上的产品基于商业、管控、装饰或功能上的目的，常需要在其上有某种形式的标记。所需的标记特性包含一致性的外观、持久性、以及施加的容易性。外观是指可靠地并可重复地以一选定之形状、颜色及光学密度呈现一标记的能力。持久性是尽管经过标记的表面有所磨耗，仍能维持不变之质量。施加的容易性是指制做具有可编程性(programmability)的标记的材料、时间及资源上的成本。可编程性是指通过改变软件以一新的待标记图案编程标记装置，而非改变诸如筛版或屏蔽等硬件。

经过阳极氧化处理之金属物品，其质轻、坚固、易于形塑且拥有耐久的表面抛光，故在工业及商业货品上均有许多应用。阳极氧化意味多种电解钝化处理中的任何一种，其中天然氧化层被增生于诸如铝、钛(titanium)、锌、镁、铌(niobium)或钽(tantalum)的金属之上，以增进对于腐蚀或磨损的抵抗力以及获得装饰之目的。此等表面迭层事实上可以被着上或染上任何颜色，而在金属上制造出一个永久性的、不褪色的、耐久性表面。许多此等金属可以利用本发明之特色被有效益性地进行标记。此外，诸如抗腐蚀之不锈钢等金属均可以使用此方式加上标记。诸如此等的许多金属制成品均需要永久性的、清楚可见的、符合商业需求的标记。经过阳极氧化的铝是具有此需求之典型材料。以镭射处理系统产生的激光脉冲标记经过阳极氧化处理的铝可以在极低的标记成本下以可编程之方式快速地制做出耐久性的标记。

以激光脉冲使经过阳极氧化处理的铝的表面上产生颜色变化已行之多年。在P.Maja、M.Autric、P.Delaporte、P.Alloncle等人的一篇标题为"Dry lasercleaning of anodized aluminum(经过阳极氧化的铝的干式镭射清洁)"的论文中(COLA'99 5th International Conference on Laser Ablation(镭射烧蚀国际会议)，1999年7月19-23日，

，德国，发行于Appl.Phys.A 69[Suppl.]，S343-S346(1999)，pp S43-S346)，其描述自铝的表面移除阳极氧化区，但应注意，其颜色变化是发生于镭射能量低于自表面移除阳极氧化区所需镭射能量之处。

被提出以解释金属表面之光学密度或颜色变化的机制之一是镭射诱发周期表面微结构(laser-induced periodic surface structures；LIPSS)之产生。A.Y.Vorobyev和Chunlei Guo之论文"Colorizing metals with femtosecond laserpulses(利用飞秒激光脉冲对金属着色)"(Applied Physics Letters(应用物理快报)92,(041914)2008,第41914-1页到第141914-3页)描述可以利用飞秒激光脉冲(femtosecond laser pulse)在铝或类铝金属上制造出的各种不同颜色。此论文描述在金属上制造出黑色或灰色标记并在金属上建立一金黄的颜色。其亦提到一些其他颜色，但不多加赘述。LIPSS是其对于在金属表面产生标记所提供的唯一说明。此外，其仅教示或提议具有65飞秒时序脉冲宽度之激光脉冲以建立所述结构。并且，其并未提及在镭射处理之前，铝质样品是否经过阳极氧化处理或者表面是否曾经过清洁。该论文亦未讨论对于氧化层的可能损伤。

当论及激光脉冲持续时间(duration)之时，量测脉冲持续时间的方法应该加以定义。时序脉冲形状可以从简单的高斯脉冲(Gaussian pulse)到更复杂的与个别作业有关之形状。对于特定型态处理之有利的示范性非高斯激光脉冲描述于编号7,126,746的美国专利GENERATING SETS OF TAILORED LASERPULSES(产生经过裁制的激光脉冲群组)之中，发明人Sun等，该专利授让于本发明之受让人，此处以参照的形式纳入本文。该专利揭示产生具有时间波形(temporal profile)异于二极管激发固态(diode pumped solid state；DPSS)镭射所制造出的典型高斯时间波形之激光脉冲的方法及装置。这些非高斯型态之脉冲被称为"经过裁制的"脉冲，因为其时间波形(temporal profile)是通过结合一个以上的脉冲以产生单一脉冲及/或光电式地调变脉冲而改造自典型的高斯波形。此产生一脉冲，其脉冲能量随时间改变，通常包含一或多个功率峰值，其中瞬间功率在脉冲持续时间的一小部分增加至一大于脉冲平均功率之数值。此种经过裁制的脉冲在高速率处理材料中可以有所效用，其不会在材料周遭造成碎片或者过热的问题。问题在于利用基本上应用于高斯脉冲的标准方法量测诸如所述复杂脉冲的持续时间可能产生异常的结果。高斯脉冲持续时间之量测通常是使用持续时间的半峰全幅值(full width at half maximum；FWHM)量测。相对于此，利用积分平方法，如描述于编号6,058,739的美国专利LONG LIFE FUSEDSILICA ULTRAVIOLET OPTICAL ELEMENTS(长寿命熔融石英紫外线光学组件)之中者，发明人Morton等，允许复杂的时序形状被量测并以一较具意义之方式进行比较。在此专利之中，其利用以下公式量测脉冲持续时间

t = \frac{{(&Integral; T (t) dt)}^{2}}{&Integral; T^{2} (t) dt}

其中T(t)是一代表激光脉冲时序形状之函数。

关于可靠地并可重复地在经过阳极氧化的铝上产生出具有预定颜色及光学密度的标记的另一问题在于，以极易取得的纳秒脉冲宽度固态镭射制造极深色标记所需的能量足以对阳极氧化区造成损伤，此是一无法接受的结果。"黑暗度"或"明亮度"或颜色名称均是相对性的用词。以数量表示颜色的一个标准方法是参考色度量测(colorimetry)之CIE系统。此系统描述于Ohno,Y.的"CIEFundamentals for Color Measurements(色彩量测的CIE基础)"一文之中(IS&TNIP16 Conf，Vancouver，CN，2000年10月16-20日，第540-545页)。在此量测系统之中，达成一符合商业需求的黑色标记需要小于或等于L^*=40、a^*=5以及b^*=10之参数。此产生一无可见灰度或彩度的中性黑色。在编号6,777,098的美国专利MARKING OF AN ANODIZED LAYER OF AN ALUMINIUMOBJECT(铝质对象阳极氧化层的标记)之中，发明人Keng Kit Yeo描述一种以黑色标记对经过阳极氧化的铝质物品进行标记的方法，该黑色标记位于一介于阳极氧化区及铝之间的迭层之中，因而与阳极氧化表面同样耐久。其中所述的标记被描述成具有深灰色或黑色之彩度，且相较于未利用纳秒级红外线激光脉冲标记过的部分显得稍为较不具光泽。此外，其必须清除铝的所有表面微粒，例如，在磨光之后而在阳极氧化之前残留的微粒。依据该专利所请求的方法制做标记其不利性有以下二个原因：第一，以纳秒级脉冲建立符合商业需求的黑色标记倾向于对氧化层造成破坏；其次，磨光或其他处理之后跟随的铝的清洁在流程中加入额外步骤，增加相关费用，并可能干扰其它处理所需要的表面抛光。

所需要的，但前述技术未揭示的，是在经过阳极氧化的铝上制造出黑色或灰色或者彩色的标记的可靠且可重复之方法，其不需要一昂贵的飞秒镭射或者在制程中干扰到氧化层或在表面备妥之后需要清洁。此外，其并未提供如何在经过阳极氧化的铝的表面上可重复性地建立各种不同颜色的信息，亦未彻底追查对于阳极氧化层的脱色或损伤效应。故其有必要提出一种利用较低成本镭射可靠地并可重复地在经过阳极氧化的铝上建立具有预定光学密度或灰阶及颜色的标记的方法，其不会对其上的氧化物造成不良的伤害，且在阳极氧化之前不需要清洁。

发明内容

本发明之一特色是以各种不同光学密度或灰阶及颜色之可看见标记加诸于经过阳极氧化处理的铝质物品。此等标记应该持久耐用且具有符合商业需求之外观。此是通过利用激光脉冲建立所述标记而达成。所述标记被建立于氧化层下方的铝的表面处，因此被氧化物所保护。所述激光脉冲建立符合商业需求的标记且未对氧化层造成明显损伤，从而使得所述标记经久耐用。其通过控制产生及导控激光脉冲之镭射参数而在经过阳极氧化的铝上建立耐久且符合商业需求的标记。在本发明的一特色之中，镭射处理系统被调构成以一可编程之方式产生具有适当参数之激光脉冲。在镭射标记进行时利用一流体流动抑止标记期间在氧化层中的热损伤，允许使用较高之能量，其产生较大范围之颜色及光学密度以及较高之生产量。

可选择以增进镭射标记经过阳极氧化的铝的可靠性及可重复性的示范性激光脉冲参数包含镭射种类、波长、脉冲持续时间、脉冲重复率(repetition rate)、脉冲数目、脉冲能量、脉冲时序形状、脉冲空间形状以及焦斑(focal spot)尺寸及形状。进一步的激光脉冲参数包含指定焦斑相对于物品表面之位置以及导控激光脉冲相对于物品的相对运动。

本发明之特色通过利用取决于所用特定激光脉冲参数的范围从肉眼几乎无法察觉到黑色的光学密度加深阳极氧化下方的铝的表面之颜色而建立耐久且符合商业需求之标志。本发明之其他特色建立呈棕褐或金黄色彩的各种不同光学密度的颜色，同样地取决于所用的特定激光脉冲参数。本发明之其他特色通过对染色或着色之阳极氧化区进行脱色或部分脱色，同时对下方的铝加上或不加上标记，以在经过阳极氧化的铝上建立耐久且符合商业需求的标记。其他特色在镭射处理期间使用一流体流动以降低对氧化物之伤害。

为了达成依据本发明目的之前述及其他特色，以本文所实施并宽广陈述的形式，揭示一种用于在一经过阳极氧化的铝质样品上建立一颜色及光学密度可选择之可见标记的方法，以及调构以执行该方法之装置。本发明是一种用于在经过阳极氧化的铝质样本上建立一颜色及光学密度可选择之可见标记的方法及装置。该方法包含提供一镭射标记系统，其具有镭射、镭射光学模块以及有效连接至该镭射以控制激光脉冲参数的控制器以及具有储存激光脉冲参数之控制器、选择关联预定颜色及光学密度的储存激光脉冲参数、导控该镭射标记系统以产生具有关联预定颜色及光学密度的激光脉冲参数之激光脉冲，同时在物品被标记时导控一流体流动。

附图说明

图1：镭射处理系统。

图2：以先前技术纳秒脉冲制做出的标记。

图3：以皮秒脉冲制做出的标记。

图4：射束腰径。

图5：位于经过阳极氧化的铝上的灰阶标记。

图6：位于经过阳极氧化的铝上的标记。

图7：染色后的、加上可见光标记之经过阳极氧化的铝。

图8：染色后的、加上IR标记之经过阳极氧化的铝。

图9：显示可见光激光脉冲门坎值之关系图。

图10：显示IR激光脉冲门坎值之关系图。

图11：转换成镭射参数的影像数据。

图12a-i：施加至一铝质物品之着色阳极氧化区。

图13：具有流体流动之镭射处理系统。

图14a：阳极氧化区脱色显示裂缝。

图14b：阳极氧化区脱色显示使用流体则无裂缝。

具体实施方式

本发明之特色是以各种不同光学密度及颜色之可看见标记，耐久性地、可选择性地、可预测性地、且可重复性地标记经过阳极氧化处理的铝质物品。以有利之方式，其使得所述标记出现于铝的表面或其附近，并保持阳极氧化层大致完整无损以保护该表面和所述标记。以此方式做出的标记被称为夹层标记(interlayer mark)，因为其被制做于形成阳极氧化区的氧化层下方的铝的表面处或表面上。理想情况下，氧化物在标记加入之后维持完整无损以保护标记并提供机械性地毗连于相邻标记及非标记区域间之表面。此外，所述标记应能够可靠且可重复性地产生，意味若需要具有特定颜色及光学密度的标记，则其知悉当以镭射处理系统处理该阳极氧化铝之时将会产生预定结果之一组镭射参数。其同时亦应理解，某些以镭射处理系统产生的此种标记是看不见的。在此特色之中，该镭射处理系统建立在一般观看条件下不可看见的标记，但在例如当被紫外光照射时的其他条件下变成可被看见。其应理解，此等标记是被用以提供防盗标记或其他特殊标记。

本发明之一实施例使用经过调构之镭射处理系统以标记经过阳极氧化的铝质物品。可以被调构成用以标记经过阳极氧化的铝质物品之示范性镭射处理系统是由位于97229，OR，Portland之Electro Scientific Industries公司所产制的ESI MM5330微加工系统(micromachining system)。此系统是一采用二极管激发式Q型开关固态镭射之微加工系统，其在30KHz脉冲重复率、第二谐振倍增至532纳米波长下具有5.7W之平均功率。另一可以被调构成用以标记经过阳极氧化的铝质物品之示范性镭射处理系统是亦由位于97229，OR，Portland之Electro Scientific Industries公司所产制的ESI ML5900微加工系统。此系统采用之固态二极管激发式镭射可以被组构成在上达5MHz的脉冲重复率下发射出从大约355纳米(UV)到大约1064纳米(IR)之波长。上述之任一系统均可以通过加入适当之镭射、镭射光学模块、部件处置设备及控制软件而被调构成用以依据揭示于本说明书中的方法在经过阳极氧化的铝的表面上可靠地且可重复地产生标记。这些修改使得镭射处理系统能够在预定的速率及间距下将具有适当镭射参数的激光脉冲导控至预定地方之适当定位及承置的经过阳极氧化的铝质物品上以建立具有预定颜色及光学密度的标记。此一经过调构之系统之一示意图显示于图1之中。

图1显示依据本发明一实施例之被调构成用以标记物品之ESI MM5330微加工系统之示意图。调构内容包含镭射10，此在本发明一实施例之中是运作于1064纳米波长之二极管激发Nd:YVO4固态镭射，由德国，Kaiserslautern的Lumera laser GmbH公司制造的Rapid型号机组。此镭射选择性地利用一固态谐振频率产生器将频率倍增以使得波长降低至532纳米或使频率增加至三倍而将波长降低至355纳米，从而分别产生可见光(绿色)或紫外线(UV)激光脉冲。此镭射10额定产生6瓦特之连续功率并具有1000KHz的最大脉冲重复率。此镭射10与控制器20协同运作以产生具有1皮秒至1,000纳秒持续时间之激光脉冲12。这些激光脉冲12可以是高斯型式或者是特殊形状或者是经由镭射光学模块14裁制以允许预定的标记施加。镭射光学模块14，与控制器20协同运作，导控激光脉冲12以在物品18之上或其附近形成镭射光斑16。物品18被固定于平台22之上，其包含移动控制构件，与控制器20及镭射光学模块14协同运作以提供复合射束定位能力。复合射束定位是在物品18相对于镭射光斑16移动之时，通过控制器20导控镭射光学模块14中之操控构件而补偿平台22、镭射光斑16或二者引发的相对运动，以将形状标记于物品18之上的功能。

当激光脉冲12被导控以在物品18之上或其附近形成镭射光斑16之时，亦由镭射光学模块14配合控制器20加以塑形。镭射光学模块14控制激光脉冲12之空间形状，其可以是高斯或特殊形状。举例而言，其可以使用"顶帽式(top hat)"空间外形，其投送出在整个照射至被标记物品的光斑内具有均匀辐射剂量之激光脉冲12。诸如此类的特殊形塑形状之空间形貌可以利用绕射光学构件造出。激光脉冲12亦被镭射光学模块14中的光电式构件、可操控镜组构件或振镜(galvanometer)构件栅阻或导控。

镭射光斑16是指激光脉冲12所形成的激光束之焦斑。如前所述，镭射光斑16处的镭射能量分布是取决于镭射光学模块14。此外，镭射光学模块14控制镭射光斑16的聚焦深度(depth of focus)，或是量测平面远离焦平面(focalplane)时光斑失焦的速度。通过控制聚焦深度，控制器20可以导控镭射光学模块14以及平台22可重复地以高精确度将镭射光斑16定位于物品18的表面处或其附近。通过将焦斑定位于物品表面的上方或下方以制做标记允许激光束失焦特定程度，从而增加激光脉冲照射之区域并减少表面处的镭射能量密度(fluence)。由于光束腰径之几何结构已知，将焦斑明确定位于物品实际表面之上或之下将对光斑尺寸及能量密度提供进一步的精确控制。

图2是显微照片，其显示利用大于纳秒脉冲而无流体流动之先前技术镭射建立于经过阳极氧化的铝30上的标记。该阳极氧化区在标记区域34之中显示清楚的裂缝痕迹32，一个不良的结果。图3显示利用皮秒级镭射在同一形式的经过阳极氧化的铝36上制做出的同一颜色及光学密度的标记38，其显示并无裂痕。皮秒级镭射对经过阳极氧化的铝质物品施加符合商业需求之黑色标记，且未对氧化层造成损伤。商业上可接受之黑色是定义成一个具有CIE色度L^*=40、a^*=5且b^*=10或更小的标记。使用皮秒级镭射之另一优点在于其更加便宜、需要更少之维护以及通常比先前技术飞秒级镭射具有远远较长的运作寿命。此外，本发明之特色不需要在阳极氧化建立符合商业需求的标记之前先清洁铝的表面。

本发明之一实施例在阳极氧化区下的经过阳极氧化的铝上执行标记之施加。对于待产生的夹层标记，其镭射能量密度定义为：

F=E/s

其中E是激光脉冲能量而s是镭射光斑面积，必须满足

F_u<F<F_S

其中Fu是基板/涂层交界面之镭射修改门坎值，此例中是铝/氧化铝，而Fs是表面层或阳极氧化区之损伤门坎值。Fu和Fs已然经由实验获得，且代表所选择镭射使基板及表面层开始受损之能量密度。对于10皮秒(ps)脉冲，实验显示Al(铝)的Fu对于皮秒绿光是~0.13焦耳/平方厘米而对于皮秒IR则是~0.2焦耳/平方厘米，而Fs对于皮秒绿光是~0.18焦耳/平方厘米而对于皮秒IR则是~1焦耳/平方厘米。在此等数值之间改变镭射能量密度产生不同颜色及光学密度的标记。不同的脉冲持续时间及镭射波长将各自具有对应的Fu及Fs数值。一组特定之镭射参数及经过阳极氧化处理的物品的实际门坎值是经由实验决定。标记时使用一流体流动之优点是流体流动增加损伤门坎值Fs，从而允许使用较高之能量标记物品，此容许较高之生产量以及较宽范围的标记密度。

本发明之一实施例通过调整镭射光斑之位置，从位于铝质物品的表面处变成位于铝的表面上方或下方之明确距离处，而精确地控制在该铝质物品的表面处的镭射能量密度。图4显示激光脉冲焦斑40及其邻近处之光束腰径之一示意图。光束腰径由表面42表示，其是激光脉冲由FWHM方法在该激光脉冲沿其行进的光轴44上量测的空间能量分布之直径。直径48代表当镭射处理系统将激光脉冲聚焦于该表面上方距离(A-O)处时铝的表面上的激光脉冲光斑尺寸。直径46代表当镭射处理系统将激光脉冲聚焦于该表面下方一距离(O-B)处时铝的表面上的激光脉冲光斑尺寸。

除了符合商业需求之黑色，对物品施加具有灰阶数值的标记亦有效用。图5及图6显示由本发明实施例所做出的施加于经过阳极氧化的铝上的一连串灰阶标记。标记的光学密度范围从几乎与背景无法分辨到全黑。依据本发明之一特色，每一灰阶标记均可以被表示成CIE色度量测数值之特有三元数组，L^*、a^*及b^*。本发明之一特色将每一预定灰阶数值链接一组镭射参数，其依照命令可靠地且可重复地在经过阳极氧化的铝上产生预定之灰阶数值标记。其亦应注意，肉眼可能看起来无法察觉的标记，当以广谱可见光之外的频率照射时，例如紫外光，可以变成可被看见。

图5显示本发明一实施例在经过阳极氧化的铝70上制造出的黑色标记60、62、64、以及66。此等标记60、62、64、以及66具有范围从小于L^*=40、a^*=5及b^*=10到完全透明的CIE色度，使之成为符合商业需求的标记。所述标记的另一特征在于，由于它们是位于无损伤的阳极氧化之下，故其在一宽广的视角范围内均具有一致的外观。利用先前技术方法所做出的标记，由于对于阳极氧化层之损伤，故倾向于随着视角的改变在外观上具有很大的差异。特别是，当利用先前技术纳秒级脉冲进行标记之时，施加足够激光脉冲能量至表面以做出深色标记对阳极氧化造成损伤，此使得标记之外观随着视角变化。依据本发明一特色做出的标记，无论标记颜色多深，均不会损伤阳极氧化区，亦不会随着视角不同而在外观上有所变化。此等改良的标记是利用以下镭射参数造成：

镭射种类	DPSS Nd:YVO₄
		波长	532纳米
脉冲持续时间	10皮秒
		脉冲时序	高斯
镭射功率	4W
		重复率	500KHz
速度	25毫米/秒
		间距	10微米
光斑尺寸	10-400微米
		光斑尺寸	高斯
焦点高度	0-5毫米，每步间隔0.5毫米

表1：用于彩色及灰阶标记之镭射参数

标记60、62、64、66之光学密度范围从相对于未标记的铝几乎无法察觉的60到全黑的66。介于该二个极端之间的灰阶光学密度64、66是通过移动焦斑使其更接近物品而产生，增加能量密度从而产生更深色的标记。焦斑在铝的表面上方的高度之改变从零开始，即最深色光学密度标记62之情形，在图5之中由右至左每标记64、66递增500微米之增量，结束于表面上方5毫米处的最浅色标记60。注意以位于铝的表面上方4.5至1.5毫米之焦斑所产生的标记64显现出棕褐或金黄色，而以焦斑一毫米或更短者产生的标记62及66则显现出灰色或黑色。维持此对于镭射焦斑距工作表面距离的精确控制加上将其他镭射参数维持于正常镭射处理的公差之内，使其得以在经过阳极氧化的铝上制做出具有预定颜色及光学密度的镭射标记。此外，最深色标记显示小于L^*=40、a^*=5而b^*=10之CIE色度，使其成为符合商业需求之黑色标记。

本发明之另一特色决定具有灰阶之外颜色的标记与皮秒激光脉冲参数之间的关系。灰阶之外的颜色可以以二种不同方式产生于经过阳极氧化的铝上。第一，其可以在光学密度的范围中产生金黄色调。其是通过在铝及氧化物涂层间的交界面处做出变化而产生此颜色。仔细选择激光脉冲参数将产生预定之金黄颜色而不致损伤氧化物涂层。图5亦显示由本发明之特色产生之金黄或棕褐的各种不同色彩。

经过阳极氧化的铝的镭射标记亦可以通过使用IR波长激光脉冲以对铝施加标记的本发明之一特色达成。此特色通过以二种不同方式改变铝的表面处之镭射能量密度而产生不同灰阶密度的标记。如上所述，其可以通过将焦斑定位于铝的表面的上方或下方以改变表面处之能量密度而造出灰阶。控制灰阶的第二种方式是通过在标记预定图案之时改变照射点距(bite size)或线条间距以改变位于铝的表面处之总剂量。改变照射点距是指调整激光脉冲光束相对于铝的表面移动之速率或者改变脉冲重复率或者二者均改变，此导致在铝上连续激光脉冲撞击位置间的距离改变。改变线条间距是指调整标记线条之间的距离以达成各种不同程度之交迭。图6显示具有一标记72的数组之一铝质物品74。此等标记72被安排于一包含六行四列的数组之中。此六行代表铝的表面上方范围从0(顶列)到5毫米(底列)的六个焦斑Z向高度。四列则代表由上到下的5、10、20及50微米之间距。其应可以从图6看出，改变焦斑之Z向高度及改变激光脉冲之间距能够以可预测之方式产生从小于CIE L^*=40、a^*=5、且b^*=10到几近透明之间的任何预定光学密度的灰阶，从而在经过阳极氧化的铝上产生符合商业需求的标记。

镭射种类	DPSS Nd:YVO₄
		波长	1064纳米

脉冲持续时间	10皮秒
		脉冲时序	高斯
镭射功率	2.5W
		重复率	500KHz
速度	50毫米/秒
		间距	5、10、20、50微米
光斑尺寸	55-130微米
		光斑尺寸	高斯
焦点高度	0-5毫米，每步间隔1毫米

表2：用于灰阶IR标记之激光脉冲参数

可以利用皮秒激光脉冲施加至经过阳极氧化的铝上之一第二种型态的标记是藉由被染色阳极氧化区之脱色所造成的颜色对比上之改变。在一微观的尺度上，阳极氧化区是多孔性的，且将轻易地接受许多种染剂。再次参见图3，此经过阳极氧化的铝之显微照片显示表面之多孔性质。用以标记染色后的经过阳极氧化的铝之激光脉冲可以，取决于波长及脉冲能量，在标记铝时将染色脱除，使得阳极氧化区变成透明，从而将下方的铝之上的标记显现出来。利用较高之能量密度，其有可能同时进行染色脱除以及先前段落所述之以黑色、灰阶或彩色标记阳极氧化层下方之铝。能量较低之脉冲可以部分脱除阳极氧化区之染色，使其呈半透明，从而对其下之铝标记局部上色。最后，较长波长的脉冲可以在未造成阳极氧化区之脱色下在铝上施加具有符合商业需求的黑色或灰阶颜色的标记。图7显示染色后的经过阳极氧化的铝质物品，具有利用可见光(532纳米)激光脉冲制做而成的标记。注意阳极氧化区中的染色在接受激光脉冲的区域中被脱除。图8显示同一种染色后的经过阳极氧化的铝质物品，具有利用IR(1064纳米)激光脉冲制做而成的标记。注意阳极氧化区并未被IR激光脉冲脱色，故未能使得下方的铝质颜色穿越原始氧化物的半透明状态而显现出来。

本发明之另一特色是有关于利用皮秒镭射以经过着色之阳极氧化区对经过阳极氧化的铝施加镭射标记。由于阳极氧化通常形成一多孔性之表面，故可能引入染剂，其改变铝之外观。此等染剂可以是不透明或半透明，允许不同数量之入射光抵达铝，且经由阳极氧化区被反射回来。图7显示一经过阳极氧化的铝质物品80，其依据本发明之一特色在阳极氧化区之中具有粉红染色并被制做成一标记82的数组。颜色之产生是藉由脱除氧化层中的染色，而下方的铝显现出从原有(银)色到一系列经过镭射标记的色彩从棕褐到灰色最后到黑色之颜色。这些色彩是藉由改变铝的表面处的激光脉冲之能量密度而产生。图中的四列代表将激光脉冲之间距从10微米改变到50微米，而行则代表将距表面的焦斑距离从0.0毫米改变到5.0毫米。此等镭射参数在所有的情况下均使得覆盖铝的氧化物中的染色脱除，而让铝上的标记得以显现出来。镭射标记光学密度的范围从透明到CIE色度小于L^*=40、a^*=5、b^*=10。用以产生此等标记之镭射参数显示于表3之中。

镭射种类	DPSS Nd:YOV₄
		波长	532纳米
脉冲持续时间	10皮秒
		脉冲时序	高斯
镭射功率	4W
		重复率	500KHz
速度	50毫米/秒
		间距	10微米
光斑尺寸	10-400微米
		光斑尺寸	高斯
焦点高度	0-5毫米

表3：用于可见氧化物脱色之镭射参数

阳极氧化区染色之脱除是与频率相关的。如图7所示，532纳米之激光脉冲即使在最低的能量密度亦能脱除阳极氧化区之染色。另一方面，IR镭射波长，在染色后的经过阳极氧化的铝上建立标记，且对于多数的半透明染剂颜色并不会脱除其染色。图8显示经过阳极氧化的铝质物品100，具有粉红染色以及以IR激光脉冲制做而成的标记102。所述标记从半透明到黑色，且是藉由改变焦斑到表面之距离以及藉由改变间距二者，以修改镭射能量密度而制成。图中的六行代表使激光脉冲焦斑与铝的表面之间的距离从5.5毫米(右侧)变化到零(左侧)。图中的四列则代表使激光脉冲间距从10微米变化到50微米。用以产生此等标记之镭射参数显示于表4之中。

镭射种类	DPSS Nd:YOV₄
		波长	1064纳米
脉冲持续时间	10皮秒
		脉冲时序	高斯
镭射功率	4W
		重复率	500KHz
速度	50毫米/秒
		间距	10微米
光斑尺寸	10-400微米
		光斑尺寸	高斯
焦点高度	0-5毫米

表4：用于IR着色阳极氧化区标记之镭射参数

针对532纳米(绿光)镭射波长之阳极氧化区染色脱除、对铝进行标记以及使表面烧蚀之间的关系显示于图9之中。针对532纳米(绿光)激光脉冲配合给定于表1及3内的参数，图9显示以焦耳/平方厘米(Joules/cm²)为单位的阳极氧化区脱色(Fb)、标记阳极氧化区下之铝(Fu)、以及表面烧蚀(Fs)的能量密度门坎值。就本发明之一特色而言，532纳米激光脉冲产生的数值是Fb=0.1焦耳/平方厘米、Fu=0.13焦耳/平方厘米、以及Fs=0.18焦耳/平方厘米。图10显示配合给定于表2及4内的参数之1064纳米(IR)激光脉冲之以焦耳/平方厘米为单位的能量密度门坎值。就本发明之一特色而言，1064纳米(IR)激光脉冲之以焦耳/平方厘米为单位的能量密度门坎值是Fu=0.2焦耳/平方厘米以及Fs=1.0焦耳/平方厘米。注意其并无针对阳极氧化区脱色之门坎值，因为IR波长激光脉冲在镭射能量密度大到足以损伤覆盖的阳极氧化区之前，尚无法开始对阳极氧化区脱色。其亦应注意Fb、Fu及Fs的精确数值将取决于所使用的特定镭射及光学模块。对于一特定之处理配置以及待进行标记之物品，其应以实验的方式决定，并储存于控制器之中以供后续使用。

在本发明之另一实施例中，经过调构之镭射处理系统之可编程特性使得经过阳极氧化的铝质物品可以标记以符合商业需求的标记图案。如图11所示，在此特色之中，一图案110被转换成一数字表示方式112，其被分解成一列表114，其中在列表114之中的每一项目116均包含一位置或复数位置的表示方式，具有一颜色及光学密度关联至每一位置。列表114被储存于控制器20之中。控制器20将镭射参数链接栏表114中的每一项目116，当所述镭射参数被以命令的形式传送至镭射10、光学模块14及移动控制平台22之时，将致使镭射10发出一或多个激光脉冲12，照射到铝质物品18的表面16或其附近。所述脉冲将建立一具有预定颜色及光学密度的标记。当标记正被建立时，藉由依据储存于列表中的位置相对于铝质物品18移动激光脉冲12，使得预定范围颜色及光学密度的标记以预定之图案被制做于经过阳极氧化的铝的表面之上。

在本发明的另一实施例之中，着色之阳极氧化区被图案化于先前图案化的标记之上以呈现额外的颜色及光学密度。在此特色之中，灰阶图案被建立于经过阳极氧化的铝质物品之上。该物品接着被涂覆以光阻涂层，其可以藉由曝光至激光脉冲而被显影。经过灰阶图案化及光阻涂覆后之物品被置入镭射处理系统之中，并进行校准对齐使得系统可以准确地将激光脉冲施加至已经加诸于物品上的图案。所使用的光阻是一种被称为"负型"光阻剂者，其中暴露至镭射辐射之区域将被移除，而未暴露之区域将留存于物品上继续后续之处理。残留的光阻保护物品表面使其免于被染色，而已被曝光且之后被移除的阳极氧化区域将被染上预定之颜色。此阳极氧化层被设计成半透明以容许光线穿过阳极氧化区而到达下方的图案并被反射回来穿过阳极氧化区，从而产生具有选定颜色及光学密度的有色图案。此有色阳极氧化区若有需要亦可以利用本发明其他特色所揭示之技术予以脱色，以产生具有预定透明度之预定颜色。此颜色可以施加于其下图案的整个区域，或者以逐点的方式为之，仅受限于镭射系统之分辨率，通常在10到400微米的范围之内。此动作可以重复以产生多重颜色之迭覆。在本发明之一特色中，其以多重颜色迭覆网格的形式施加阳极氧化区颜色迭覆，诸如贝尔图案(Bayer pattern)。藉由将灰阶图案设计成配合颜色迭覆网格，可以将一耐久性、符合商业需求之全彩影像建立于经过阳极氧化的铝质物品之上。

图12a至图12i显示用以利用二种颜色建立此种颜色迭覆的一连串步骤。在图12a之中，一铝质物品118具有一透明阳极氧化层120以及先前依据本发明之其他特色施加的标记122。一负型光阻124被施加至透明阳极氧化层120之表面。在图12b之中，激光脉冲126对光阻124之区域128、130进行曝光。在图12c之中，未曝光之光阻134在光阻处理之后留存下来，但已曝光之光阻被移除，留下处理后之光阻层134中的空位132。图12d显示基础阳极氧化层120中在处理后之光阻层134中的空位132下方的区段136中的阳极氧化区被染以颜色。完整无损的处理后之光阻层134防止阳极氧化区获致颜色，除了处理后之光阻层134中已被移除的区域132之外。图12e显示物品118在处理后之光阻层移除之后包含具有颜色部分之阳极氧化区136之基础阳极氧化区120以及先前施加的标记122之相对位置。

图12f显示一物品118具有基础阳极氧化区120，包含颜色部分136以及一第二光阻层138。图12g显示此光阻之第二迭层138被激光脉冲142照射，使得区域140被曝光。图12h显示具有基础阳极氧化区120之物品118进行被移除光阻140下方阳极氧化区之染色以及残留光阻138移除之后之情况。此使得完整无损的基础阳极氧化层包含着色区域136、144，位于先前标记区域122之上。图12i显示后续激光脉冲146被用以选择性地对该铝质物品先前经过阳极氧化及染色之部分进行脱色，以产生额外的预定颜色或光学密度。本发明此特色所述之处理造成一彩色图案迭覆于一灰阶图案之上，以可编程的图案形式产生具有耐久性且符合商业需求之颜色及光学密度的范围宽广的标记。

在本发明的另一实施例之中，可以使用特定之图案将着色阳极氧化区建立于经过阳极氧化的铝质物品之上，产生观看时呈全彩影像之外观。在此特色之中，其利用本文所述之技术将一影像之图案代表形式施加至表面上。颜色染剂以例示于图12a至图12i之方式引入，但所述染剂引入阳极氧化基础层之图案是被设计成将灰阶表示方式转换成全彩的方式。此一图案之一实例是一贝尔滤光镜(Bayer filter，图中未显示)，其将红色、绿色及蓝色滤光镜元素并列于一图案之中，使得眼睛对红色、绿色及蓝色元素之感知融合成其光学密度与着色阳极氧化区滤光镜下方的灰阶标记相关之单一颜色，从而产生全彩影像或图案之外观。光阻可以是负型或正型光阻，且曝光该光阻之图案可以藉由屏蔽产生，诸如使用于电路或半导体应用之中者，或者由一电子装置直接写入，或者藉由诸如喷墨之技术直接沉积，或者藉由镭射直接烧蚀。

在本发明另一实施例之中，经过调构之镭射标记系统148显示于图13之中，其包含一喷嘴164以及流体供应166。图13显示经过调构之镭射标记系统148，其包含一镭射150，镭射150发出沿一激光束路径152行进之激光脉冲，穿越光束操控光学模块(beam steering optics)154，于此处被导控以照射一固定于一移动平台162上之物品158，所有动作均受一控制器160之控制。喷嘴164由流体供应166供予流体，并在镭射150被激发并沿着激光束路线152发出脉冲之时或发出脉冲左右的时间，将一流体流动168导控至位于被激光束152照射位置处或其附近之物品158。在一些实施例之中，喷嘴164是安装至移动控制设备170，其受控制器160之导控而相对于物品158移动喷嘴164并因此移动流体流动168，从而将流体流动168导控至激光束152照射于物品158上的位置附近。在其他实施例之中，物品158之表面可以在镭射加工时被流体淹覆，排除配合激光束152移动喷嘴164之需要。

此流体流动168冷却物品之表面并增加可施加至物品158上一位置处的能量密度大小。此增加被标记的特定的经过阳极氧化的铝质物品之Fs，因此允许更多能量密度被用以在铝和氧化物的交界面处改造铝的表面，同时亦允许更大的能量密度以及因而达成的更大生产量。在此实施例之中，采用水做为上述之流体，然而其亦可以使用空气或者诸如氮或氩等其他气体或其他流体。位于表面上的流体流动之目的在于防止阳极氧化区之温度抵达明显损伤开始产生之温度。针对特定镭射参数充分降低温度之流体流动速率是依经验决定，且将随使用之流体以及阳极氧化区及金属物品之相关热传导特性而有所差异。

镭射标记进行时将流体输送至物品表面的方式取决于所采用之流体。若流体流动是相对高速流体中之一小股串流，诸如空气或惰性气体，则喷嘴164可能必须机械式地耦接至光束操控光学模块154以维持流体流动168与激光束路径152之间的配合。在一诸如水之流体的情形，物品的表面可以被淹覆，从而对一大片区域提供热防护，此种状况下不需要在物品158进行镭射标记时移动喷嘴164。

此种冷却效应允许用以建立标记的镭射参数改变以容许更强烈的颜色标记、幅度更大的阳极氧化区脱色以及增加的生产量，同时限制热应力对阳极氧化区造成之损伤。图14a显示一经过阳极氧化处理的物品180，其具有已染色之阳极氧化区182。该阳极氧化区的一部分已然经过镭射脱色184，且导致阳极氧化区之裂缝186。所使用的镭射参数列于表5之中。

镭射种类	DPSS Nd:YOV₄
		波长	532纳米
脉冲持续时间	10皮秒
		脉冲时序	高斯
镭射功率	2W
		重复率	200KHz
速度	100毫米/秒
		间距	10微米
光斑尺寸	10-400微米
		光斑尺寸	高斯
焦点高度	0-5毫米

表5：镭射脱色参数

在图14a之中，其利用表5之中所列的镭射参数对染色的阳极氧化区进行脱色。在此实施例之中，其选择镭射参数，使其达成高功率、镭射稳定运作、以及提供良好系统生产量的标记速率。焦点高度随后被调整以对镭射能量密度提供细微的控制。此例中，0.38焦耳/平方厘米之镭射能量密度被用以对阳极氧化区进行脱色，其同时亦产生裂缝186，这是无法接受的。对于此特别的样品，所有超过0.13焦耳/平方厘米的能量密度均导致阳极氧化区之破裂。因此，就此特别的样品而言，阳极氧化区无法被有效率地脱色且不使得阳极氧化区产生裂缝。图14b显示运用本发明一实施例对阳极氧化区进行脱色之结果，其亦使用表5所列的镭射参数。经过阳极氧化处理的物品190已被染色192且其中的一部分194已在存在一流体的情况下被脱色。注意在此样品中，虽然利用0.25焦耳/平方厘米的能量密度进行脱色处理，但并未造成可看见的裂缝。其藉由在镭射脱色期间以2-3毫米的水淹覆该物品而避免掉裂缝。

可以被本发明之实施例妥善运用的镭射参数包含使用波长范围从IR到UV之镭射，特别是从大约10.6微米到大约355纳米。该镭射运作于2W，基本上位于1W到100W的范围之中，较佳的实施方式是从1W到12W之间。脉冲持续时间的范围是从1皮秒到1000纳秒(ns)，或者较佳之实施方式是从1皮秒到200纳秒。镭射重复率是位于从1KHz到100MHz的范围之中，或者较佳之实施方式是从10KHz到1MHz。镭射能量密度范围从大约0.1x10^-6焦耳/平方厘米到100.0焦耳/平方厘米，或者特别是从1.0x10^-2焦耳/平方厘米到10.0焦耳/平方厘米。激光束相对于被标记物品移动之速度的范围从1毫米/秒到10米/秒，或者较佳之实施方式是从100毫米/秒到1米/秒。物品表面上激光脉冲相邻列之间的间距或间隔范围从1微米到1000微米，或者较佳之实施方式是从10微米到100微米。于物品表面处量测的激光脉冲光斑尺寸范围从10微米到1000微米，或者较佳之实施方式是从50微米到500微米。相对于物品表面之激光脉冲焦斑位置的范围从-10毫米到+10毫米，或者特别是从0到+5毫米。

前述实施例之细节可以在未脱离本发明之基本原理下进行许多修改，此对于习于斯艺者应是显而易见的。本发明之范畴因此应由以下之申请专利范围界定之。

Claims

1.一种用于在经过阳极氧化处理的物品上建立具有预定性质的标记的方法，包含：

提供具有可编程激光脉冲参数的镭射标记系统以及在该经过阳极氧化处理的物品上提供一流体；

决定在该流体存在下与建立具有该预定性质的该标记相关联的特定激光脉冲参数；以及

导控该镭射标记系统以在该流体位于该经过阳极氧化处理的物品上时利用该决定的特定激光脉冲参数标记该经过阳极氧化处理的物品，从而建立具有该预定性质的该标记。

2.如申请专利范围第1项的方法，其中该经过阳极氧化处理的物品是经过阳极氧化处理的铝。

3.如申请专利范围第1项的方法，其中该预定性质包含尺寸、形状、位置、颜色以及光学密度。

4.如申请专利范围第1项的方法，其中该激光脉冲参数包含脉冲宽度、波长、脉冲数目、脉冲时序形状、脉冲能量密度、光斑尺寸、光斑形状以及焦斑。

5.如申请专利范围第1项的方法，其中该流体是水。

6.如申请专利范围第1项的方法，其中是以一流动的形式提供该流体。

7.如申请专利范围第6项的方法，其中该流体流动被相对于该物品移动以维持该流体与该激光脉冲间的一关系。

8.如申请专利范围第1项的方法，其中该标记是通过对该经过阳极氧化处理的物品染色及选择性地脱色而产生。

9.如申请专利范围第4项的方法，其中该脉冲宽度的范围是从大约1皮秒到大约1000纳秒。

10.如申请专利范围第4项的方法，其中该波长的范围是从大约10.6微米到大约355纳米。

11.如申请专利范围第4项的方法，其中该脉冲数目的范围是从1到大约10000个脉冲。

12.如申请专利范围第4项的方法，其中该脉冲时序形状是高斯型。

13.如申请专利范围第4项的方法，其中该脉冲时序形状是裁制型。

14.如申请专利范围第4项的方法，其中该脉冲能量密度的范围是从1.0x10^-6焦耳/平方厘米Joules/cm²到10.0焦耳/平方厘米。

15.如申请专利范围第4项的方法，其中该光斑尺寸的范围是从大约10微米到大约1000微米。

16.如申请专利范围第4项的方法，其中该光斑形状是高斯或形塑形状的其中之一。

17.如申请专利范围第4项的方法，其中该焦斑是聚焦于该经过阳极氧化处理的物品的表面处、表面上方或表面下方其中之一。

18.如申请专利范围第3项的方法，其中该预定光学密度是等于或小于大约L*=40、a*=5和b*=10。

19.如申请专利范围第3项的方法，其中该预定颜色是白色、黑色、透明、灰色、棕褐色tan或金黄色gold的其中之一。

20.一种用以在经过阳极氧化处理的物品上产生具有预定性质的标记的镭射标记的装置，包含：

镭射，其用以产生激光脉冲；

镭射光学模块，其用以修改及导控该激光脉冲；

平台，其用以承载并定位该经过阳极氧化处理的物品；

流体，其用以自该经过阳极氧化处理的物品吸收热；以及

控制器，其用以存取特定激光脉冲参数并与该镭射、镭射光学模块以及平台协同运作，依据该特定激光脉冲参数产生及导控该激光脉冲以照射至该经过阳极氧化处理的物品，同时该流体自该经过阳极氧化处理的物品吸收该激光脉冲所产生的热，从而产生具有该预定性质的该标记。

21.如申请专利范围第20项的装置，其中该经过阳极氧化处理的物品是经过阳极氧化处理的铝。

22.如申请专利范围第20项的装置，其中该预定性质包含尺寸、形状、位置、颜色以及光学密度。

23.如申请专利范围第20项的装置，其中该激光脉冲参数包含脉冲宽度、波长、脉冲数目、脉冲时序形状、脉冲能量密度、光斑尺寸、光斑形状以及焦斑。

24.如申请专利范围第20项的装置，其中该流体是水。

25.如申请专利范围第20项的装置，其中是以一流动的形式提供该流体。

26.如申请专利范围第25项的装置，其中该流体流动被相对于该物品移动以维持该流体与该激光脉冲间的一关系。

27.如申请专利范围第20项的装置，其中该标记是通过对该经过阳极氧化处理的物品染色及选择性地脱色而产生。

28.如申请专利范围第23项的装置，其中该脉冲宽度的范围是从大约1皮秒到大约1000纳秒。

29.如申请专利范围第23项的装置，其中该波长的范围是从大约10.6微米到大约355纳米。

30.如申请专利范围第23项的装置，其中该脉冲数目的范围是从1到大约10000个脉冲。

31.如申请专利范围第23项的装置，其中该脉冲时序形状是高斯型。

32.如申请专利范围第23项的装置，其中该脉冲时序形状是裁制型。

33.如申请专利范围第23项的装置，其中该脉冲能量密度的范围是从1.0x10^-6焦耳/平方厘米到10.0焦耳/平方厘米。

34.如申请专利范围第23项的装置，其中该光斑尺寸的范围是从大约10微米到大约1000微米。

35.如申请专利范围第23项的装置，其中该光斑形状是高斯或形塑形状的其中之一。

36.如申请专利范围第23项的装置，其中该焦斑是聚焦于该经过阳极氧化处理的物品的表面处、表面上方或表面下方其中之一。

37.如申请专利范围第22项的装置，其中该预定光学密度是等于或小于大约L*=40、a*=5和b*=10。

38.如申请专利范围第22项的装置，其中该预定颜色是白色、黑色、透明、灰色、棕褐色或金黄色的其中之一。

39.如申请专利范围第20项的装置，其中该标记是通过对该经过阳极氧化处理的物品染色及选择性地脱色而产生。

40.如申请专利范围第20项的装置，其中该镭射参数是被选择以一具有不同光学密度以形成一影像的预定图案在该经过阳极氧化处理的物品上产生该标记。

41.如申请专利范围第20项的装置，其中通过选择性地移除一光阻层以曝光阳极氧化区，并进行染色，且选择性地对该经过曝光、染色的阳极氧化区进行脱色，以将着色的该阳极氧化区施加于该影像上，从而产生一彩色影像。