CN102971109A - 用于可靠地镭射标记物品的方法及设备 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种用于对一不锈钢样品100镭射标记以商业所欲标记102的方法及设备。该方法包含提供具有镭射38的镭射处理系统2，以及具有预定激光脉冲参数的镭射光学组件4、6、8和控制器28；选定与该所欲标记102相关联的预定激光脉冲参数；并且导引该镭射标记系统2以产生具有与该等所欲标记102相关联的激光脉冲参数，包含大于约1且小于约1000微微秒的时间脉冲宽度的激光脉冲。

Description

用于可靠地镭射标记物品的方法及设备
技术领域
本发明是有关于镭射标记金属物品。尤其，本发明是关于通过镭射处理系统以对不锈钢进行标记。更特别地，本发明是有关通过镭射处理系统以耐固且商业所需的方式对不锈钢进行标记。特定而言，本发明是有关于将红外线波长微微秒激光脉冲与不锈钢表面之间的互动予以特征化，通过识别出能够可靠地且可重复地产生具有所欲光学密度的耐固标记的镭射参数。
背景技术
产品标记通常需针对商业性、法规性、美容性或功能性目的以在该产品上进行一些类型的标记处理。对于这种标记处理的所欲属性包含外观一致性、耐固性以及应用上的简便性。外观是指足供可靠地且可重复地制成具有所选定形状、色彩和光学密度的标记的能力。耐固性为即使该经标记表面出现磨损亦能维持不变的质量。应用简便性是指标记制作在材料、时间及资源方面的成本，包含可程序设计能力。可程序设计能力是指可通过改变软件，不同于改变像是网版或屏蔽的硬件，俾依待予标记的新样式以程序设计该标记装置的能力。
坚硬并且拥有耐固表面完工处理的不锈钢在工业和商业货品方面具有许多应用项目。像这些许多由金属所制造的物品都需要永久、可见、满足商业需求的标记。不锈钢即为其一具备此等需求的示范性材料。像是不锈钢具有抗锈蚀性的金属即可按这种方式标记。通过由镭射处理系统所产生的激光脉冲来标记不锈钢确能按可程序化的方式以每个标记极低的成本来快速地制作耐固标记。
文献中既已提出可通过激光脉冲以在不锈钢的表面上产生色彩变化。一种既经陈述以解释金属表面的光学密度或色彩上的变化的机制即为建立镭射诱发周期性表面结构(LIPSS)。A.Y.Vorobyev及Chunlei Guo在Applied PhysicsLetters 92，(041914)2008第41914-1至141914-3页的“Colorizing metals withfemtosecond laser pulses”乙文描述可利用飞秒激光脉冲以在金属上产生的各种色彩。该文描述在金属上制作出黑或灰色标记，并且在金属上产生黄金色泽。文中亦述及一些其他色彩，然并未提出进一步说明。LIPSS为对于在金属表面上建立标记所提供的唯一解释。此外亦仅教示或建议以具有65飞秒的时间脉冲宽度的激光脉冲来产生这些结构。
两篇文章讨论到利用微微秒激光脉冲以在半导体材料及金属上产生表面变化。“SURFACE RIPPLES ON SILICON AND GALLIUM ARSENIDE UNDERPICOSECOND LASER ILLUMINATION”，作者为P.M.Fauchet和A.E.Siegman，Appl.Phys.Lett.40(9)，1982年5月1日，第824-826页；以及“GRADUAL SURFACE TRANSITIONS ON SEMICONDUCTORS INDUCEDBY MULTIPLE PICO-SECOND LASER PULSES”，作者为P.M.Fauchet，Physics Letters，Vol.93A，No.3，1983年1月3日，两者皆详细说明当令半导体及金属表面承受于红外线与可见波长微微秒激光脉冲时出现在其上的变化。该等文章虽描述波纹是如何地形成于这些材料的表面上，但并未对该材料的外观是如何因镭射互动的结果而改变加以讨论。
另一项有关于在不锈钢中可靠地且可重复地产生具有所欲色彩及光学密度的标记的问题是在于为通过随可获用的奈秒脉冲宽度固态镭射以产生非常暗黑标记所需要的能量确足以对该金属造成损伤，然此为非所乐见的结果。「暗黑」或「明亮」或色彩名称乃相对性词汇。一种色彩量化的标准方法可参照于CIE比色系统。此项系统可如2000年10月16-20日加拿大温哥华IS&TNIP16会议Ohno,Y.的“CIE Fundamentals for Color Measurements”乙文第540-545页所述。在这个测量系统中，为达到商业所冀求的黑色标记会需要在该CIE色度图上小于或等于L*=20，a*=+/-2以及b*=+/-2的参数。而这会导致具有非可见灰度或色彩的中性彩化黑色标记。
所欲者，然并未由业界所揭示者，即为一种能够在不锈钢上制作商业所冀求的黑色标记然无须昂贵飞秒镭射或烧蚀该金属表面的可靠且可重复方法。同时，所需要者为一种能够利用较低成本镭射以可靠地且可重复地在不锈钢上产生具有所欲光学密度的标记而不致对该表面造成非所乐见损伤或是在阳极化的前需先进行清洁处理的方法。
发明内容
本发明的一具体实施例可利用镭射标记系统以在一不锈钢样品上产生具有所欲性质的标记。该镭射标记系统配备有一可产生激光脉冲的镭射，而该等脉冲具有可控制镭射能量密度(laser fluence)及激光束定位，并因此该样品所受曝的镭射剂量，的激光脉冲参数。与针对一特定样品的最佳标记范围相关联的镭射参数是在该镭射处理系统中所决定并储存于其内。接着，该系统系经导引以利用所存激光脉冲参数通过导引激光脉冲撞击该样品以令该样品受曝于该最佳标记范围内的镭射剂量来标记该样品，并藉此对该样品标记以商业所欲标记。
为根据本发明的目的通过该等和其他特点以达到前述事项，即如本揭中所具体实作且广泛描述者，兹揭示一种用以在不锈钢样品上产生具有所欲商业质量的可见标记的方法，以及经调适俾执行该方法的设备。其中包含一镭射处理系统，此系统具有镭射、镭射光学组件以及移动阶台，且所有该等皆运作连接于一具有经储存、预定的激光脉冲参数的控制器。与该所欲色彩及光学密度标记相关联的所存激光脉冲参数系经选定，如此导引该镭射标记系统以产生激光脉冲，令该不锈钢样品曝出于与该所欲色彩及光学密度相关联的镭射剂量，并藉此产生具有商业所欲的性质的标记。
附图说明
图1a及b：经调适镭射标记系统；
图2a-f：在不锈钢上的镭射标记的SEM影像；
图3a及b：在不锈钢上的镭射标记的光学显微镜影像；
图4a-d：在不锈钢上的镭射标记的SEM影像；
图5：在不锈钢上的镭射标记的SEM影像；
图6：在不锈钢上的镭射标记的SEM影像；
图7：在不锈钢上的镭射标记的SEM影像；
图8：镭射能量密度图表。
具体实施方式
本发明的一具体实施例为对不锈钢物品标记以具有商业所欲的色彩及光学密度的耐固、可见标记。这可通过利用微微秒激光脉冲所达成，此等脉冲具有预定以令该待予标记的区域受曝于位在既经决定俾产生具有所欲商业性质的标记的范围内的镭射剂量的镭射参数。微微秒激光脉冲是通过改变表面的性质以产生商业所欲标记，然不致对该表面造成显著损伤或增附材料，藉以使得该标记具有耐固性。耐固、商业所欲标记是通过控制产生并导引微微秒激光脉冲的镭射参数以建构在不锈钢上。本发明的一具体实施例是一种经调适以按可程序化的方式产生具有适当参数的激光脉冲的镭射投影系统。可予选定以改善不锈钢镭射标记的可靠度及可重复性的示范性激光脉冲参数包含镭射类型、波长、脉冲时段长度、脉冲重复率(pulse repletion rate)、脉冲数量、脉冲能量、脉冲时间形状、脉冲空间形状、焦点大小和焦点形状。其他的激光脉冲参数包含标定焦点相对于该物品表面的位置，并且尤其是协调于激光脉冲重复速率与计时以导引激光脉冲相对于该物品的相对移动，藉此决定在接续脉冲之间的间隔(咬蚀大小)以及在激光脉冲的平行横列之间的间隔(间距)。
激光脉冲参数系经选定俾控制递送至待予标记的物品的表面上的总镭射辐射剂量。在不锈钢上产生具有商业所欲性质的镭射标记是根据此总镭射辐射剂量曝出而定。镭射辐射剂量系经定义为经递送至该待予标记的物品的表面而依焦耳所测量的镭射辐射的总量值。单一激光脉冲中所含能量的测量相当直观，因为就是对单一脉冲按Joules/cm2的镭射能量密度的计算。基于与在各点处需要多个重迭激光脉冲的典型表示法则相关联的复杂几何性的缘故，因此要直接地测量或计算镭射剂量极为困难。镭射辐射为激光脉冲能量密度，以及包含像是照点大小、焦距、镭射光数定位、咬蚀大小和间距在内的性质的激光脉冲几何性，的函数。注量与几何性两者都会对镭射剂量造成影响。更改这些参数可改变镭射辐射的剂量，触抵该工件表面上的一给定位置并藉以改变该标记的外观。由于通过咬蚀大小以及小于该工件上的照点大小半径的间距的重迭所产生的复杂几何性，因此要在真实情况下测量或计算递送至工件的实际剂量并非易事。对于一组给定激光束定位参数，镭射剂量是正比于镭射能量密度。为此理由，因了解到其结果为正比性，故而镭射曝出通常是按照镭射能量密度，然非剂量，所讨论。一般说来，为决定应予使用的有效镭射曝出，可选定开始镭射能量密度以及一组镭射定位参数，然后再通过改变该等与速度、咬蚀大小、间距和焦点在该工件上方的高度相关联的参数按照实验方式来决定正确的剂量，俾决定对于一给定不锈钢样本所应使用的最佳镭射参数。倘若并未寻得一组合理的镭射定位参数足供获致所欲标记，则调整该镭射能量密度并且重复进行实验。
本发明的具体实施例可通过光学密度来暗化该不锈钢的表面以供产生耐固、商业所欲的标记，此光学密度具有依据所运用的特定激光脉冲参数而定自近似无法以肉眼观知至黑色的范围。激光脉冲参数系经决定以提供特定的镭射剂量范围，此等剂量系大于为以在该表面内产生变化的门坎值，然小于产生大型波纹或损伤的门坎值。令不锈钢受曝于位在此最佳标记范围内的镭射剂量可通过在不锈钢表面上的现存颗粒边界内建构出微小、高频率波纹以产生均匀、暗黑、商业所欲的标记。令不锈钢受曝于超过该最佳标记范围的镭射剂量会在相对于该等较高频率波纹的直角处产生较大、较低频率波纹，即如参考文献中所述者，而如此将会抹除颗粒边界并且产生绕射效应。根据本发明的特点所建构的镭射标记可如高频率波纹及连续出现的颗粒边界所表述，其中可能开始构成一些较低频率波纹，但并非足够地良好组织化而致去除该等颗粒边界。
本发明的具体实施例可在不锈钢上进行标记处理。本揭实验所使用的不锈钢为SAE类型304-O等级并且以高度抛光完工处理所完工，这倾向于去除与初始完工步骤相关联的粗砾，而同时留下具有高度反射性的表面。假设与镭射定位相关联的因素保持为固定，则该镭射能量密度F可如下式所定义：
F=E/a，
其中E为按焦耳的激光脉冲能量，并且a为该照点大小在该基板上按平方公分为单位的面积，而该注量必须位于适当范围内藉以在该不锈钢表面内产生所欲变化。为令该注量F能够位于该最佳标记范围内，就必须满足Fu<F<Fr<Fs的关系，其中Fu为该不锈钢基板的镭射修改门坎值，其中小型、高度频率波纹开始在该表面上的颗粒边界内构成；Fr为大型、低频率波纹开始构成并且抹除颗粒边界的门坎值；同时Fs为该表面层中材料开始自该表面上烧蚀的损伤门坎值。Fu、Fr及Fs既已按实验方式所获得并且代表所选定镭射的注量，此时该基板表面层开始显示出被该镭射能量(Fu)修改的迹象，其中该基板表面层被组织化为大型波纹，而如此会去除颗粒边界(Fr)，并且干扰到该标记的损伤开始出现(Fs)。对于10微微秒(ps)的IR脉冲，就以不锈钢而言，Fu的示范性数值约为47mJ/cm2，Fr约为62mJ/cm2并且Fs约为73mJ/cm2。利用位于该最佳标记范围之内的注量将能按一些如表1所列述的范围内的速度、咬蚀大小和间距来产生商业所欲标记。
镭射类型 DPSS Nd:YV04
波长 1064nm
脉冲时段长 10微微秒
脉冲时间 高斯
镭射功率 7W最大值
重复速率 200KHz
极化性 线性
速度 300mm/s
咬蚀大小 1.5微米
间距 10微米
照点大小 130微米
照点形状 高斯
注量 .05J/cm2
焦点高度 4.6mm+/-0.1mm步阶大小
表1镭射参数
根据本发明的具体实施例在上述注量范围内的不锈钢标记显视为金属颗粒的函数。颗粒边界分隔该金属的表面上其中晶体结构概为均质性的区域。现已知在此注量范围内的镭射/材料互动显示出对于极化性的相关性。然可观察到金属晶体或颗粒之间的先前未予说明互动，其中在颗粒边界内所产生的小型波纹似乎显示出对于颗粒边界内的颗粒方向与极化性间的关系的相关性，而部分的颗粒范围比起其他范围较容易受到镭射辐射的影响。
本发明的一具体实施例是利用经调适镭射投影系统以标记不锈钢物品。一种可予调适以标记不锈钢物品的示范性镭射投影系统即为由美国奥勒冈州波特兰市(97229)的Electro Scientific Industries,Inc.公司所制造的ESI ModelMM5330镭射微加工系统。根据美国奥勒冈州波特兰市(97229)的ElectroScientific Industries,Inc.公司于2007年5月「Model 5330服务指南」，文件编号147250-01a，所载述的规格，兹将该文件依参考方式并入本案，此系统是一种运用各种二极管浦汲的Q切换固态镭射的镭射微加工系统，且依355nm UV波长按90KHz脉冲重复速率平均功率可达11W。此镭射可经调适以产生具有约1ps至1000ps，最好是1ps至250ps之间，或者是以10ps至100ps之间为佳，时段长度的激光脉冲。其镭射功率的范围可为自约1W至约100W，最好是约1W至50W，并且以5W至25W之间为佳。这些镭射运作于约1KHz至约100MHz之间，最好是约1KHz至约1MHz之间，或者以约10KHz至100MHz之间为佳，的重复速率。该经调适镭射系统可导引激光束以相对于该样品按自约1mm/s至约1m/s的范围，最好是约50mm/s至约500mm/s之间，且以约100mm/s至约400mm/s之间，的速度移动。在该样品表面上后续激光脉冲之间的咬蚀大小或间隔可为自约1微米至约1mm的范围，最好是约1微米至约500微米之间，且以约1微米至约100微米之间为佳。该系统通常是按约1微米至约1mm之间，或最好是约1微米至约500微米之间，且以约1微米至约100微米之间为佳，的相邻激光脉冲位置线间之间距或距离所运作。该系统系经组态设定以聚焦该等激光脉冲俾缩至约10微米至约500微米之间，最好是约50微米至约250微米之间，且约100微米至约200微米之间为佳，的最小焦点大小。该系统系经组态设定以发射具有约0.01J/cm2至约100J/cm2间，最好是约0.1J/cm2至约25J/cm2之间，且以0.1J/cm2至约10J/cm2之间为佳，的能量密度的激光脉冲。该系统亦可经组态设定以发射第二阶谐波倍化532nm波长脉冲或第三阶谐波355nm波长脉冲。此系统可通过应用适当的镭射、镭射光学组件、零件处置设备及控制软件所调适以根据本揭方法在不锈钢表面上可靠地且可重复地产生标记。这些调适作业可使得该镭射投影系统能够依所欲速率和间距将具有适当镭射参数的激光脉冲导引至经适当定位且固定的不锈钢物品上的所欲位置处以供产生具备所欲色彩与光学密度的所欲标记。本发明之一具体实施例包含进行让该镭射投影系统能够导引具有表1所列镭射参数的激光脉冲的调适作业。这种经调适系统的图表可如图1a及b所示。
图1a显示经调适以进行物品标记的经调适ESI Model MM5330镭射微加工系统2的图式，即如本发明之一具体实施例。该等调适可包含镭射映镜及功率衰减器4；激光束导向光学组件6及镭射场域光学组件8，此等系经调适以处置本具体实施例的镭射波长、功率和光束大小；夹具10，此者系经调适以固定不锈钢样品；控制器12，此者系经调适以储存并导引该系统以根据表1内的规格发射激光脉冲；Y阶台14、X阶台18及Z阶台(光学组件阶台)20，此等系经调适以根据表1内的规格相对于该激光束焦点移动该经固定不锈钢样品；以及相机22和观看光学组件24，此等系经调适以对准并检视该不锈钢样品。
图1b显示经调适ESI Model MM5330镭射微加工系统2的另一视图，其中包含镭射联锁控制器26，此者可控制该等联锁传感器(未予图示)的操作，而该等传感器能够在当开启该系统的各种面板时防止镭射的操作、控制器28、镭射电力供应器30、激光束校准器32、激光束光学组件34以及镭射映镜36，所有该等皆经调适以运作于该经调适镭射38，此镭射为由德国Kaiserslautem的Lumera Laser GmbH公司所制造的型号Rapid且运作于1064nm波长的二极管浦汲Nd:YV04固态镭射。该镭射38系经组态设定以按2MHz脉冲重复速率而产出达6W。该镭射38可并同于该等控制器28及镭射电力供应器30以产生具有1至1,000微微秒时段长度的激光脉冲。这些激光脉冲可为高斯式，或是由该激光束学组件34予以特殊塑形。该镭射光学组件34可并同于该控制器28、该激光束导向光学组件6及该镭射场域光学组件8以协同地导引激光脉冲，藉此在由该夹具10所固定的不锈钢样品(未予图标)上构成镭射照点。该等移动控制构件Y阶台14、X阶台18、Z阶台(光学组件阶台)20以及该激光束导向光学组件6可合并运作以提供复合的光束定位能力，其一特点即在于当该样品相对于该激光束连续地移动时，能够相对于该样品进行激光束定位。此项能力可如1998年5月12日所核发且发明人为Donald R.Cutler、Robert M.Pailthorp和Mark A.Unrath的美国专利第5,751,585号案文所述，该案系经受让予本发明所有权人并且将其依参考方式并入本案。复合式光束定位包含，当该样品正相对于激光束移动时，通过令该控制器28导引该等移动控制构件，亦即Y阶台14、X阶台18、Z阶台20，的一些局部以及该激光束导向光学组件6来补偿由该等移动控制构件的其他局部所引生的连续相对移动，藉此在该样品上进行形状标记作业的能力。
该等激光脉冲(未予图示)亦可协同于该控制器28以由该激光束光学组件34所塑形。该激光束光学组件34导引该等激光脉冲的空间形状，这可为高斯性或经特殊塑形。例如可运用“礼帽”式的空间廓型，如此将能递送在撞击到该待予标记物品的整个照点区域上具有均匀注量分布的激光脉冲。经特殊塑形的空间廓型，像是前述者，可为利用绕射光学构件或是其他光学构件所产生。镭射照点大小是指激光束的焦点的尺寸。由于可将焦点定位在该表面的上方或下方处，因此所予标记的样品的表面上的实际照点大小有所差异。此外，该等激光束光学组件34、激光束导向光学组件6、镭射场域光学组件8及Z阶台(光学组件阶台)20可协同运作以控制该镭射照点的景深，或者是当该样品上的交会点移离于该焦点平面时该照点应多快速地离出焦点。通过控制景深，该控制器28可导引该等激光束光学组件34、激光束导向光学组件6、镭射场域光学组件8及Z阶台(光学组件阶台)20，藉以按高精准度方式将该镭射照点定位在该样品的表面处或附近。通过将该焦点定位于该物品的表面的上方或下方来制作标记可让该激光束能够依一标定量值所去焦，同时可藉以扩大由该激光脉冲所照射的面积且降低该表面处的注量。由于该光束腰部的几何性为已知，因此将该焦点精准地定位于该物品的实际表面的上方或下方将能提供在照点大小及注量方面的额外精准控制。既已发现通过焦点定位来更改镭射照点几何性以改变镭射能量密度，且并同于运用产生1至1,000微微秒范围内的激光脉冲宽度的微微秒镭射，是一种足供在不锈钢上可靠地且可重复地产生标记的方式。利用微微秒镭射的一项优点是在于，相较于先前技艺飞秒镭射，该等的成本非常低廉、需要远少的维护作业，并且通常具有远长的操作寿命。
图2a到2f为在不锈钢上根据本发明的一具体实施例所产生的镭射标记的扫描电子显微图。图2a-2f是表示按自47mJ/cm2至62mJ/cm2范围的注量所构成的镭射标记。在本例中，注量是通过变更位在该工件上方的焦点的高度所改变。改变该焦点相对于该工件的表面的高度会使得激光束显似为在该表面处去焦，藉此在较大面积上展开该镭射能量并且降低该表面处的有效注量。改变位于该表面上方或下方处的焦点的高度是一种在本发明具体实施例所欲的范围上进行镭射能量密度调整的快速、可靠且精准方式。其他改变注量的方法包含改变脉冲时段长度、改变镭射功率、改变激光束相对于工件的移动速度、改变重复速率或是咬蚀大小。改变该注量，或最后会改变经递送至该样品表面的剂量，的镭射参数变化将会改变所获标记的外观。
图2a至2f显示通过将该焦点高度按0.1mm步阶方式从该所予标记的物品的表面上方约5.5mm处向下改变至该物品的表面上方约4.5mm处所产生的标记。图2a显示一依表1所示的镭射参数而标记的不锈钢物品40，其镭射照点的高度是设定在该工件上方的5.2mm处。此影像显示一既已按高空间频率波纹42所标记的区域，且连同一未经标记的区域44。在此清晰地显示出一位于该不锈钢表面上的颗粒区域或晶体间的边界46。该等颗粒边界46为具有不同指向的颗粒区域相会合的接口。该迭置刻度48显示该等波纹具有约10mm的周期并且循行于该等颗粒边界46。图2b显示该相同物品的另一局部50，此局部随后以相同的镭射参数所标记，除位于该待予标记物品上方的镭射照点高度降低成5.0mm以外。图2b显示周期约为10nm的高频率波纹52，即如嵌入刻度54所示者。由于较高注量的缘故，因此该等波纹在该物品的曝出局部上会更为均匀地展开。注意到颗粒边界56仍为清晰可见。
图2c显示一根据本发明的具体实施例所标记的物品的另一SEM影像。此物品60是利用表1所列的镭射参数所标记，镭射照点则设定在该物品上方的4.8mm处。可明显地观察到周期约为10nm的高频率波纹62，即如刻度64所示者。此影像中可见一颗粒边界66。图2d显示另一项经标记的不锈钢物品70，此者系根据表1所列的镭射参数而标记，且镭射焦照是设定在该物品表面上方的4.6mm处。具有周期约10nm的高频率波纹72会覆盖整个所标记区域，除开始为约60-70nm的空间周期的较大波纹78以外，即如刻度74所表示者。注意到颗粒边界76持续出现，并且大型波纹的方向是与该高频率波纹的方向相垂直。表1所列的镭射参数以及位在不锈钢物品表面上方的2.5mm镭射照点高度可在整个宽广视角上按等于或小于约L*=20、a*=+/-2且b*=+/-2的光学密度产生拥有均匀外观的商业所欲标记，同时是代表用以标记根据本发明具体实施例的特定不锈钢样品的最佳镭射参数。本发明的具体实施例决定并利用特定镭射参数，这些参数可产生相对小型、高频率波纹而保留不锈钢的颗粒结构，同时可将垂直于该等小型、高频率波纹所形成且抹除该金属表面的颗粒结构的较大、较低频率波纹的产生情况降至最低。利用这些镭射参数以标记不锈钢可产获具有商业所欲外观并且低于约L*=20、a*=+/-2及b*=+/-2，即如依CIE色度图所测量者，光学密度的均匀黑色标记。
图2e显示通过表1所列的镭射参数以及该不锈钢物品80表面上方4.3mm处的镭射照点高度而根据本发明具体实施例所标记的不锈钢物品。此影像显示在该等标记上提高注量的效果。按此注量水平会形成具有约800nm周期的较大波纹82，即如刻度84所示者。该等较大波纹82显见为构成于该等较高频率波纹42、52、62的直角处，并且具有高于该等较高频率波纹42、52、62近乎10倍的空间周期。
图2f显示既经受曝于具有如表1所列镭射参数而焦点高度为该表面上方4mm的激光脉冲的不锈钢物品90。注意到该等大型波纹92系经良好组织并且与该等较小、较高频率波纹的方向相垂直，同时该等取代并已去除该不锈钢里任何颗粒边界的标示。刻度94显示这些波纹具有约800nm的周期。图2e及f内的表面标记既已受曝于超过Fr，即注量下限，的镭射能量密度，此时会在该不锈钢的表面上组成大型波纹并且不表示具有所欲商业性质的最佳标记。商业所欲黑色系经定义为具有L*=20、a*=+/-2且b*=+/-2或以下的CIE色度图的标记。
图3a为一不锈钢物品100中具有根据本发明具体实施例所产生的镭射标记102的范围的光学显微图片。镭射参数系如表1所列，而焦点高度为4.6mm。注意到清楚地出现有表面颗粒边界104。放大率系如刻度106所示。图3b为相同不锈钢物品的一区段110而按较高放大率116的光学显微图片，其中显示具有清晰可见颗粒边界114的标记112。
图4a为一利用表1所列镭射参数根据本发明的具体实施例所标记的不锈钢物品的范围120的SEM影像。此范围120系以均匀商业所欲黑色所标记，并且清晰地展现经定义颗粒边界122。该影像的放大率是由刻度124所显示。图4b为图4a所示相同经标记不锈钢物品的范围130按更高放大率138的放大SEM影像。此范围130显示多个具有较小、高频率波纹132的区域，而邻接于该等较小、高频率波纹132的区域为在该等高频率波纹132的直角处部分地组织成较大、低频率波纹134。注意到该等颗粒边界136概为可见。图4c为来自图4a及4b的相同经标记不锈钢物品的范围140在较高放大率148处所取得的SEM影像，其中显示具有小型、高频率波纹142的区域；该等小型、高频率波纹被较大、低频率波纹144所取代的区域；以及位于其等之间的清晰颗粒边界146。图4d为图4a、b及c所示相同经标记不锈钢物品的范围150按更高放大率154的放大SEM影像。此影像显示一经标记不锈钢中具有表面纹理152的范围150，该范围具有自左下方巡行至右上方的小型、高频率波纹，而被自右下方巡行至左上方的大型、较低频率波纹所取代。此项制程可产生具有如图所示的结节纹理的表面纹理152，这可有助于该表面的光线捕捉性质并因而促进其黑色外观。这些影像是代表根据本发明的具体实施例的最佳标记参数。
图5为利用表1所列镭射参数并根据本发明的具体实施例所标记的不锈钢物品的范围160，而按如刻度162所表示的放大率所取得，的SEM影像。在此影像中，该等镭射参数既经调整以施用仅大于为制作可观得标记所必要的最小注量Fu的注量F。注意到位在所定义颗粒边界172内的具有小型、高频率波纹的区域164、166、168、170。亦注意到该区域164与该等区域166、168及170间的波纹的振幅间的差异是表示激光脉冲极化性与该金属表面内的晶体指向间的关系。
图6为一利用表1所列镭射参数，除镭射能量密度既经调整为超过开始出现大型波纹的门坎值Fr以外，根据本发明具体实施例所标记的不锈钢物品的范围200，并且按如刻度202所表示的放大率所取得，的SEM影像。此影像显示小型、高频率波纹204在该等的直角处被大型、低频率波纹206所取代。同时该等低频率波纹206亦抹除颗粒边界208。此外也显示出由于对该表面的烧蚀损伤所造成的坑洞210。在这些点处镭射能量密度是超过该损伤门坎值Fs。这些注量水平导致具有不均匀外观的标记并且对视角造成限制。
图7为一利用表1所列镭射参数，除镭射能量密度既经调整为超过该不锈钢样品的损伤门坎值Fs以外，根据本发明具体实施例所标记的不锈钢物品的范围212，并且按如刻度214所表示的放大率所取得，的SEM影像。在此影像里，镭射参数既经调整以提供大幅超过该不锈钢物品的损伤门坎值Fs的注量F。此影像显示出邻接于未受损伤表面218的烧蚀损伤区域216。依此注量所产生的标记显示对该表面造成的广泛损伤以及不规则外观。
表1显示的是本发明具体实施例所运用以于不锈钢上产生商业所欲标记的镭射参数。而镭射类型则是指用以产生激光脉冲的技术。在本具体实施例里是利用经二极管浦汲、固态Q切换的Nd:YV04镭射以产生激光脉冲。适用于本发明具体实施例的激光脉冲可为通过其他的激光技术，像是光纤镭射或是固态与光纤镭射的组合，所产生。波长是指激光脉冲的波长。镭射通常会产生大致单色性脉冲，其中由该镭射所产生的波长皆近密地组聚于单一波长，在本例中为1064nm，的附近。镭射波长可为通过谐波频率产生所改变，其中可利用非线性晶体以令该镭射的频率加倍或三倍化，使得输出脉冲分别地具有532nm或355nm的波长。频率加倍或三倍化激光脉冲适用于本发明的具体实施例。脉冲时段长度是指该脉冲内的时间性能量分布。即如前述，脉冲时段长度，对于像是高斯式的简单形状而言，可为通过简易的半最大值全宽度(FWHM)测度所测量，并且对于较复杂形状则通过积分平方方法测量。镭射功率是通过在一涵盖多个脉冲的时间段落上加总由该镭射所发射的功率，并且均算该功率以获得平均镭射功率数值，所测量。重复速率(Rep Rate)是指该镭射发射出激光脉冲的速率。一般说来，镭射展现出镭射重复速率与镭射功率之间的倒反关系，即镭射重复速率愈快，每脉冲的镭射功率就会愈低。
镭射速度是指激光束相对于工件而移动的速率。在此是将激光束定义为激光脉冲在当从镭射经由镭射光学组件发射至工件时所行旅的路径。本发明的一具体实施例是利用移动控制阶台，其上固定以该待予标记的物品且并同于激光束导向光学组件，藉此当激光脉冲化时能够按令激光束相对于该工件移动的方式将激光束导引至该工件。咬蚀大小是指接续激光脉冲间依照在该工件的表面上所测得的距离。咬蚀大小为重复速率与镭射速度的函数。
本发明的一具体实施例是在不锈钢上进行标记处理。为进行这些标记处理，镭射能量密度必须满足Fu<F<Fr<Fs，其中Fu为该不锈钢基板的镭射修改门坎值；Fr为大型、低频率波纹开始取代小型、高频率波纹的注量；并且Fs为该表面层的损伤门坎值。Fu、Fr及Fs既已按实验方式所获得并且代表所选定镭射的注量，此时该基板表面层开始显示被该镭射能量修改的迹象(Fu)，其中大型波纹开始形成(Fr)并且对该标记造成干扰的损伤开始出现(Fs)。对于10ps的IR脉冲来说，本发明实验显示不锈钢的Fu约为47mJ/cm2，Fr约为62mJ/cm2并且Fs约为73mJ/cm2。图8为显示出镭射能量密度222、非标记224、商业所欲标记226、非所欲标记228与损伤230间的关系的图表220。由于难以计算并测量剂量，因此假设咬蚀大小及间距保持为固定，则利用注量作为指示参数。保持咬蚀大小及间距为固定可令剂量为正比于注量。例如，不同的脉冲时段长度和镭射波长各者可具有相对应的Fu、Fr及Fs数值，该等数值必须在进行处理的前先行决定。待予应用于这些镭射参数的实际门坎值可为按照实验方式所决定。依照相同方式，不同的不锈钢材料样本对于激光脉冲将会有不同的反应，从而在进行处理前须先决定待予运用于一特定不锈钢物品的精确镭射参数。
不锈钢的镭射标记亦可通过运用微微秒IR波长激光脉冲以标记该表面的本发明具体实施例所达成。此项特点可通过按照至少两种不同方式来改变在该不锈钢表面处的镭射能量密度以产生可变灰阶密度的标记。即如前述，可通过将该焦点定位在该不锈钢表面的上方或下方处而获以改变该表面处的注量。第二种控制灰阶的方式则是通过在当标记所欲样式时更改咬蚀大小或标线间距以改变该不锈钢表面处的总剂量。改变咬蚀大小是指，当激光束相对于该物品而移动时，当递送脉冲时调整接续脉冲之间的相对位置。咬蚀大小可为通过改变该镭射重复速率、该激光束与该物品间的相对移动的速率，或两者，所调整。改变标线间距是指，当沿邻近标线扫描激光束时，调整所划标线之间的距离以达到各种重迭程度。亦可通过更改镭射功率、激光脉冲时段长度或照点大小，并包含其他的镭射参数，来改变注量。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (27)

1.一种用在金属样品上产生具有所欲性质的标记的方法，其包含：
提供具有镭射能量密度及多个激光脉冲参数的镭射标记系统；
决定与在该金属样品上产生具有该所欲性质的标记相关联的激光脉冲参数；
将该激光脉冲参数储存在该镭射标记系统内；以及
导引该镭射标记系统以利用该所存激光脉冲参数对该金属样品进行标记，通过依位在对于该金属样品为最佳标记范围之内的镭射剂量标记该金属样品，从而产生拥有该所欲性质的标记。
2.如申请专利范围第1项所述的方法，其中该所欲性质包含大小、形状、位置、色彩及光学密度。
3.如申请专利范围第2项所述的方法，其中该所欲色彩为黑色，并且该光学密度在CIE色度图上是等于或小于约L*=20、a*=+/-2及b*=+/-2。
4.如申请专利范围第1项所述的方法，其中该金属样品为不锈钢。
5.如申请专利范围第1项所述的方法，其中该等激光脉冲参数包含脉冲宽度、波长、脉冲数量、脉冲时间形状、脉冲能量密度、照点位置、照点大小、照点形状以及照点高度、咬蚀大小、间距和速度。
6.如申请专利范围第5项所述的方法，其中该脉冲宽度的范围为自约1微微秒至约1000微微秒。
7.如申请专利范围第5项所述的方法，其中该波长的范围为自约1.5微米下至约255奈米。
8.如申请专利范围第5项所述的方法，其中该脉冲数量的范围为自1至约10000个脉冲。
9.如申请专利范围第5项所述的方法，其中该脉冲时间形状为高斯式。
10.如申请专利范围第5项所述的方法，其中该脉冲能量密度的范围为自1.0×10-6Joules/cm2至1.0Joules/cm2。
11.如申请专利范围第5项所述的方法，其中该照点大小的范围为自约10微米至约1000微米。
12.如申请专利范围第5项所述的方法，其中该照点形状为高斯式或“礼帽”式的其中一者。
13.如申请专利范围第5项所述的方法，其中该照点高度为位于该金属样品的表面处、位于该表面的上方或位于该表面的下方的其中一者。
14.一种镭射标记设备，此者经调适以按所欲性质对金属样品进行标记，该镭射标记系统具有包含镭射能量密度和镭射几何性在内的激光脉冲参数以及一控制器，该调适包含：
该镭射能量密度经调适以位在对于产生具有该所欲性质的标记的最佳标记范围内；
该镭射几何性经调适以在对于产生具有该所欲性质的标记的最佳标记范围内将该镭射能量密度递送至该金属样品；以及
该控制器经调适以储存与该经调适镭射能量密度和镭射几何性相关联的经调适脉冲参数，并且之后导引该镭射标记系统以利用该等经调适脉冲参数来标记该金属样品，通过按该所欲性质以对该金属样品进行标记。
15.如申请专利范围第14项所述的设备，其中该所欲性质包含大小、形状、位置、色彩及光学密度。
16.如申请专利范围第14项所述的设备，其中该镭射能量密度包含脉冲宽度、波长、脉冲数量、脉冲时间形状以及脉冲能量密度。
17.如申请专利范围第14项所述的设备，其中该镭射几何性包含照点位置、照点大小、照点形状以及照点高度、咬蚀大小、间距和速度。
18.如申请专利范围第15项所述的设备，其中该所欲色彩为黑色。
19.如申请专利范围第15项所述的设备，其中该所欲光学密度在CIE色度图上是等于或小于约L*=20、a*=+/-2及b*=+/-2。
20.如申请专利范围第16项所述的设备，其中该脉冲宽度的范围为自约1微微秒至约1000微微秒。
21.如申请专利范围第16项所述的设备，其中该波长的范围为自约1.5微米下至约255奈米。
22.如申请专利范围第16项所述的设备，其中该脉冲数量的范围为自1至约10000个脉冲。
23.如申请专利范围第16项所述的设备，其中该脉冲时间形状为高斯式。
24.如申请专利范围第16项所述的设备，其中该脉冲能量密度的范围为自1.0×10-6Joules/cm2至1.0Joules/cm2。
25.如申请专利范围第17项所述的设备，其中该照点大小的范围为自约10微米至约1000微米。
26.如申请专利范围第17项所述的设备，其中该照点形状为高斯式或“礼帽”式的其中一者。
27.如申请专利范围第17项所述的设备，其中该照点高度系聚焦于该金属样品的表面上、位于该表面的上方或位于该表面的下方的其中一者。
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