CN103373083A - 聚合物材料的激光标记 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了—种对聚合物目标材料、尤其是透明聚合物目标材料高效地进行激光标记的系统和方法。所述系统包含：包括表面的视觉上透明的聚合物目标材料、以及约2μm的光纤激光器，所述光纤激光器具有等于或大于10kW的峰值功率、等于或大于1kHz的脉冲重复率、以及等于或小于20W的平均功率。在某些实施例中，所述光纤激光器可以是具有等于或小于200ns的脉冲宽度的Q-开关光纤激光器，或具有等于或小于100ps的脉冲宽度的锁模光纤激光器。所述方法包括使用光纤激光器在聚合物目标材料的表面上制备对可见光波长不透明的标记，而不损坏聚合物目标材料的表面。

Description

聚合物材料的激光标记
技术领域
各种实施方式及其组合涉及聚合物材料的激光标记，尤其是使用2微米高峰值功率锁模或Q-开关光纤激光器的透明聚合物材料的激光标记。
背景技术
激光标记，也被称为激光雕刻，是指使用激光以在物体上形成可读的标记。与传统的标记和雕刻技术不同，激光标记不使用与目标表面接触的墨水或刀具且不需要经常替换。相反，在激光标记中，使用激光移除目标材料的—部分以制得永久标记。特别是，激光功率在激光与目标材料接触的表面处被目标材料吸收，导致了温度快速上升，这使目标材料的—部分蒸发而留下永久标记。激光标记尤其在生产、产品分发和质量控制应用中有用。
典型地，具有大于10W平均功率的高平均功率激光或具有约1mJ的脉冲能量的高脉冲能量激光被用于激光标记应用中。通常使用的激光器的例子包括10.6微米波长的CO2激光器、1064nm的ND：YAG激光器、双倍频和三倍频532nm和355nm激光器、和约1μm的Yb掺杂型光纤激光器。通常而言，激光和目标材料相匹配，以使目标材料在激光所使用的波长处表现出强烈的吸收。当功率和能量进一步增加时，激光可以用于在目标材料上切割或钻孔。
由于聚合物被广泛应用在工业和个人消费者应用中，能够高效地对聚合物材料进行激光标记是非常重要的。对于着色的聚合物，由于可以使用与有色聚合物材料的吸收波长相匹配的激光，所以方法相对直接。但是，目前，以对目标物体产生最小损坏的方式对视觉上透明的聚合物进行激光标记的能力有限。最常用的技术为将颜料加入聚合物，并使用UV激光器进行标记。通常的添加剂为二氧化钛，当激光对准包含有添加剂的聚合物时，由于激光引发二氧化钛晶格中Ti4+(无色)还原成Ti3+(蓝 黑)而光敏二氧化钛改变了颜色。在含氟聚合物中使用二氧化钛被公开于美国专利US5560845和US5789466。可以使用的许多其他类型的添加剂被公开于其他美国专利中，例如专利US6825265。
然而，需要将颜料加入到透明聚合物中以便使用激光标记的要求限制了其应用，且增加了激光标记方法的复杂性，进而导致总成本的升高。因此，需要不使用添加剂即可对透明聚合物进行激光标记的能力。
发明内容
在一个实施方式中，提供—种高效地对聚合物目标材料进行激光标记的方法。该方法包括提供包括表面的视觉上透明的聚合物目标材料和约2μm的光纤激光器，所述光纤激光器具有等于或大于10kW的峰值功率、等于或大于1kHz的脉冲重复率、以及等于或小于20W的平均功率。在某些实施例中，所述光纤激光器可以为具有等于或小于200ns脉冲宽度的Q-开关光纤激光器、或具有等于或小于100ps脉冲宽度的锁模光纤激光器。所述方法进一步包括使用光纤激光器在聚合物目标材料的表面上制备对可见光波长不透明的标记，而不会损坏该聚合物目标材料的表面。
在另一个实施方式中，提供—种高效地对在可见光波长处透明的聚合物目标材料表面进行激光标记的系统。该系统包括约2μm的光纤激光器和计算机系统，该光纤激光器具有等于或大于10kW的峰值功率、等于或大于1kHz的脉冲重复率、以及等于或小于20W的平均功率，该计算机系统具有与非暂时性计算机可读介质通信的计算机处理器，该非暂时性计算机可读介质具有配置于其中的计算机可读程序代码，该计算机可读程序代码包括有一系列计算机可读程序步骤以实现使用光纤激光器在聚合物目标材料的表面上制备对可见光波长不透明的标记，而不会损坏聚合物目标材料的表面。在某些实施例中，所述光纤激光器可以为具有等于或小于200ns脉冲宽度的Q-开关光纤激光器、或具有等于或小于100ps脉冲宽度的锁模光纤激光器。
附图说明
通过下文的详细描述，与附图结合本发明的实施方式将变得更明白，图中相同的元件使用相同的参考标号。
图1为典型聚合物材料的吸收光谱图。
图2为根据本发明可用于执行激光标记的示例性的约2μm的Q-开关光纤激光器的光学示意图。
图3A为根据本发明可用于执行激光标记的示例性的约2μm的锁模光纤激光器的光学示意图。
图3B为根据本发明可用于执行激光标记的可替换的约2μm的锁模光纤激光器的光学示意图。
图4为使用本发明对聚合物材料、尤其是透明聚合物材料进行激光标记的示例性方法的流程图。
具体实施方式
本发明公开的内容提出了—种无需使用添加剂材料即可对透明聚合物进行激光标记的新型系统。在下列说明中，通过优选的实施例参考附图来描述本发明，在附图中相同的数字代表相同或相似的元件。本说明书中提到的“一个实施例”、“实施例”、或相似的用词表示与该实施例一起描述的特定的特征、结构、或特性包含在本发明的至少一个实施例中。因此，在本说明书中出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、以及相似的用词可以都指代但不是必须指代相同的实施例。
在一个或多个实施例中所描述的本发明的特征、结构或特性可以以任何适当的方式进行组合。在以下描述中，列举了大量具体细节以提供对本发明的实施例的全面理解。然而，本领域技术人员将意识到，无需一个或多个具体细节，或通过其他方法、元件、材料等，本发明也可被实施。在其他实例中，并未对公知的结构、材料或操作进行详细的展示或描述以避免混淆本发明的方面。
所包含的示例性的流程图—般地展示了逻辑流程框图。同样地，描述的顺序和标记的步骤表明本发明方法的一个实施例。可以想到在功能、逻辑或效果上与所示出方法的一个或多个步骤、或其部分等同的其他的步骤和方法。另外，所使用的格式和符号被用来解释方法的逻辑步骤，应当理解为不是对所述方法范围的限制。尽管在流程框图中使用了不同的箭头类型和线型，应当理解为其并不是对相关方法范围的限制。事实上，可以使用一些箭头或其他连接符号仅用来指示方法的逻辑流程。例如，一个箭头可以指示所述方法的所列举的步骤之间未指明的持续时间的等待或监控的时期。另外，特定方法中出现的顺序也可以严格按照、或可以不严格按照所示相关步骤的顺序。
本发明使用约2μm的高峰值功率光纤激光器无需添加剂材料对透明聚合物目标材料进行激光标记。约2微米的含义为波长从1.7微米至2.2微米，其可通过铥离子和/或钬离子产生。更具体地，本发明使用的激光器具有等于或大于10kW的峰值功率、等于或大于1kHz的脉冲重复率、以及等于或小于20W的平均功率。在某些实施例中，激光器为具有等于或小于200ns脉冲宽度的Q-开关光纤激光器。在其他实施例中，激光器为具有等于或小于100ps脉冲宽度的锁模光纤激光器。
通过定义，透明聚合物是对可见光波长透明的聚合物。然而，大多数聚合物，包括那些透明的聚合物，将吸收约2μm区域的辐射。图1阐明聚苯乙烯的吸收光谱，其示出了该聚合物材料将吸收源自2μm激光的辐射。本领域的普通技术人员了解包含其他化学结构的聚合物也在2μm区域附近吸收辐射，该聚合物例如但不限于碳酸酯、酯、酰胺、酰亚胺等。
然而，重要的是要领会到本发明在此公开的并不单独依赖于激光功率的线性吸收。由于本发明使用的激光器具有高脉冲重复率和高峰值功率，当指定物理区域被两个连续的脉冲改性时，脉冲与脉冲(pulse-to-pulse)的重叠导致接下来的脉冲的吸收将是非线性。这将导致聚合物上的永久标记，该永久标记在可见光波长处比聚合物本身更暗，即该标记时可见光不透明。另外，由于所使用的激光器具有相对低的平均功率和低的脉冲能量，本申请的新型方法制备标记时不损坏聚合物目标材料的表面。也就是说，在本发明中其含义是目标材料的表面不会被融化、划伤、烧焦、或发生其他不利的瑕疵。在某些实施例中，本发明的方法使激光能量与表面接触以使激光能量改变激光能量接触点处的聚合物形态，以形成衍射可见光的改性的形态。
用于本申请的新型激光标记系统的激光的非线性吸收具有其它优点，包括在激光标记加工后聚合物表面可以非常光滑。在某些实施例中，表面粗糙度优于10μm。当表面粗糙度限小时，标记将不容易被划伤，在某些情况下将不能被感觉到，这在许多商业应用中是非常重要的。
另外，由于非线性吸收，在目标材料的表面下500μm处聚合物材料的温度可以低于150℃。这明显低于标准激光标记技术，这使得本申请的新型激光标记系统对于目标表面之下的热传导会损坏产品的很多加工过程、例如当标记聚合物涂布的电子设备的表面时尤其有用。
本申请的激光标记系统还得到非常高效的激光标记方法。在某些实施例中，激光标记的速度可以从10cm/s至大于100m/s。在某些实施例中，激光标记的速度可以高达1000m/s。
在某些实施方式中，使用激光扫描器调节激光标记的速度。在本领域中公知各种类型的激光扫描器，本领域技术人员了解在激光标记的环境下怎样使用激光扫描器。因此其进一步的描述在本发明的范围以外。
在本申请中使用约2μm激光的进一步的优点是这样的激光被认为是“视网膜安全”的，其含义是由于激光被眼睛的角膜和晶状体吸收，其造成相对低的损坏人类视网膜的风险。当考虑到眼睛安全时，这对实际应用是极其有用的。
在某些实施例中，使用光学系统以使激光束聚焦在聚合物目标材料的表面的附近。在本领域中公知用于聚焦激光光束的各种类型的光学系统，本领域技术人员了解在激光标记的环境下怎样使用这样的光学系统。因此其进一步的描述在本发明的范围以外。
现在转到图2，示出了按照本申请发明能够被用于执行激光标记的约2μm的Q-开关光纤激光器的示例性的实施例。应理解，Q-开关激光器是具有施加的主动或被动Q-开关的激光器以使其射出能量脉冲，并且该激光器可通过各种不同的方式建立。同样地，图2说明的实施例只是说明性的而不是限制性的，本领域技术人员了解在不脱离本发明的范围的情况下可以使用其他形式的约2μm的Q-开关光纤激光器。
图2中描述的示例性的约2μm的Q-开关光纤激光器200包括全光纤Q-开关种子单元(all-fiber Q-switched seed)202、第一隔离器204、前置放大器和功率放大器，该全光纤Q-开关种子单元202包括1950nm处100mW密度调制激光。该实施例中的前置放大器由20cm长的铥(Tm)-掺杂光纤206、1567nm/1950nm WDM(波分复用器)208、和1567nm泵激光器210构成。该功率放大器包括与PM(2+1)×1合路器216的输出光纤接合的55cm长的Tm-掺杂光纤218，并通过激光二极管214被前向泵浦(forward-pumped)，该激光二极管在所示实施例中为793nm激光二极管。在某些实施例中，光纤218的输出为带角度切割(angle-cleaved)。在说明性的实施例中，Q-开关光纤激光器200进一步包括光连接WDM208和合路器216的第二隔离器212。
光纤206和218更具体地为铥-掺杂的硅酸盐玻璃，其Tm3+掺杂浓度为5wt％(重量百分比)。在图2描述的说明性的实施例中，光纤206具有双层玻璃覆层，其中第—和第二玻璃覆层的直径分别是125μm和150μm。光纤206的纤芯进一步具有20μm的直径和0.08的数值孔径(NA)。光纤206在793nm处具有22dB/m的包层泵浦吸收值。
光纤218也是双层覆层光纤，但其第二覆层为聚合物。光纤218的纤芯和第一覆层分别具有21μm和127μm的直径，纤芯的NA为0.08nm。
图3A和3B描述了根据本发明能够被用于执行激光标记的约2μm的锁模光纤激光器的示例性的实施例。应理解，锁模光纤激光器是被动锁模以产生极其短脉冲、并且可以通过各种不同方式建立的激光器。同样地，图3A和3B说明的实施例只是说明性的而不是限制性的，本领域技术人员了解在不脱离本发明的范围内可以使用其他形式的约2μm的锁模光纤激光器。
图3A中描述的示例性的约2μm的锁模光纤激光器300包括通过SESAM(半导体可饱和吸收镜)302形成的线性空腔、泵浦合路器306、20cm长的双覆层铥-掺杂硅酸盐光纤308、及光纤环形镜310。锁模光纤激光器300进一步包含798nm泵激光器304。
在图3A描述的实施例中，光纤308更具体地为铥-掺杂的硅酸盐玻璃，其Tm3+掺杂浓度为5wt％(重量百分比)。光纤308进一步具有10μm的纤芯直径。进一步地，在所描述的实施例中，光纤环形镜310通过50/50的光纤耦合器装配，且在2μm处具有大约90％的反射率。所述“大约”在本申请含义为±2％。
在可替换的实施例中，光纤308可以为铥(Tm)-钬(Ho)-共掺杂的硅酸盐光纤，其Tm3+掺杂浓度为6wt％(重量百分比)，Ho3+的掺杂浓度为0.4wt％(重量百分比)。在这样的实施例中，光纤环形镜310在2μm处具有大约70％的反射率。
图3B描述了高重复率2μm锁模光纤激光器350的可替换的实施例。在图3A所说明的实施例中，光纤激光器350包含短的铥(Tm)-光纤354，该铥-光纤354与1.55μm光纤激光器358通过1550nm/1950nm WDM356纤芯泵浦(core-pumped)。通过SESAM352和光纤镜(未图示)接通激光器腔。在某些实施例中，光纤354长度为8.4cm。
图4描述了使用本发明在聚合物材料上、尤其是在透明聚合物材料上制备永久标记的示例性方法400。如方框402和404所说明的那样，提供将被激光标记的聚合物目标材料和约2μm光纤激光器，其中，该光纤激光器具有等于或大于10kW的峰值功率、等于或大于1kHz的脉冲重复率、以及等于或小于20W的平均功率。在某些实施例中，所提供的光纤激光器为具有等于或小于200ns脉冲宽度的Q-开关光纤激光器。在其他实施例中，该光纤激光器为具有等于或小于100ps脉冲宽度的锁模光纤激光器。在某些实施例中，如方框406所表示的，提供光学系统以对来自光纤激光器的激光束进行校准。同时，在某些实施例中，如方框408所表示的，提供激光扫描系统以调节激光束的移动速度。在某些实施例中，如方框410所表示的，进一步提供光学系统以使激光束聚焦于聚合物目标材料的表面上或其附近。最后，如框412所说明的，光纤激光器被应用于在聚合物目标材料上制备永久标记。
在某些实施例中，上述描述的单个方框可以进行组合、删除或重新排序。
在某些实施例中，本发明包括计算机可读程序代码，其存储于非暂时性计算机可读介质中，其中，通过处理器执行计算机可读程序代码以实施图4所描述的步骤的一个或多个。在其他实施方式中，本发明包括计算机可读程序代码，其存储于任何计算机程序产品中，其中，通过计算机系统的外部计算装置或内部计算装置执行计算机可读程序代码以实施图4所描述的步骤的一个或多个。在任一情况下，计算机可读程序代码可被编码于非暂时性计算机可读介质，该非暂时性计算机可读介质包括，例如，磁性信息存储介质、光学信息存储介质、电学信息存储介质等等。“电学存储介质”含义可以为，例如但不限于一个或多个装置，例如但不限于PROM(可编程序只读存储器)、EPROM(电可编程序只读存储器)、EEPROM(电可擦只读存储器)、闪存PROM、紧凑闪存、智能介质(smartmedia)等等。
尽管本发明对优选的实施例进行了详细说明，但显然本领域技术人员在不脱离如所附权利要求阐明的本发明的范围的情况下可对那些实施例进行改进和修改。因此，所描述的实施方式应全部认为仅仅是说明性而不是限制性的，因此，本发明的范围由所附权利要求确定。权利要求等同的意义和范围内的所有变化都包括在权利要求的范围内。

Claims (19)

1.一种对聚合物目标材料进行激光标记的方法，包括：
提供：
包括表面的聚合物目标材料，其中聚合物目标材料在可见光波长处是透明的；和
约2μm光纤激光器，所述光纤激光器具有等于或大于10kW的峰值功率、等于或大于1kHz的脉冲重复率、以及等于或小于20W的平均功率；以及
使用光纤激光器在聚合物目标材料的表面上制备对可见光波长不透明的标记，而不损坏聚合物目标材料的表面。
2.如权利要求1所述的激光标记的方法，其中，所述光纤激光器是具有等于或小于200ns的脉冲宽度的Q-开关光纤激光器，其中，所述方法进一步包括使用所述Q-开关光纤激光器。
3.如权利要求1所述的激光标记的方法，其中，所述光纤激光器为具有等于或小于100ps脉冲宽度的锁模光纤激光器，所述方法进一步包括使用所述锁模光纤激光器。
4.如权利要求1所述的激光标记的方法，其中，所述制备进一步包括使永久标记在可见光波长处比聚合物目标材料更暗。
5.如权利要求1所述的激光标记的方法，其中，所述制备进一步包括在聚合物目标材料的表面下距离大于500μm处产生小于150℃的温度。
6.如权利要求1所述的激光标记的方法，进一步包括
提供激光扫描器，其中所述激光扫描器调节光纤激光器的激光标记速度；
以及
调节该激光标记速度。
7.如权利要求6所述的激光标记的方法，其中，所述调节进一步包括将所述激光标记速度设定为大于10cm/s的速度。
8.如权利要求1所述的激光标记的方法，进一步包括：
提供光学系统以聚焦来自光纤激光器的激光束；以及
利用该光学系统使激光束聚焦于聚合物目标材料的表面上或该表面附近。
9.如权利要求1所述的激光标记的方法，其中，所述制备进一步包括制备粗糙度小于10μm的表面。
10.如权利要求1所述的激光标记的方法，其中，所述光纤激光器包含掺杂有包括以下成分的组中的一项的光纤：
铥；
钬；以及
铥和钬的组合；
其中，所述制备进一步包括从光纤激光器产生约2μm的激光束。
11.一种用于对在可见光波长处透明的聚合物目标材料的表面进行激光标记的系统，包括：
约2μm的光纤激光器，所述光纤激光器具有等于或大于10kW的峰值功率、等于或大于1kHz的脉冲重复率、以及等于或小于20W的平均功率；以及
计算机系统，该计算机系统包括与非暂时性计算机可读介质通信的计算机处理器，该非暂时性计算机可读介质具有配置于其中的计算机可读程序代码，该计算机可读程序代码包括一系列计算机可读程序步骤以实现使用光纤激光器在聚合物目标材料的表面上制备对可见光波长不透明的标记，而不损坏聚合物目标材料的表面。
12.—种用于对在可见光波长处透明的聚合物目标材料的表面进行激光标记的系统，包括：
约2μm的光纤激光器，所述光纤激光器具有等于或大于10kW的峰值功率、等于或大于1kHz的脉冲重复率、以及等于或小于20W的平均功率；和
控制单元，其执行控制以实现使用光纤激光器在聚合物目标材料的表面上制备对可见光波长不透明的标记，而不损坏聚合物目标材料的表面。
13.如权利要求11或12所述的系统，其中，所述光纤激光器是具有等于或小于200ns的脉冲宽度的Q-开关光纤激光器。
14.如权利要求13所述的系统，其中，所述Q-开关光纤激光器包括：
全光纤Q-开关种子单元；
前置放大器，该前置放大器与全光纤Q-开关种子单元进行光通信，所述前置放大器包括：
第一Tm-掺杂光纤；和
泵激光器；以及
功率放大器，该功率放大器与所述前置放大器进行光通信，所述功率放大器包括：
第二Tm-掺杂光纤；
合路器，该合路器具有输出光纤，其中，该输出光纤与第二Tm-掺杂光纤接合；和
激光二极管，其中通过该激光二极管对合路器进行前向泵浦。
15.如权利要求11或12所述的系统，其中，所述光纤激光器是具有等于或小于100ps的脉冲宽度的锁模光纤激光器。
16.如权利要求15所述的系统，其中，所述锁模光纤激光器包括：
半导体可饱和吸收镜(SESAM)；
泵浦合路器，该泵浦合路器与半导体可饱和吸收镜进行光通信；
Tm-掺杂光纤，该Tm-掺杂光纤具有与所述泵浦合路器的输出光纤接合的第—端；
光纤环形镜，该光纤环形镜与Tm-掺杂光纤的第二端进行光通信；以及
泵激光器。
17.如权利要求15所述的系统，其中，所述锁模光纤激光器包括：
光纤激光器；以及
激光器腔，该激光器腔包括：
波分复用器(WDM)；
Tm-光纤，用光纤激光器通过波分复用器而被纤芯泵浦；和
半导体可饱和吸收镜(SESAM)，与Tm-光纤进行光通信，并且接通激光器腔。
18.如权利要求11或12所述的系统，进一步包括激光扫描器，其中，所述激光扫描器控制光纤激光器的激光标记速度。
19.如权利要求11或12所述的系统，进一步包括光学系统，以利用该光学系统将来自光纤激光器的激光束聚焦于聚合物目标材料的表面上或该表面附近。
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