CN103586578A - 一种材料表面激光黑化或着色方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种材料表面激光黑化或着色方法，采用超短脉冲激光照射材料表面，在材料表面形成亚微米级周期性结构，使材料表面被处理区域黑化或着色；其特征在于：所述材料为非金属固体材料，所述超短脉冲激光的脉冲宽度为20飞秒到50皮秒，波长为1.8微米到2.2微米。本发明通过对脉冲激光的波长和脉冲宽度的限制，实现了对非金属材料，尤其是塑料材料的激光黑化着色；相比采用超快固体激光器的加工方法具有更高的可靠性，可以极大提高激光处理效率，满足工业化大规模生产的要求。

Description

一种材料表面激光黑化或着色方法
技术领域
本发明涉及一种激光材料处理方法，具体涉及一种对材料表面进行激光黑化或着色的方法，尤其是一种对非金属材料进行表面处理的方法。
背景技术
随着高功率超快激光在金属等材料表面加工处理和材料的微纳米结构形成机理研究的进展，一种基于超短激光脉冲加工直接在材料特别是金属材料表面形成微纳米结构，从而在材料表面产生黑化及着色的技术在国际上得到极大的发展[A.Y.Vorobyev and Chunlei Guo，Colorizing metals with femtosecond laser pulses，APPLIED PHYSICS LETTERS 92,041914 ,2008 ; Min Huang, Fuli Zhao, Ya Cheng, Ningsheng Xu, Zhizhan Xu，Large area uniform nanostructures fabricated by direct femtosecond laser ablation，10 November 2008，Vol. 16,No. 23，OPTICS EXPRESS  ，19354 ; A.Y. Vorobyev, Chunlei Guo, Direct creation of black silicon using femtosecond laser pulses ,Applied Surface Science 257 (2011) 7291–7294]。这些金属等材料表面微纳结构的出现直接导致金属等材料表面光学特性的极大改变。高功率飞秒激光脉冲与金属表面相互作用，金属表面形成与入射激光波长相同数量极（或小于入射激光波长）周期性的纹波（Ripple）结构，也称为微纳米结构覆盖的激光导致的周期性表面结构（NDCLDPS），在这些周期性纹波(或周期性微纳米结构)中存在着大量均匀分布的纳米尺寸的纳米腔体（nano cavities），带有球型触头的纳米突出(nano protuberance with spherical tip) 等纳米结构和微米尺寸的微结构，当电磁波照射在这些被超快激光处理过形成周期性微纳米结构的金属等材料表面时，这些金属微纳米腔体等结构对入射电磁波形成强烈的囚禁吸收，从而使得这些金属表面从对电磁波强反射体变成对电磁波的强吸收体，其对电磁波的吸收率从百分之十几急剧增加到从百分之九十几以上，已有的实验研究报道电磁波的频率范围从紫外250多纳米到可见光到红外25000纳米，直到太赫兹（300微米），这使得被飞秒超快激光处理过后整个金属等材料表面成为对电磁波的强吸收体（黑体），这种材料也被称为“超黑”材料（Super-black material ）,这种金属表面处理技术也被称为“金属黑化技术”；研究还发现当改变入射超快激光的偏振方向、入射角度等参数后，激光处理后的金属等材料表面对特定波长的光（如蓝光，绿光，黄光等）反射率增强，从而金属等材料表面呈现出各种色彩（如蓝，绿，黄光等），这种技术也被称为“金属着色技术”。
这种采用超快激光处理的金属等材料表面形成微纳米结构的黑化或彩色化技术相比传统采用油漆（如黑色油漆）对金属等材料表面着色技术具有下述优点：
1、整个形成微纳米结构的金属等材料表面的具有优越的散热性能，金属等材料内部生成的热量可以以极高的效率向外界散发传递；而采用油漆等技术由于存在粘合剂，将大大降低金属等表面的散热性能；
2、整个形成微纳米结构的金属等材料表面的寿命相比油漆等技术大大延长。金属等材料表面微纳米结构是金属等材料整体结构的一部分，这些微纳米金属等材料结构稳定，而油漆等则随时间存在着剥离退化的缺点；而且油漆等在极低温下性能发生变化，色彩发生极大转变（如黑色变成有一些光泽的银灰色）。
3、整个形成微纳米结构的金属等材料表面相比油漆等对光的反射率更低；
4、整个形成微纳米结构的金属等材料表面对水有更大的排斥性；
5、相比现有采用碳纳米管技术表面覆盖的金属等材料表面黑化技术["NASA Develops Super-Black Material That Absorbs Light Across Multiple Wavelength Bands." Last modified 11-08-2011. Accessed July 3, 2012. http://www.nasa.gov/topics/technology/features/ super-black-material.html]，这种形成微纳米结构金属等材料表面的材料黑化或彩色化技术具有性能更为稳定，技术更为简单。
由于基于超快激光金属等材料表面处理形成微纳结构表面的金属等材料表面黑化或彩色着色技术具有上述优点，这种技术在很多领域具有潜在的大量的应用：
1、在军事工业中如采用金属表面黑化处理飞机和舰艇将吸收雷达波达到隐身的功能；武器战车坦克等的染色防护等。
2、工业技术领域如汽车工业中代替黑色喷漆，汽车整修；黑色珠宝，高灵敏光电探测器，红外和生物工程器件；
3、民用仪器和工具的黑色或彩色化保护等，如高端手机黑化或着色。
4、在宇航工业中的目标飞行器和探测器如望远镜等仪器中需要消除杂散光对探测仪器的干扰，提高分辨率，同时需要极黑的表面以提高仪器识别距离，同时需要极好的散热性能。这种黑化技术的发展将为空间技术打开一个新的应用领域。
但是，现有技术中，已公开的激光黑化着色技术所采用的超快激光器主要是低激光脉冲重复率（千赫兹）的800纳米固体超快激光器，这种激光器的可靠性、长期稳定性比较差，不适合大规模工业化使用；另外这些技术通常采用点状聚焦的形式，被处理材料的每一个点需要多个激光脉冲照射，加工速度很慢，不适合批量化、工业化生产[ Y. Vorobyev and Chunlei Guo，Colorizing Metals with Femtosecond Laser Pulses ， Optics and Photonics News (OPN) December 2008，30 ] ；第三个重要的原因是很多材料如塑料材料、有机材料和玻璃、半导体等材料对800纳米波长的激光吸收很小，因此现有采用800纳米波长固体超快激光器的激光黑化着色技术对塑料、有机材料和玻璃、半导体等材料的黑化着色很困难。
目前尚没有高重复率、高功率超快光纤激光器用于材料表面黑化或着色处理的报道。中国发明专利申请CN101368256A公开了一种利用超短脉冲激光改变金属表面色泽的方法，其所使用激光波长为200纳米到1微米。因此，该方案也不能解决对塑料、有机材料和玻璃、半导体等材料的黑化着色困难的问题。
发明内容
本发明的发明目的是提供一种材料表面激光黑化或着色方法，以实现对颜料、有机材料、玻璃、半导体等材料的表面黑化或着色。
为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种材料表面激光黑化或着色方法，采用超短脉冲激光照射材料表面，在材料表面形成亚微米级周期性结构，使材料表面被处理区域黑化或着色；所述材料为非金属固体材料，所述超短脉冲激光的脉冲宽度为20飞秒到50皮秒，波长为1.8微米到2.2微米。
上述技术方案中，所述材料为无机非金属材料、塑料材料或半导体材料。
优选的技术方案，所述激光由光纤激光器产生。
为实现上述方法，可以使用以下装置：
装置包括一台高重复率、高功率、短脉冲、2微米波长光纤激光器，一个激光准直扩束系统，一个激光黑化着色加工和位置控制系统，一个高速激光扫描振镜，一个远心激光聚焦场镜，一个固定待加工材料的多维（横向和纵向）移动精密平移台。高重复率、高功率、短脉冲、2微米波长光纤激光器输出短脉冲脉冲宽度、高脉冲重复频率、高脉冲能量激光脉冲簇，这些激光脉冲经过一个激光准直扩束系统形成准直且扩大了的激光光束，准直扩束后的激光光束经过一个高速激光扫描振镜，然后经过一个远心激光聚焦场镜在被加工材料上形成垂直入射、聚焦的激光光斑，聚焦的激光在高速激光扫描振镜内反射镜的作用下在被加工材料表面形成高速的激光扫描区；激光材料黑化着色加工和位置控制系统控制垂直精密微位移移动台或多微移动机器臂空间位置和方向的移动，并带动其上的由上述激光准直扩束镜、高速激光扫描振镜、远心激光扫描场镜构成的加工臂在被加工材料工件表面上自由移动，实现激光材料黑化着色加工。
其中，高速激光扫描振镜和远心激光聚焦场镜也可以采用透镜激光聚焦光学系统或者反射式激光聚焦光学系统代替。
材料表面产生的颜色可以是黑色、灰色、黄色、绿色、蓝色，或者其它不同的颜色。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
1．本发明通过对脉冲激光的波长和脉冲宽度的限制，实现了对非金属材料，尤其是塑料材料的激光黑化着色。
2．本发明采用高重复率、高功率、短脉冲2微米脉冲光纤激光器作为激光处理光源，相比采用超快固体激光器的加工方法具有更高的可靠性，可以极大提高激光处理效率，满足工业化大规模生产的要求。
3．采用本发明的方法进行处理，材料表面黑化稳定、寿命相比油漆更长，黑化材料具有优越的散热性能等特性，黑化后的材料表面相比油漆等对光的反射率更低。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步描述：
实施例一： 
一种采用2微米光纤激光在材料表面形成微纳米结构的用于金属或其它材料表面黑化和着色的激光加工方法，采用的装置包括一台高重复率、高功率、纳秒量级短脉冲、2微米波长光纤激光器，一个激光准直扩束系统，一个激光黑化着色加工和位置控制系统,一个高速激光扫描振镜，一个远心激光聚焦场镜，一个固定待加工材料的多维（横向和纵向）移动精密平移台。
2微米波长光纤激光器输出从20飞秒到50皮秒脉宽的高重复频率激光脉冲，这些激光脉冲经过一个激光准直扩束镜形成准直光束扩大了的激光光束，准直扩束后的激光光束经过一个高速激光扫描振镜，然后经过一个远心激光聚焦场镜在被加工材料上形成垂直入射、聚焦的激光光斑，聚焦的激光在高速激光扫描振镜内反射镜的作用下在被加工材料表面形成高速的激光扫描区；激光材料黑化着色加工和位置控制系统控制多微移动平台空间位置和方向的移动，并带动其上的由上述激光准直扩束镜、高速激光扫描振镜、远心激光扫描场镜构成的加工臂在被加工材料工件（固定在多微移动平台）在表面上自由移动,实现激光材料黑化着色加工。
实施例二：
一种采用2微米脉冲光纤激光在材料表面形成微纳米结构的用于金属或其它材料表面黑化和着色的激光加工方法，采用一台高重复率、高功率、短脉冲、2微米波长光纤激光器，一个激光准直扩束镜，一个激光黑化着色加工和位置控制系统,一个透镜激光聚焦光学系统，一个固定待加工材料的多维（横向和纵向）移动精密平移台。
2微米波长光纤激光器输出从20飞秒到50皮秒脉宽的高重复频率激光脉冲，这些激光脉冲经过一个激光准直扩束镜形成准直光束扩大了的激光光束，准直扩束后的激光光束经过一个透镜激光聚焦光学系统在被加工材料表面上形成垂直入射、聚焦的激光光斑，聚焦的激光在激光黑化着色加工和位置控制系统控制作用下在被加工材料表面形成高速的激光扫描区； 激光材料黑化着色加工和位置控制系统控制多微移动平台空间位置和方向的移动，并带动其上的由上述激光准直扩束镜、透镜激光聚焦光学系统、构成的加工臂和固定加工材料的多维加工平台在被加工材料工件（6）表面上自由移动，实现激光材料黑化着色加工。
实施例三：
一种采用2微米脉冲光纤激光在金属等材料表面形成微纳米结构的用于金属或其它材料表面黑化和着色的激光加工方法，采用一台高重复率、高功率、短脉冲、2微米波长光纤激光器，一个激光准直扩束镜，一个激光材料黑化着色加工和位置控制系统,一个反射式激光聚焦光学系统，一个多维（横向和纵向）移动的精密平移台。
2微米波长光纤激光器输出从20飞秒到50皮秒脉宽的高重复频率激光脉冲，这些激光脉冲经过一个激光准直扩束镜形成准直光束扩大了的激光光束，准直扩束后的激光光束经过一个反射式激光聚焦光学系统在被加工材料表面上形成垂直入射、聚焦的激光光斑，聚焦的激光在激光黑化着色加工和位置控制系统控制作用下在被加工材料表面形成高速的激光扫描区；激光材料黑化着色加工和位置控制系统控制多维移动加工平台位置和方向的移动，并带动其上的由上述激光准直扩束镜、反射式激光聚焦光学系统构成的加工臂和固定黑化加工材料的多维加工平台在被加工材料工件表面上自由移动,实现激光材料的黑化着色加工。
在上述实施例中，激光脉冲的重复频率为1千赫兹到50兆赫兹，激光波长为1.8到2.2微米。
所述材料表面产生的颜色为黑色，灰色, 黄色，绿色，蓝色，或其它不同的颜色。
所述激光聚焦光学系统(远心激光聚焦场镜, 透镜激光聚焦光学系统,反射式激光聚焦光学系统)的焦距从2毫米到500毫米。

Claims (3)

1. 一种材料表面激光黑化或着色方法，采用超短脉冲激光照射材料表面，在材料表面形成亚微米级周期性结构，使材料表面被处理区域黑化或着色；其特征在于：所述材料为非金属固体材料，所述超短脉冲激光的脉冲宽度为20飞秒到50皮秒，波长为1.8微米到2.2微米。
2. 根据权利要求1所述的材料表面激光黑化或着色方法，其特征在于：所述材料为无机非金属材料、塑料材料或半导体材料。
3. 根据权利要求1所述的材料表面激光黑化或着色方法，其特征在于：所述激光由光纤激光器产生。
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