CN106573336B - 用于使材料图案化的微加工方法和系统及使用该微加工系统的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于使材料图案化的微加工方法。该图案由多个点组成。所述方法包括以下步骤：‑发射空间和时间相干脉冲光束；‑在动态光学调制设备的调制平面内，通过应用至少一个相位调制使所述空间和时间相干脉冲光束动态成型，以根据形成图案的多个点使所述光束成型；以及，‑借助于聚焦设备将由此成型的光束聚焦在放置于相对于调制平面处于傅里叶配置的工作平面内的材料的一个表面上。在所述方法中，采用包含所述光束的有限数量的脉冲的脉冲串来对材料图案化，该有限数量严格小于形成图案的点的数量，以及控制光束的发射以使每个脉冲具有介于10ps到100ns之间的预定脉冲持续时间。本发明还涉及用于实施该方法的微加工系统和使用该系统的方法。

Description

用于使材料图案化的微加工方法和系统及使用该微加工系统 的方法
技术领域
本发明涉及微加工材料领域，尤其用于通过匹配工业生产率的微加工方法及系统来标记这些材料，例如用于标记产品以进行这种产品的认证和/或识别应用。
背景技术
如今，在标记强劲增长的背景下，现存的激光技术由于其加工大量材料的能力而主要接管了标记，从而对付现有的工业问题，同时展示了根据操作参数及方法增加值的高可能性。然而，存在激光技术达到其限制的市场，即高生产率的生产，例如食物加工业、制药业、信托公司和电子部门，通常制造大量的小产品。
如今，最普遍的标记技术依赖于耦合到偏转头的具有各种辐射特性(功率、脉冲重复率、能量、波长、脉冲持续时间等)的激光源的组合。该头既用于聚焦激光束，即空间上将光束汇聚于一点，又用于自身在待标记的部件的空间内的受控及自动运动，类似于笔尖。偏转头通常是由围绕两个正交轴旋转的两个反射镜组成的振镜头。这两个反射镜的机动化导致光束沿期望方向的角度偏差，然后通过聚焦“f-theta”透镜将该角度偏差线性地转换为采样平面上的距离。开发了也基于光学系统(反射镜、棱镜、盘、多面棱体...)的机械运动的其他技术，以用于具体的需求并且还增加了标记速度。然而，以高生产率使用这些系统引起例如与下述项有关的许多问题：执行速度与旋转镜的稳定性、运动与激光束的脉冲重复率的同步性，取决于要标记的产品的输送速度对运动的校正。一旦对所有这些限制点进行处理，仅新系统(更快速以及由此成本更高，或者更具创造性但又非常具体)可能能够满足这个要求。Ichihara等人以美国专利号US 5,734,145公布的专利提出例如一种复杂机械系统，该机械系统将双振镜、旋转多面镜和液晶掩模进行组合，旨在加速生产线上的图像的激光加工。
存在倾向于改变用于标记的光束的其它研发。首先，存在所谓的“振幅掩模”技术，其特征在于，“振幅掩模”技术使用与要加工的形状相同形状的掩模，因而具有两个主要缺点：该掩模是独特的；以及当在不需要标记的区域中光束被阻挡时存在能量损失。可以参考例如以美国专利号US 4,128,752和法国专利号FR 2909922公布的专利文献。
动态调制器属于另一种用于光束直接成型的技术。这些调制器是用于空间调制激光光学辐射的有源光学元件，并且能够反射或透射大部分入射激光能量，缺点是这是一种更复杂因而更难用的物理设备。
在美国专利US 4,734,558和US 4,818,835中，例如描述了具有偏振成型的全激光标记系统。调制器分别被光学寻址(击射掩模)和电寻址到要标记的图的图像。在透射或反射到图像上后，然后采用两次偏振对标记激光束进行空间调制，其中一次偏振在通过分析仪时被去除。最终，仅具有正确偏振的能量部分被传送到聚焦透镜以标记通过成像关系滤除的形状。尽管这些方法均使用动态调制器，但是分析仪的使用具有与采用振幅掩模的系统相同的缺点，这是由于这些系统包括具有错误偏振的净能量损失。
在美国专利申请US 2001/045,418中，提出了使用微反射镜矩阵将激光束分成多个独立控制的子光束，旨在进行同步多点标记。然而，就分辨率而言，以及由此就生成图像的灵活性而言，低分辨率的微反射镜会导致相当大的限制。此外，调制器用作振幅调制器，通过成像关系在材料上直接再现在调制器表面生成的图像，仍然具有能量部分地被吸收或者排出而损失的缺点。
在国际申请WO 01/061619和美国专利申请US 2011/0292157中，提出了使用光的空间调制的标记设备，更具体地被配置成调制激光束的振幅以标记材料，通过成像在材料上直接再现在调制器表面生成的图像。所提出的具体配置使得能够以有限数量的激光击射(tirs laser)来标记多个点。这些配置实施起来仍然比较复杂，更特别地需要非常特定的激光源以及特殊的光学布置。此外，这些设备还由于幅度调制而遭受严重的能量损失。
在专利申请FR 2884743中，提出了使用飞秒(fs)脉冲激光束的相位成型的加工解决方案。成型下游的光束分析和成型本身之间的反馈环优化该成型，用于在这些脉冲体系下采用减少热效应的高生产率应用。然而，该专利申请中提出的方案仅能够由有限数量的产业使用，这是因为该方案需要非常具体且昂贵的激光源，涉及复杂的且通常实施成本高昂的设置。
本发明的一个目标是提出一种用于在材料上形成图案的微加工方法，例如能够在工业上使用的识别和/或认证标记，其特别易于采用现有的设备来实施并且不需要复杂的设置。
更特别地，本发明的目标是提出一种微加工方法及系统，用于在材料上形成图案并且使得能够相比于现有的方法及系统增加生产率。
本发明的另一目标是提出一种用于在材料上形成图案的微加工方法及系统，该图案会成为识别和/或认证标记，而不需要在两次连续标记之间改变所述微加工方法及系统的设置。
本发明的又一目标是提出一种使用微加工系统的方法，用于根据所述产品的组成材料以及这样的微加工系统来优化不同产品的标记率。
发明内容
因此，我们提出一种用于在材料上形成图案的微加工方法，所述图案由多个点组成，所述方法包括以下步骤：
-发射空间和时间相干脉冲光束；
-在动态光学调制设备的调制平面内，通过应用至少一个相位调制使所述空间和时间相干脉冲光束动态成型，以根据形成所述图案的所述多个点使所述光束成型；
-借助于聚焦设备将这样成型的光束聚焦在优选地位于工作平面内的所述材料的表面上，所述工作平面相对于所述调制平面处于傅里叶配置。
其中，采用脉冲串(优选地仅一个脉冲串)来在所述材料上形成所述图案，所述脉冲串包含所述光束的有限数量的脉冲，所述有限数量严格小于形成所述图案的点的数量，并且其中对所述光束的发射进行控制，以使每个脉冲具有介于10ps和100ns之间，优选地介于100ps和10ns之间，并且更优选地介于300ps和8ns之间的确定的脉冲持续时间。
该微加工方法的优选的但非限制性方面(单独地或结合地)如下：
-该方法用于根据相同的微加工参数在多个相同产品上形成相同图案，其中，在形成每个图案之后记录每个图案，以用于产品的个体认证。
-脉冲串所包括的脉冲的数量小于形成所述图案的点的数量的1/2，优选地小于形成所述图案的点的数量的1/10，并且更优选地小于形成所述图案的点的数量的1/100。
-脉冲串包括至少一千个脉冲，优选地少于一百个脉冲，更优选地少于十个脉冲，并且更优选地所述脉冲串包括仅一个脉冲。
-该方法还包括根据与所述图案对应的输入设定点值计算调制设定点值的步骤，所述调制设定点值被应用于调制设备以执行所述光束的动态成型。
-对所述光束的发射进行控制，以使每个脉冲具有介于10μJ到30mJ之间，优选地介于100μJ到15mJ之间，并且更优选地介于1mJ到10mJ之间的确定的能量
-对所述光束的发射进行控制，以使所述脉冲串的脉冲具有介于10Hz到30kHz之间，优选地介于20Hz到5kHz之间，并且更优选地介于250Hz到1kHz之间的重复率。
-对所述光束的发射进行控制，以使所述脉冲串传递介于50μW到20W之间，优选地介于10mW到5W之间，并且更优选地介于20mW到2W之间的平均功率。
-对所述光束的发射进行控制，以在动态光学调制之前具有线性偏振。
我们还提出了一种微加工系统，用于通过发射空间和时间相干脉冲光束在材料上形成由多个点组成的图案，所述系统包括：
-用于光束的控制设备，包括：将所述光束的发射限制成包括有限数量的脉冲的脉冲串的装置，所述有限数量小于或等于形成所述图案的点的数量；以及根据介于10ps到100ns之间的脉冲持续时间设定所述光束的装置；
-动态光学调制设备，包括利用调制设定点值根据至少一个相位调制在调制平面中对由所述控制设备设定的光束进行调制，以根据形成所述图案的多个点使所述光束成型的装置；
-控制设备，被设置成将所述调制设定点值应用于所述调制设备，并且包括根据与所述图案对应的输入设定点值计算所述调制设定点值的装置。
-聚焦设备，被布置成将通过所述调制设备成型的所述光束聚焦在位于工作平面内的所述材料的表面上，所述工作平面相对于所述调制设备的所述调制平面处于傅里叶配置。
该微加工系统的优选的但非限制性方面(单独地或结合地)如下：
-所述聚焦设备包括相对于所述调制设备的所述调制平面处于傅里叶配置的聚焦平面。
-该系统还包括一组光学元件(4)，被布置成使所述聚焦的光束相对于所述系统的输入处的光束以90°被定向。
-所述系统具有小于200×200×250mm3，优选地小于200×200×200mm3的块体积。
根据一个方面，我们提出了一种用于使用微加工系统的方法，用于在材料上形成由多个点组成的图案，所述系统包括用于发射空间和时间相干脉冲光束的设备、所述光束的动态光学调制设备以及用于将光束成型到所述材料的表面上的聚焦设备，所述动态光学调制设备包括用于将光束成型为多个点的相位调制，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
a.通过选择所述光束的脉冲数k来设定脉冲串以使所述材料作出反应；
b.计算阈值密度F阈值(k)以及确定相关的阈值功率P阈值(k)，根据所述阈值密度，所述材料对所述光束的k个脉冲作出反应；
c.根据发射设备和所述相位调制设备的特征参数，设定所述调制设备的输出处的可用功率P可用(Nk)的等式，Nk为待确定的数量，表示利用k个脉冲的串所能标记的最大点数；
d.在假设所成型的点的数量对使所述材料作出反应的阈值没有影响的情况下，计算所能标记的最大点数Nk，用下列公式计算所能标记的最大点数Nk：
Nk＝P可用(Nk)/P阈值(k)；以及
e.将所述相位调制参数化为使所述光束成型为N个点，N小于或等于利用所述光束的k个脉冲所能标记的最大点数Nk。
该使用方法的优选的但非限制性方面(单独地或结合地)如下：
-如果在步骤d)计算的利用k个脉冲的串所能标记的最大点数Nk小于形成所述图案的点的数量，则选择所述光束的更大的脉冲数k以重复步骤a)至d)。
-在步骤a)，所选择的所述光束的脉冲数k小于形成所述图案的点的数量。
-所述相位调制被参数化为使所述光束成型为N个点，N被限定为小于或等于利用所述光束的k个脉冲所能标记的最大点数Nk的一半的值。
-该方法包括包括补充计算步骤，用于通过将形成所述图案的多个点除以为设定相位调制所选择的N个点，来计算得到形成完整图案所需的脉冲串的数量，其中，所述图案是一复杂图案，被分解成多个能够单独形成的基本子图案复杂图案。
-设定所述脉冲串包括：根据针对任意脉冲数i对阈值能量密度F阈值(i)的计算，选择脉冲数k，脉冲数k为选自脉冲数k200到脉冲数k100之间的整数，脉冲数k200与等于最小阈值能量密度的200％的阈值能量密度对应，并且脉冲数k100与所述能量密度等于所述最小阈值能量密度的最低脉冲数对应。
-考虑到所述光束具有高斯形状并且被所述光束辐射的材料根据以下公式给出的阈值能量密度F阈值作出反应，执行所述阈值能量密度F阈值的计算：
其中，
其中D为所述光束在所述材料上的物理冲击直径，F峰值是在光轴处测量的最大能量密度并且被表达为激光平均功率Pav的函数，v是脉冲重复率，ω是所述光束在所述聚焦设备的聚焦平面内的半径。
-通过对所述材料出现损坏的统计分析来执行所述阈值能量密度F阈值的计算。
-给出作为Nk的函数的、所述调制设备的输出处的可用功率P可用(Nk)的等式为以下公式：
P可用(Nk)＝P激光器u％x％(C)(cNk+d)v％-w％P激光器
其中：
°u％为所述动态光学调制设备的透射百分比；
°v％为在要标记的图案的非对称性的作用下的可用百分比；
°w％为在中心聚焦点所述光束不经受所述动态光学调制设备的成型而损失的百分比；
°x％(C)为在应用于所述动态光学调制设备的调制设定点值的相位图上应用曲率C的作用下的可用百分比；
°c和d为冲击次数的系数，反映用于应用于所述动态光学调制设备的所述设定点值的所述相位图的聚焦点的重数；与Nk点相关的效率为(cNk+d)，其中，f为所述聚焦设备的焦距。
-所述阈值功率P阈值(k)由以下公式给出：
-利用所述光束的k个脉冲所能标记的所述最大点数Nk由以下公式给出：
其中：
-X＝P激光器u％x％(C)v％；
-
-Z＝w％P激光器。
附图说明
根据以下描述将得出本发明的其他特征及优点。该描述仅作为说明给出，该说明是非限制性的并且应考虑附图来阅读，在附图中：
-图1是所提出的微加工系统的透视图。
-图2是从光束生成到样品标记、在使用图1的微加工系统时沿光束的光路的所有元件的示意表示。
-图3示出了能够在图1的微加工系统中使用的相位调制设备的操作原理。
-图4示出了使用被提出用于形成数据矩阵图案的微加工方法获得的在材料上的两种激光标记结果。
-图5示出了从不同视点使用所提出的微加工方法获得的最大化的非受控认证方面。
-图6是示出了材料的反应阈值随每个激光击射的脉冲数的变化的图。
具体实施方式
本发明涉及材料微加工，即相比所述材料的尺寸以小尺度来改型材料的结构。微加工的具体示例是对材料进行标记，即通过对材料的结构改型来创建特定的图案。
下面的描述涉及微加工的该具体示例(即标记)，但是相关发明决不限于该具体示例，而是涉及微加工的整个领域。
所提出的基本原理包括改变用于标记的光束，以产生同时聚焦在要标记的材料的表面上的多个标记点。
代替像使用笔一样通过在材料上仅移动一个焦点来进行标记，将多个焦点定位在要标记的材料的表面上，因而像使用印章一样进行标记。
因此，能够以与形成图案的点数相比更小数量的光束脉冲来标记图案。在工业环境中，这种技术具有明显的优点，这是由于能够在短时间内执行复杂标记，因而提高了生产率而不会使标记系统更复杂。
这种标记技术不涉及光束偏移问题，因而不涉及与光源同步的问题，并且该技术不一定需要高脉冲重复率。
在使用激光束的经典标记方案中，存在激光源、用于控制激光束的一组光学系统(包括例如反射镜、透镜、偏振光学元件、滤光片)和最后的聚焦透镜。
这里，我们设想一种用于对光束进行动态空间调制的补充单元(被称为调制器)，该补充单元更具体地被设计成控制该光束的形状，即光能的空间分布，以在与材料上的标记平面对应的、最后透镜的聚焦平面内创建光点。优选地，该补充单元将用于动态地调制在所述单元的平面内的光束的相位。调制器是用于空间调制激光光学辐射的有源光学元件。所使用的调制可单独地或不单独地与辐射的振幅和/或相位和/或偏振有关。优选地，将总是执行相位调制，其可以根据需要通过辐射的振幅调制或偏振调制来补充。根据特定的标记模式，纯相位调制是优选的。
目前，这种调制器由英文缩写SLM(空间光调制器)来指代，而与用于执行所述调制的技术无关。这里我们打算更具体地关注反射式LCOS(硅上液晶)或栅极透射型ITO(氧化铟锡)的液晶调制器子系列，其有源光学部分是通常被困在两个电极之间的液晶层，并且甚至更具体地关注两种类型的液晶：向列相(其中晶体都是相同取向)；以及螺旋向列相，还被称为扭曲向列相或胆甾相(其中晶体被组织成螺旋结构)。
第一类液晶，即向列型晶体特别地用于仅调制线性偏振光波的相位，而不改变空间能量分布或偏振态。
第二类液晶，即胆甾型晶体，在用于相对于螺旋轴线调制横向偏振光束时连带地引起相位调制和偏振旋转。在这样的液晶层的输出处加入偏振器使得能够将偏振旋转变换成对波的振幅调制，这从而添加到相位调制。
这些调制器通常用于下面的配置之一：所谓的成像配置和所谓的傅里叶配置。
成像配置依赖于共轭几何光学的原理：将调制器放置在与工作平面几何共轭的平面内，以使调制器平面中的空间强度分布(以一个比例因子)同样重现在工作平面中(特别是在图像投影的背景下使用这种配置，光学调制器与屏幕光学共轭)。在该成像配置中应注意到重要两点：
-被利用和调制的光束不要求相干：即使在使用由LED(发光二极管)或白炽灯泡发射的“白”光的情况下，图像也将在工作平面内形成。
-在调制平面内光波的相位改变对工作平面没有影响。因此，这种配置不适于向列相LCOS调制器。
对所提出的微加工方法及系统而言优选的所谓傅里叶配置是下述配置：其中在调制器平面和工作平面内表达的电场通过基于傅里叶变换的数学运算而相关。我们认为工作平面相对于调制平面处于傅里叶配置。因此，既不存在对相位的相同复制也不存在对强度的相同复制，但是关系是已知的，并且因而给定调制的冲击是可预测的。在傅里叶配置中，光束在调制器平面内的空间能量分布与光束在工作平面(标记平面)内的空间能量分布不同，而在成像配置中，调制器平面和工作平面内的空间能量分布是相同的，具有一个比例因子。该傅里叶配置例如存在于诸如LCOS调制器的调制器平面和(根据弗劳恩霍夫准则)位于长距离自由传播后的工作平面之间，或者存在于薄透镜的像焦平面和物焦平面之间。我们应注意到在这种傅里叶配置中：
-振幅和/或相位调制的使用是相关的。然而，由于效率的原因最常使用单独的相位调制，这是因为在一般情况下，使用处于傅里叶配置的振幅调制配置的技术具有小于50％的透射率，这会成为一个问题。
-由于目的是使光束在调制后与自身干涉，所以该调制不应改变使得该干涉成为可能的光束特性：更具体地，偏振不应被改变。
使用这种傅里叶配置要求使用能够在空间和时间上与自身干涉的光束，因而必定相干，并且处于相同的偏振态
根据所提出的微加工方法及系统的优选实施例，处于傅里叶配置的向列液晶调制器用于纯相位调制。
对入射到调制器上的光束(例如激光束)进行控制，以特别地从工业的视角执行有效标记，同时与使用的调制设备、特别是调制器的光学电阻相容。
入射光辐射通常由空间和时间上相干的脉冲光束(诸如激光束)源发射。例如可以使用没有任何明确特殊性的标准激光源。在光束到达调制器之前，原样保持脉冲光束的相干。
辐射波长能够为任意的。针对具有[350nm-2μm]区间的波长的可见和近IR(“infra-red(红外)”的缩写)波长范围建立优选域。根据要标记的材料的性质，与介于[1μm-2μm]区间内的波长的辐射对应的波段将是优选的。然而，当寻求增加标记有效性时，与介于[400nm-1100nm]区间内的波长的辐射对应的波段将是优选的，并且更优选地介于[400nm-600nm]区间内。
光束是脉冲式的，即由一系列脉冲组成。此外，对发射进行控制使得以脉冲串(也称为击射(tirs))的形式发射光束，其中脉冲串由光束的有限数量的脉冲组成。
本系统与此时存在的不同击射模式兼容，而不存在关于脉冲重复率的约束。
因此，能够以“按需击射”的形式发射光束。在这种情况下，通过由控制器(计算机、可编程逻辑控制器等等)的第三元件发出的触发信号(常常是电和/或TTL(晶体管-晶体管逻辑)信号)生成一系列脉冲。例如，能够在TTL信号的每个上升沿或者在每次按下按钮时生成激光脉冲。
因此，能够以“基于时钟连续击射”的形式发射光束。在这种情况下，激光源具有规律的时钟信号并且以与时钟相同的重复率发出一系列脉冲。
还能够以“基于时钟触发击射”的形式(又称“突发”模式)发射光束，该模式是优选的。在这种情况下，激光源具有规律的时钟信号和触发信号、常常称为“触发器”或“门”。除了击射还受触发信号的状态限制之外，该原理与上述连续情况类似。例如，仅在逻辑状态1下时钟信号和触发信号的上升沿的情况下发射激光脉冲。
还对脉冲持续时间进行控制以使其介于10皮秒(ps)和100纳秒(ns)之间，优选地介于100皮秒(ps)和10纳秒(ns)之间，并且更优选地介于300皮秒(ps)和8纳秒(ns)之间。例如，将选择这样的操作范围，其中对脉冲持续时间进行控制以使其介于100ps和8ns之间，其中在200ps、400ps、600ps、1ns、5ns和8ns下具有优选的操作模式。
这样的脉冲持续时间是特别有利的，这是由于它们与在工业环境中广泛使用的大多数光源(特别是激光器)兼容。因此，所提出的微加工方法及系统容易转换到当前的工业条件。此外，这些脉冲持续时间还与大量的能量兼容，所述能量能够用于以很少数量的脉冲对特定的材料标记为具有包含许多点的图案。
优选地对光束进行控制，以使每脉冲的能量及光束的平均功率足够用于标记，特别地将系统受到的中间损耗并且更特别地由于调制器引起的中间损耗考虑在内，同时调制器保持低于阈值，超过该阈值会损坏调制器。应注意，相位调制使得能够减少调制器处的中间损耗，因而针对同一输入功率能够获得更好的标记功率，而与要标记的形状无关。
因此，优选地，针对每个脉冲对光束发射进行控制以具有确定的能量，该确定的能量介于10μJ和30mJ之间、优选地介于100μJ和15mJ之间、并且更优选地介于1mJ和10mJ之间。更高的能量能够导致系统中实施的光学系统之一的部分或全部毁坏，并且更特别地毁坏调制器的动态相位成型装置。
更优选地，针对脉冲串对光束的发射进行控制以释放平均功率，该平均功率介于50μW和20W之间、优选地介于10mW和5W之间、并且更优选地介于20mW和2W之间。更高的功率会导致形成调制器的动态相位成型装置的液晶部分而可逆的熔融，因而导致在待标记的材料的平面内成型效率的部分或全部损失。发射每个脉冲串的脉冲重复率起到这样的作用：还应与标记有关且还与对调制器的可能损坏有关地考虑该作用。此外，所选择的脉冲重复率与寻求的工业标记条件紧密相关。
因此，优选地，对光束发射进行控制以使脉冲串的脉冲具有使得能够达到上述能量和功率的重复率，这意味着介于10Hz和30kHz之间、优选地介于20Hz和5kHz之间、并且更优选地介于250Hz和1kHz之间。
优选地，对于充分结构化的标记，将使用高峰值功率。然而，为了防止调制设备的退化，将使用适中的平均功率。最后，对光束发射进行控制以使其具有足够的每脉冲能量，并且同时具有适中的脉冲重复率。
用于限制调制设备退化的解决方案之一是执行下述标记：其中标记图案所需要的每个脉冲串包含可能最少数量的脉冲。
在任何情况下，脉冲串包含所述光束中的、严格小于形成图案的点数的脉冲数，从工业视角来看这是特别有利的，用于提高生产率而不必增加微加工系统特别是光源的工作率，这还有助于保留调制器。
例如，脉冲串包含的脉冲数小于形成图案的点数的1/2，小于形成图案的点的数量的1/10，并且更优选地小于形成图案的点的数量的1/100。
根据优选实施例，脉冲串包括少于一千个脉冲、优选地少于一百个脉冲、并且更优选地少于十个脉冲。
最佳地，脉冲串包括用于为材料形成图案的一个脉冲。
计算由调制器施加的调制以最终获得期望的聚焦光束形状。
事实上，根据与图案对应的输入设定点值计算调制设定点值，将所述调制设定点值施加在调制设备上用于执行所述光束的动态成型。
在包括相位调制的调制器的情况下，该计算例如能够通过下述算法来完成：用于计算遗传算法族或者迭代傅里叶变换算法(IFTA)的相位图的算法，或者更一般地适于这些问题的任何优化算法。
还能够以非穷举的方式添加简单的光学功能：
-从所有点横向偏移(相位倾斜或斜坡)；
-从所有点轴向偏移(相位弯曲)；
-已知的光束构型(轴棱锥、涡)。
与图案形状对应的目标形状能够是任意先验的：
-由例如微加工的一般应用的架构内的一组焦点(多点形状)组成的任意形状。
-表示例如在溯源应用的架构内的“简单”(数字和字母)形式的字母数字字符串或者加密形式(条形码、二维码-数据矩阵、QR码、阿兹特克代码等)的形状。
-调制设备前后的光路由一组光学元件组成，非穷举性地诸如反射镜、透镜、无焦系统、光学隔离器、波片、分离器元件和滤光器，快门和安全元件。
根据寻求的应用，特别是所考虑的标记以及调制器特性，选择这些光学元件。
例如，在调制前，一组元件将被设置成：
-调整光束的大小以适应于各种元件，更具体地适应于调制器的有源表面。
-调整光辐射的能量和功率水平以适应于调制器所施加的约束。
在调制后，将选择一组元件，例如用于：
-“实际上”调整调制器特性。
-使用聚焦设备将激光辐射聚焦到要标记的目标表面上。
聚焦设备通常在工业上由针对具体的光学条件(波长、在无穷远处成像、衍射率和屈光度的曲率)给出的、焦距和相关联的焦平面来限定。在本说明书中，焦平面被定义为光束的最小表面平面，即光能最集中的平面。
由于激光束聚焦到目标上，所以增加了能量的空间密度，又称辐射曝量且例如以J/cm2来表示。该高密集度的能量导致目标材料改型。这种改型能够采取多种形式，具体地：
-形态形式，导致例如产生微腔、结构或纹理、沉积物，或者导致表面状态改变。
-化学形式，具有例如化学结构的改型、氧化的形式。
-物理形式，采用例如光学(指数、反射、吸收)、机械或结构性质的改型。
此处我们尤其关注能够用视觉工具观察到的改型，并因此对目标的视觉外观(广义上，不仅仅指人眼)产生影响。
在图1和图2中，示出了用于在工业环境中标记材料的微加工系统的示例，并且该微加工系统能够用在紧凑集成环境中。
根据该示例，微加工系统-又称标记头-被放置在激光源8(其可以是另一光源)和待标记的材料12之间，并且该系统优选地包括：
-用于输入激光束的开口2，该输入激光束具有选定的直径以使光学调制器的有源表面的填充最大化，而无需使该直径比活性表面大。我们将具有例如小于或等于8mm的直径；
-动态光学调制器3，特别地用于对该激光束的相位进行空间调制；
-一组光学元件4，用于控制所述光束的位置，例如用于根据通用的激光标记头沿垂直于输入方向的方向重定向所述光束和/或折叠光路以将整个系统保持在与通用激光标记头类似或小于通用激光标记头的体积(典型地小于200×200×250mm3、优选地小于200×200×200mm3)中；
-聚焦元件7，用于将由调制器3生成的形状的能量汇聚在材料12上，该元件可以等同为球面或非球面透镜、薄透镜、消色差双合或三合透镜，F-θ透镜和/或远心透镜。该聚焦能够使用前面提到的一组光学元件被布置成例如垂直于系统的输入面；
-与聚焦透镜7相对的开口6，如果需要的话，该开口能够容置查看标记区域的装置；
-嵌入式或非嵌入式控制电子系统5，包括控制光学调制器3和/或光源和/或管理数据库和/或用于与操作员通信的图形界面或者标记/微加工设施的其它组成元件。
参照图2和图3，描述采用提出的微加工系统的标记方法的示例。
首先，诸如激光器8的光源用于标记。该光源的特征在于发射空间和时间相干脉冲光束。
优选地，对发射进行控制，以特别是在应用相位调制时在调制器的输出处使光束具有给定的线性偏振。例如能够使用沿光束的路径放置的偏振器和/或波片施加该偏振。
如前所述，光束能够具有从近红外到可见光的波长，该波长取350nm至2μm的典型值，优选地从400nm至1100m。
如前所述，使用具有特定脉冲持续时间的光束，该特定脉冲持续时间在介于10ps和100ns之间、更优选地介于100ps和8ns之间的优选范围内。
根据调制器3自身来选择光束的额定功率，该额定功率对由激光器的平均功率产生的热量敏感。将使用例如小于或等于10W的额定功率。
事实上，当液晶的粘度随温度降低而使得液晶状态变化更快时，过高的温度导致这些晶体可逆熔融并且导致调制效应的损耗。于是，在参考激光器的内部或外部对该功率的控制9对于微加工系统的正确操作是重要的。
对(一般根据“突发”击射)生成的脉冲数的控制能够与该控制相关联，这在非常高的生产率应用的架构内同样重要，其中就质量-有效性-快速性而言该方法的优化窗口会变得非常窄。
如前所述，放置在调制器3上游的一组对准光学元件10和光束的尺寸调整11能够在系统的最佳操作的架构内相关。
相位调制器3能够是LCOS SLM或ITO光闸。覆盖所述调制器的大多数活性表面16的光束直径是优选的，并且不需要该直径比活性表面大。例如，针对该直径，使用小于或等于8mm的典型值。
该活性表面是液晶矩阵，在SLM的情况下进行电寻址或者在光闸的情况下进行光寻址，以使得引起该活性表面的局部旋转，并且正如例如在所谓的“向列型平行”液晶的情况下通过改变光学指数及使用这些晶体的双折射来产生光程差。激光束及更特别地其波前的传播最初被同化为平面或曲面14，然后被修改18。
由调制器施加的调制以灰色阴影图像形式17被示出，并且计算该调制以通过透镜7仅在聚焦区域19中获得期望的光束形状15。
优选地再次使用一组定位光学元件4，以在该同一透镜中对准激光束，而且使系统块体积最小化，同时保持必要的配置(例如反射调制器上的低入射)。
目标形状19可以是任意先验的和取决于输入命令15而动态改变16。
调制卡的刷新速度取决于所选择的调制器的特性，但是取10Hz和1kHz之间的典型值，例如60Hz及更小。
在纯相位调制器3的情况下，要应用的调制计算能够例如通过下述算法来执行：用于计算遗传算法族、迭代傅里叶变换算法(IFTA)的相位图的算法、或者适用于上述问题的任何其他算法。
该计算将所实施的光学配置考虑在内，特别地考虑了以下方面：
-光束13的大小和形状，并且更广泛地输入光路的特性；
-辐射特性(例如光束13的波长)；
-最后的聚焦透镜7的特性(更特别地，焦距)；
-同一透镜的光学相位共轭和距调制器(或者光束13的成像)的物理距离。
应注意，在聚焦在最后的透镜(即聚焦设备)之前分开调制器(物或虚)平面的距离必须理想地接近透镜的焦距。更一般地，分开调制器平面和聚焦设备的距离小于聚焦设备的焦距的100倍，优选小于该焦距的10倍，并且更优选地小于该焦距的2倍。
无论计算算法能否集成到标记头1中，计算算法然后生成灰色阴影图像形式的相位图，其中每个阴影与相移百分比相关联，并因此与晶体旋转百分比相关联，最大相移幅度取决于SLM辐射耦合的特性，而且取决于操作者的选择。
初始调制还能够通过诸如横向偏移(倾斜，棱镜或相位斜坡)、轴向偏移(相位弯曲)、卷积(相位图之和)等的数学/光学函数来完成。
要标记的图15和计算算法被预先定义以整合到样品12上的最终标记，多点结构有利于来自材料的反应：形态(腔、纹理、沉积物、表面状态等)、化学(氧化等)、物理(光学(折射率、吸收、反射、透射等))或者机械(残余应力等)。
能够同时标记的点数取决于多个条件，诸如激光特性(能量、功率、偏振、波长、脉冲持续时间、脉冲重复率等)、所描述的微加工系统的特性(能量容差、透射百分比、聚焦力等)，以及还取决于辐射的材料。
因此，优先推荐强激光能量，这是由于它们分布在不同的标记点之间。
就平均功率而言知道在本发明的架构内使用的调制器的容差，所以还将脉冲重复率的极限考虑在内。
例如，确立了下述脉冲辐射是特别适合的：由大约500ps和100ns之间的脉冲构成，均输送2mJ或者更少，并且以1kHz及更少的脉冲重复率被发射。
此外，下面的操作模式揭示了通过一些脉冲(典型地少于100个脉冲、优选地少于10个脉冲)构成的串或一个脉冲在多种材料上生成多点图案的良好能力：
-400ps(加/减5％)的脉冲持续时间、2mJ或者更少的能量、以及1kHz或者更小的脉冲重复率；
-7ns(加/减5％)的脉冲持续时间、7mJ或者更少的能量、以及20Hz或者更小的脉冲重复率；
-87ns(加/减5％)的脉冲持续时间、100μJ者更少的能量、以及25kHz或者更小的脉冲重复率；
现在我们将描述显示使用上述微加工系统及方法期望用高脉冲重复率在材料上标记识别码的可行性的实施例的示例。参照图4对该示例进行描述。
该示例中使用的激光器具有以下特性：
-波长1064nm；
-输出功率：2.2W；
-脉冲持续时间：10ns；
-脉冲重复率：1kHz；
-偏振：线性；
-突发模式击射，涉及脉间控制。
选择该配置以收益于由该系统传递的最大能量，即1kHz的最小脉冲重复率。
由于光束的输出直径是期望功率的函数，所以期望功率被设定为其最大值2.2W，这意味着可用能量约2.2mJ。
通过半波片/偏振分离器立方体对偶9在外部控制其变化，而且半波片/偏振分离器立方体对偶9使得能够在标记头1的输入处保持适当的线性偏振。
光学组件11与望远镜类似，并且由被限定为将光束放大2倍的两个焦透镜组成，从而从激光输出处的4mm量级的直径切换到调制器3上的约8mm。
光学组件10由两个反射镜组成，该两个反射镜被布置在组件11下游，旨在优化光束输入2无损耗地进入标记头1。
相位调制器3是分辨率为1920×1080、表面积为15.3x8.6mm2(边长为8μm/间距的方形像素)的LCOS SLM。
聚焦透镜7仅包括一个有抗红外反射涂层、焦距为100mm的薄透镜。
所有这些元件涉及从几微米到几十微米的冲击之间的标记距离，这取决于施加到SLM的相位图的分辨率。
输入控制图像15是14×14模块的数据矩阵，每个模块由一个像素20组成。
用于生成相关相位图17的计算算法是IFTA，此处迭代次数以准任意方式来限定，但是仍然要大于十，以使由该计算产生的优化显著地稳定，因此使从一次迭代到下一次迭代非常小地波动。
被打标的材料样品21和22是分别用金属涂层、银和金覆盖的具有几微米厚度的聚合物。
使用具有x40的放大率的透射照明显微镜获得了图像采集。
包含25个脉冲的脉冲串用于烧蚀光泽面，这是指25ms@1kHz，用于标记边长约为720μm并且包含108个点的数据矩阵。
在类似的但具有如振镜头的标准偏转头的条件下，使用一个焦点下的全部可用功率，标记该数据矩阵所需的激光器应提供约4kHz的最小脉冲重复率以与25ms的相同时间竞争。在该脉冲重复率下，假定每个标记点有一个脉冲并且在各种机械重定位操作期间几乎不存在时间损失。
与传统的标记方案相比，此处开发的技术假定高生产率飞行标记的架构内具有更好的灵活性，因而使能够被更加优化的执行时间更短。
实施例的第二示例旨在通过简单的标记示例显示被所提出的微加工系统最大化的认证方面。参照图5描述了该示例。
该示例中使用的激光器具有以下特性：
-波长1064nm；
-输出功率：6W；
-脉冲持续时间：80ns；
-脉冲重复率：25kHz；
-偏振：任意；
-脉冲控制调制：5kHz。
各种光学元件的配置与之前的情况类似。然而，具有更通用规格的这种激光器针对相应更高的脉冲重复率具有更高的功率。而且，该激光器没有整合任何脉间控制，并且低脉冲重复率的外部调制(前述的“触发器”或“门”)有必要保持恒定的额定输出功率，同时对照射样品的脉冲数有充分控制。
因此，对于在25kHz的脉冲重复率下的5kHz的最大频率调制，每组授权的每次击射的最小脉冲数是5。
此外，该系统具有随机偏振。尽管存在一半的能量损耗，通过偏振器立方体的通道提供了沿右偏振进入标记头的入口。最终，100μJ的能量(指在25kHz下平均功率为2.5W)到达相位调制器3。
输入控制图像5是5×5冲击的矩阵23，是指均匀且规则地分布在230x230μm2的表面积上的25个点。
用于生成相关的相位图17的计算算法再次为迭代类型(IFTA)。在该示例的架构内，对迭代数的控制是必要的。
要标记的材料是有几百纳米的铝涂层的PE聚合物。
图5中的系列图像24示出了由照射和调制的相同配置产生的多个点矩阵。仅样品上的定位发生变化。
能够通过使光束成型或者通过振镜头从一次标记到另一标记(图24a和图24b)观察到轻微波动，该轻微波动表示辐照材料的性质的波动。
然而，系列图像25和26专用于本文中所述的成型头的使用。
系列图像25示出了由同一源图像产生的多个标记，但是其相位图不同。这种非受控方法对于所使用的不收敛于相位图的唯一解的算法是固有的。将与入射光源和材料的局部性质相关联的这种波动添加至标记的唯一性，以及由此添加至特定于激光与物质的相互作用的该认证方面。
最后，系列图像26示出了正计算的同一图的迭代次数的效果，其中，八个图像26a至26h分别与采用1、2、3、4、5、10、20和50次迭代的测试对应。在迭代次数由于部分收敛的相位图解而比较低时，与源图像的偏差全部更显著。
可以观察到26a中不存在某些标记点并且26b中出现寄生点，示出了产生具有唯一的、不受控制的签名的标记的能力。
实施例的该示例清楚地示出了这种创新的整体利益，更特别地在证实了标记和识别方面的需求的、溯源性和打击伪造的市场上。
因此，能够根据相同的微加工参数在多个相同产品上形成相同的图案，其中在形成每个图案之后记录每个图案,以得到所述产品的个体认证。
所提出的微加工方法及系统导致生产率大大提升。事实上，在初始检查时，使用成型的激光束使得能够在一次激光击射中增加所标记的表面积(或者所标记的点数)。因此，一次标记操作所需的时间缩短了一个因子，该因子与同时标记的点数相等(或者与表面积比成比例)。
此外，使用当前光学调制器使得能够考虑取决于调制器的频率介于10Hz和1kHz之间(例如接近10Hz至20Hz、甚至高达60Hz)的动态调制(随时间改变形状)。如果在两次标记操作之间(例如，在产品的个体编号的情况下)需要改变形状，则(在10Hz至20Hz的情况下)该方法具有每小时36000至72000件的潜在生产率。这些生产率先验地比当前生产率高五到十倍。
此外，所提出的微加工方法及系统能够用于在几次击射中创建复杂形状的标记。当前的方案基于聚焦光束的移动，所创建的图案固有地包括光束大小量级(通常十至一百微米的量级)的圆形边缘。使用成型光束使得我们能够考虑获得迄今为止小量级的、非常复杂的形状，具体地包括直角或锐角。
此外，在以二维码形式加密的信息的激光标记的特定背景下，当前将数据矩阵格式优选为QR码，这是由于QR码能够更快地标记等同内容(因为QR码在两个连续模块之间具有更少的移动)。还有该第二类型具有易于读取的优点。由于同时标记形成代码的所有点(假设该点数小于能够同时标记的最大点数)，所以对于在等同内容下针对多种加密类型具有相同的执行时间，因此使用此处所述的设施去除了这种限制。
最后，所提出的微加工方法及系统对例如溯源性或者打击伪造应用的产品认证是特别有益的。事实上，该微加工方法及系统能够用于产生唯一的标记结果。在光束与目标的相互作用期间，所获得的结果与光束的光学性质和目标的物理性质紧密相关。结合对光学能量的空间分布和材料的局部性质的固有非均匀性的控制，从一个击射到另一击射能够获得标记结果的显著变化。对这些不可重复的方面的签名的记录使得能够后验地认证支持。
对于微加工方法及系统的优化使用，还提出了一种用于计算在给定材料上能够进行的同时冲击的数量的方法。
为此，绘制可能在上述多点标记的可行性的起点处对激光-物质相互作用的特性有影响的所有参数的列表。这些参数能够被分成三类：
-激光参数：这些是特定于激光源、或者更一般地特定于辐射源的特性；
-微加工方法及系统的参数：这些是特定于微加工系统、微加工系统的设定和微加工系统的操作的特性，用于处理从激光器发射到样品的光束；
-材料参数：这些是特定于最终的研究材料的特性，由于激光-物质相互作用与每个材料的诸如吸收-透射性质、熔化-气化温度等的性质相关。
在识别这些不同的参数后，能够执行尽可能接近多点标记的真实性的仿真，旨在优化对所提出的微加工系统的使用。该使用还能够基于实际标记测试。
我们首先列举表征光源、一般为激光源的参数。当使用具有现存的工业激光器的微加工系统时，经常可以在与所述激光器相关联的文献中找到这些参数。更特别地，我们可以引用：
-波长λ
-脉冲重复率v
-脉冲持续时间T
-偏振p
-平均功率P激光器
-输出直径D输出
-散度α
对于如上所提出的标记头的优化操作，激光波长λ优选地适于对该方法的光学系统的不同处理，偏振p根据由标记头限定的定向是线性的，光束的输出直径D输出适于调制器的活性区域，以及光束散度被最小化(所谓的准直光束)。在后两种情况下，精心挑选的一组透镜既用于使激光束的大小适应标记头，还用于减小散度以获得准平行光束。
在微加工方法及系统的参数之中，强调用于重新调整激光输出处的光束特性的一组光学系统(我们已经提到了发散和偏振的概念)，特定于期望标记(焦距)的特异性、以及借助上面详述的成型的标记头的性质。
此处我们考虑到激光束与标记头的输入处需要的数据对应。后者由以下参数来表征：
-透射百分比u％：由于SLM是像素化光学系统，在估计可用于成形的能量时要考虑不可忽略的能量损耗百分比；该参数还整合了形成调制器后的光路的光学系统的处理的不完整性。
-在非对称性的作用下的可用百分比v％：已观察到在相对于光轴的对称成型和非对称成型之间由要标记图案而引起的能量损耗，用估计量v％表示；
-中心点损耗的百分比w％：由于光学系统和激光器性质缺乏完善性以及计算近似性，在中心焦点发现再次通过常数w％估计的能量的量不经受系统施加到光束的成型。
-通过添加曲率的可用百分比x％(C)：像对称或非对称成型一样，包含曲率值的相位图的执行对可用于成型的能量的量有影响。C是在成型架构内施加的曲率值；
-冲击次数的系数c和d；取决于待标记的点数Nk的可用百分比(cNk+d)：像对称或非对称成型一样，在材料上生成不同焦点数的相位图的执行对可用于成型相同点数的能量的量有影响。
-焦距f：根据限定的会聚透镜的工作距离。该参数和其它参数一起用于限定标记平面中激光束的大小，从而限定该平面中的能量密度。
一旦所有这些参数被表征，则根据下面的公式来计算作为仍被限定的要标记的点数Nk的函数的、可用于成型光束的功率：
P可用＝P激光器u％x％(C)(cNk+d)v％-w％P激光器
由于每种材料具有其特定的吸收性质，其特征在于能量的阈值和能量密度的阈值，根据所述阈值材料开始作出反应并且改变其外观。确定这些阈值对于验证或不是使用给定激光器的标记过程的可行性是重要的。
这些阈值还取决于我们寻求创建的标记的性质。如果我们寻求在纳米水平、微观水平或人眼水平上的可见性，则标记阈值将例如不同。阈值还能够取决于标记的期望强度。事实上，如上所述并且如J.BONSE等人在2001年6月20日公布的题目为"Femtosecond laserablation of silicon–modification thresholds and morphology(飞秒激光对硅-修改阈值及形态的烧蚀)"(APPLIED PHYSICS A(应用物理A),74,19–25(2002),DOI 10.1007/s003390100893)的论文中所述，存在对可以是合格的并且能够与能量密度阈值相关联的材料的几个修改水平。
为了确定材料的反应阈值，科学文献中有几种方法可用，N.SANNER等人在2009年1月14日公布的题目为“Measurement of femtosecond laser induced damage andablation thresholds in dielectrics(介质中飞秒激光器损伤及烧蚀阈值的测量)”(APPLIED PHYSICS A(应用物理A),(2009)94:889–897,DOI10.1007/s00339–009–5077–6)的论文给出三种方法的比较描述。
第一种且最新的方法是基于有关被标记的材料的冲击直径的回归方法，更常称为刘式方法，该方法使得采用以下公式假设激光束的完美横向形状(高斯形状)：
其中
其中：
-F是能量密度(以J/cm2为单位，也称为辐射曝量)，
-r是距光轴的距离，
-F峰值是在光轴处测量的最大辐射曝量，被表达为激光平均功率Pav的函数，
-v是脉冲重复率，以及
-ω是聚焦平面处的光束半径(当前又称为“腰”)并且与系统透镜的焦距f直接相关。
更特别地，刘氏方法考虑了辐照材料根据与物理冲击直径D相关的特定的能量密度F阈值作出反应，即：
由此，在处理该等式后，我们可以得到：
D2＝2ω2ln(F峰值)-2ω2ln(F阈值)
最后，看起来有关加工材料的冲击直径D根据ln(F峰值)以及由此间接地根据功率而线性地增加。在假设激光-物质相互作用的建模是线性(材料与入射能量成比例地作出响应)的情况下，阈值F阈值被估计为该轴的原点处的纵坐标。
第二种方法也是回归方法，但是此次基于观察所烧蚀的体积的深度(我们将讨论烧蚀率)。事实上，在增加光强时，辐照物质将自然地吸收更多的能量，在时间上导致加工形态的改变，并且更特别地导致更大的烧蚀深度和/或标记直径。所有这些值可以被建模为施加到材料的辐射曝量的函数，根据在零体积(或深度)处获得的外推得到反应阈值F阈值。与刘氏方法相反，该方法使用了烧蚀率、无论是否是高斯形状与光束的形状无关地分析标记结果，同时该方法再次要求材料相对于施加的辐射具有线性响应。
最后，第三种方法使用损伤发生的统计分析。该方法具有可见的优点：独立于光束和材料并且直接可用而无需任何补充分析。事实上，具有相同参数的一组冲击由操作者重复多次，同时测量标记重复性。在低辐射曝量下，这些标记将无一可见，而在高辐射曝量下，所有标记将出现。这2中配置之间的中等辐射曝量被定义为损伤阈值辐射曝量。与前两种方法相反，该方法具有以下优点：在没有固定阈值的情形下不是确定性的，但是具有特定于材料的过渡体系。通过应用该方法并且考虑到此处提出的多点标记方法，该阈值辐射曝量F阈值将例如是最小辐射曝量，根据该最小辐射曝量所有冲击变得可见。
此处我们应该声明，在假设为高斯空间旋转剖面的情况下，根据这些方法之一，通过简单的比例关系式，根据以下等式，阈值辐射曝量值对能量和强度也有效：
我们还应注意，脉冲持续时间对该标记阈值F阈值有影响，该标记阈值F阈值指更短的脉冲持续时间会减小阈值。能够同时执行的冲击次数理论上将随脉冲持续时间减小而增加。
上面提出的方法通常用于仅包含一个脉冲的激光击射。因此，所定义的阈值与辐照材料的单个脉冲激光阈值对应。
在优选方式中，通过重复几次对多个特定脉冲数的计算来转置用于由多个脉冲组成的激光击射的方法。因此，在大多数材料上出现所谓的培养(incubation)现象，其特征在于，随形成激光击射的激光脉冲数的增加而减少所考虑的阈值。
如果k是激光击射中包含的脉冲数，则因此能够通过用函数F阈值(k)(各自的P阈值(k))替换先前的阈值F阈值(各自的P阈值)来表示该现象。
图6是示出了作为每脉冲串的脉冲数k的函数的阈值(F阈值或P阈值)的变化的典型示意表示。针对图中示出的培养能够通过水平渐近线观察到饱和效果。
在用于估计能够通过给定的激光器在给定材料上同时标记的理论点数的仿真过程的第一步骤包括：恢复或者计算所提到的不同参数。
其次，获知用于成型的材料的标记阈值和可用激光功率(作为我们寻求定义的Nk的函数)，我们作出以下假设：假定这些冲击不相关，则所成型的点数对材料的标记阈值没有影响。
因此，针对每次激光击射的k个脉冲，估计可用功率等于通过理论上可借助成型被标记的最大点数的材料的反应阈值功率，即：
对于每脉冲串的k个脉冲，通过将该关系应用于材料的反应阈值等式，我们得到：
即
最后，将该等式与在微加工方法和系统的参数的描述中明确说明的等式相关联，获得具有一个未知数Nk的等式，因为其他参数是已知的，即：
由此，最后使用有k个脉冲的脉冲串通过标记头的成型得到对最大同步点数的Nk的估计。
其中：
-X＝P激光器u％x％(C)v％
-
-Z＝w％P激光器
最后，知道所使用的激光源和待标记的材料的特性，该方法使得最后能够通过全系统的不同参数来深度地估计最大点数Nk，该最大点数能够通过使具有k个脉冲的激光击射的光束成型而同时进行标记。
通过扩展，我们注意到序列的极限值N∞(其由于培养的饱和而先验地收敛)，从理论上来说，该极限值表示能够同时标记的最大点数。
根据通过采用k个脉冲的激光击射的成型能够同时标记的该最大点数Nk，该微加工系统能够特别地通过设定调制设备来进行调整，以将光束成型为N个点，其小于或等于能够针对k个给定脉冲被标记的最大点数Nk。
为了确保每个点被适当地标记到材料上，该成型点数N能够被设置成严格小于通过使具有k个脉冲的激光击射成型来同时标记的最大点数Nk，事实上，这使得能够具有用于标记的更可用的能量。
我们应注意，最大值Nk表示阈值。作为示例，在考虑一个损伤或标记阈值的配置中，冲击才开始标记。在该情况下，还优选的是采用比最大值Nk小的值来设定极限N，例如N≤Nk/2或N≤Nk/3。
由此，特别地在复杂图案的情况下，通过将形成图案的点数除以为设置相位调制而选择的成型的点数，我们还能据此推出形成全图案所需要的脉冲串的数目。
设置待用于标记的脉冲串的k个脉冲可以是经验性的，特别是获知要标记的材料的特性和发射设备及相位调制设备的特性。
还能够使用例如上述三种方法之一来计算给出针对任意脉冲数i的阈值能量密度F阈值(i)的函数，以及能够选择最适于标记由给定点数组成的图案的脉冲数k。
例如根据给出阈值能量密度F阈值(i)的函数的计算来选择脉冲数k，其中脉冲数k是选自脉冲数k200和脉冲数k100之间的整数，脉冲数k200与等于最小阈值能量密度的200％的阈值能量密度对应，并且脉冲数k100与能量密度等于最小阈值能量密度的最小脉冲数对应。
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Claims (39)

1.一种用于在材料上形成图案的微加工方法，所述图案由多个点组成，所述方法包括以下步骤：
-发射空间和时间相干脉冲光束；
-在动态光学调制设备的调制平面内，通过应用至少一个相位调制使所述空间和时间相干脉冲光束动态成型，以根据形成所述图案的所述多个点使所述光束成型；
-借助于聚焦设备将该成型的光束聚焦在位于工作平面内的所述材料的表面上，所述工作平面相对于所述调制平面处于傅里叶配置；
其中，采用脉冲串来在所述材料上形成所述图案，所述脉冲串包含所述光束的有限数量的脉冲，所述有限数量严格小于形成所述图案的点的数量，并且其中，对所述光束的发射进行控制，以使每个脉冲具有介于10ps到100ns之间的确定的脉冲持续时间，
其中，所述傅里叶配置是其中在调制器平面和工作平面内表达的电场通过基于傅里叶变换的数学运算而相关的配置。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，对所述光束的发射进行控制，以使每个脉冲具有介于100ps到10ns之间的确定的脉冲持续时间。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，对所述光束的发射进行控制，以使每个脉冲具有介于300ps到8ns之间的确定的脉冲持续时间。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述材料位于与所述聚焦设备的聚焦平面对应的工作平面内。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，所述方法用于根据相同的微加工参数在多个相同产品上形成相同图案，其中，在形成每个图案之后记录每个图案，以用于产品的个体认证。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述脉冲串所包括的脉冲的数量小于形成所述图案的点的数量的1/2。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述脉冲串所包括的脉冲的数量小于形成所述图案的点的数量的1/10。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述脉冲串所包括的脉冲的数量小于形成所述图案的点的数量的1/100。
9.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述脉冲串包括少于一千个脉冲。
10.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述脉冲串包括少于一百个脉冲。
11.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述脉冲串包括少于十个脉冲。
12.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述脉冲串包括仅一个脉冲。
13.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，还包括根据与所述图案对应的输入设定点值计算调制设定点值的步骤，所述调制设定点值被应用于调制设备以执行所述光束的动态成型。
14.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，对所述光束的发射进行控制，以使每个脉冲具有介于10μJ到30mJ之间的确定的能量。
15.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，对所述光束的发射进行控制，以使每个脉冲具有介于100μJ到15mJ之间的确定的能量。
16.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，对所述光束的发射进行控制，以使每个脉冲具有介于1mJ到10mJ之间的确定的能量。
17.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，对所述光束的发射进行控制，以使所述脉冲串的脉冲具有介于10Hz到30kHz之间的重复率。
18.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，对所述光束的发射进行控制，以使所述脉冲串的脉冲具有介于20Hz到5kHz之间的重复率。
19.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，对所述光束的发射进行控制，以使所述脉冲串的脉冲具有介于250Hz到1kHz之间的重复率。
20.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，对所述光束的发射进行控制，以使所述脉冲串传递介于50μW到20W之间的平均功率。
21.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，对所述光束的发射进行控制，以使所述脉冲串传递介于10mW到5W之间的平均功率。
22.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，对所述光束的发射进行控制，以使所述脉冲串传递介于20mW到2W之间的平均功率。
23.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，对所述光束的发射进行控制，以在动态光学调制之前具有线性偏振。
24.一种微加工系统，用于通过发射空间和时间相干脉冲光束在材料(12)上形成由多个点组成的图案，所述系统包括：
-用于光束的控制设备，包括：将所述光束的发射限制成包括有限数量的脉冲的脉冲串的装置，所述有限数量小于或等于形成所述图案的点的数量；以及根据介于10ps到100ns之间的脉冲持续时间设定所述光束的装置；
-动态光学调制设备(3)，包括利用调制设定点值根据至少一个相位调制在调制平面中对由所述控制设备设定的光束进行调制，以根据形成所述图案的多个点使所述光束成型的装置；
-控制设备，被设置成将所述调制设定点值应用于所述调制设备，并且包括根据与所述图案对应的输入设定点值计算所述调制设定点值的装置；
-聚焦设备(7)，被布置成将通过所述调制设备成型的所述光束聚焦在位于工作平面内的所述材料的表面上，所述工作平面相对于所述调制设备的所述调制平面处于傅里叶配置，
其中，所述傅里叶配置是其中在调制器平面和工作平面内表达的电场通过基于傅里叶变换的数学运算而相关的配置。
25.根据权利要求24所述的系统，其中所述聚焦设备包括相对于所述调制设备的所述调制平面处于傅里叶配置的聚焦平面。
26.根据权利要求24或25中任一项所述的系统，还包括一组光学元件(4)，被布置成使所述聚焦的光束相对于所述系统的输入处的光束以90°被定向。
27.根据权利要求24至25中任一项所述的系统，其特征在于，所述系统具有小于200×200×250mm3的块体积。
28.根据权利要求24至25中任一项所述的系统，其特征在于，所述系统具有小于200×200×200mm3的块体积。
29.一种使用微加工系统的方法，用于在材料上形成由多个点组成的图案，所述系统包括用于发射空间和时间相干脉冲光束的设备、所述光束的动态光学调制设备以及用于将光束成型到所述材料的表面上的聚焦设备，所述动态光学调制设备包括用于将光束成型为多个点的相位调制，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
a.通过选择所述光束的脉冲数k来设定脉冲串以使所述材料作出反应；
b.计算阈值密度F阈值(k)以及确定相关的阈值功率P阈值(k)，根据所述阈值密度，所述材料对所述光束的k个脉冲作出反应；
c.根据发射设备和所述相位调制设备的特征参数，设定所述调制设备的输出处的可用功率P可用(Nk)的等式，Nk为待确定的数量，表示利用k个脉冲的串所能标记的最大点数；
d.在假设所成型的点的数量对使所述材料作出反应的阈值没有影响的情况下，计算所能标记的最大点数Nk，用下列公式计算所能标记的最大点数Nk：
Nk＝P可用(Nk)/P阈值(k)；以及
e.将所述相位调制参数化为使所述光束成型为N个点，N小于或等于利用所述光束的k个脉冲所能标记的最大点数Nk。
30.根据权利要求29所述的方法，其中，如果在步骤d)计算的利用k个脉冲的串所能标记的最大点数Nk小于形成所述图案的点的数量，则选择所述光束的更大的脉冲数k以重复步骤a)至d)。
31.根据权利要求29或30所述的方法，其中，在步骤a)，所选择的所述光束的脉冲数k小于形成所述图案的点的数量。
32.根据权利要求29至30中任一项所述的方法，其中，所述相位调制被参数化为使所述光束成型为N个点，N被限定为小于或等于利用所述光束的k个脉冲所能标记的最大点数Nk的一半的值。
33.根据权利要求29至30中任一项所述的方法，包括补充计算步骤，用于通过将形成所述图案的多个点除以为设定相位调制所选择的N个点，来计算得到形成完整图案所需的脉冲串的数量，其中，所述图案是一复杂图案，被分解成多个能够单独形成的基本子图案复杂图案。
34.根据权利要求29至30中任一项所述的方法，其中，设定所述脉冲串包括：根据针对任意脉冲数i对阈值能量密度F阈值(i)的计算，选择脉冲数k，脉冲数k为选自脉冲数k200到脉冲数k100之间的整数，脉冲数k200与等于最小阈值能量密度的200％的阈值能量密度对应，并且脉冲数k100与所述能量密度等于所述最小阈值能量密度的最低脉冲数对应。
35.根据权利要求29至30中任一项所述的方法，其中，考虑到所述光束具有高斯形状并且被所述光束辐射的材料根据以下公式给出的阈值能量密度F阈值作出反应，执行所述阈值能量密度F阈值的计算：
其中，
其中D为所述光束在所述材料上的物理冲击直径，F峰值是在光轴处测量的最大能量密度并且被表达为激光平均功率Pav的函数，v是脉冲重复率，ω是所述光束在所述聚焦设备的聚焦平面内的半径。
36.根据权利要求29至30中任一项所述的方法，其中，通过对所述材料出现损坏的统计分析来执行所述阈值能量密度F阈值的计算。
37.根据权利要求29至30中任一项所述的方法，其中，给出作为Nk的函数的、所述调制设备的输出处的可用功率P可用(Nk)的等式为以下公式：
P可用(Nk)＝P激光器u％x％(C)(cNk+d)v％-w％P激光器
其中：
-u％为所述动态光学调制设备的透射百分比；
-v％为在要标记的图案的非对称性的作用下的可用百分比；
-w％为在中心聚焦点所述光束不经受所述动态光学调制设备的成型而损失的百分比；
-x％(C)为在应用于所述动态光学调制设备的调制设定点值的相位图上应用曲率C的作用下的可用百分比；
-c和d为冲击次数的系数，反映用于应用于所述动态光学调制设备的所述设定点值的所述相位图的聚焦点的重数；与Nk个点相关的效率为(cNk+d)，其中，f为所述聚焦设备的焦距。
38.根据权利要求29至30中任一项所述的方法，其中，所述阈值功率P阈值(k)由以下公式给出：
39.根据权利要求29至30中任一项所述的方法，其中，利用所述光束的k个脉冲所能标记的最大点数Nk由以下公式给出：
其中：
-X＝P激光器u％x％(C)v％；
-
-Z＝w％P激光器。
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