CN113777900A - 基于三维空间整形飞秒激光制备的图案化计算机全息图 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于三维空间整形飞秒激光制备的图案化计算机全息图，属于激光应用技术领域。该图案化全息图由位于透明材料表面的微坑结构阵列和位于材料内部的空腔结构阵列构成。在不同角度入射自然光照射下，图案化全息图呈现具有明暗动态变化特性的图案；而在激光照射下，全息图则呈现由表层微坑结构和内部空腔结构分别记录的全息成像。同时，在图案化全息图上滴加与透明材料折射率相近的液体，可擦除微坑结构阵列所对应的全息成像，从而实现全息成像的转变。该图案化全息图兼具图案印刷的美观性、易辨识性以及全息投影的隐蔽性、仿制难度高等特点，同时通过滴加液体便可改变全息成像，具有多重防伪功能，可用于产品防伪和信息加密。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于三维空间整形飞秒激光制备的图案化计算机全息图，属于激光应用技术领域。
背景技术
光学防伪作为一种防伪技术已被广泛应用于生产生活的多个方面，包括各种商品包装、证件、文件及钞票等。光学防伪主要利用具有特殊视觉效果的图案来达到鉴别物品真伪的目的，其防伪标识主要分为图案印刷和全息投影两类。图案印刷可分为彩色图案及灰度图案，彩色图案主要利用微纳结构的频谱调制能力，在自然光等非相干光源照射下显示不同的颜色，由具有不同频谱调制特性的结构组成图案。灰度图案则利用光学反射率或者透光率的差异形成振幅调制，产生明暗对比，由具有不同振幅调制特性的材料或者结构组成图案。图案印刷标识用肉眼便能识别，具有美观度高，易于鉴别等特点。而全息投影则基于相位调制或者振幅调制的原理，由具有不同相位调制或者振幅调制特性的材料或结构构成计算机全息图，计算机全息图在激光相干光源的照射下能形成特定的全息成像图案，全息成像图案可由产品序列号、商标、二维码构成，由此来达到鉴别真伪或产品溯源的目的。由于全息投影标识，即计算机全息图一般由排布无规律的像素点构成，在自然光等非相干光源照射下并不呈现特定的图案信息，具有隐蔽性高，仿制难度大等特点。而且通过特定的算法或结构设计，全息成像可以依赖于入射光的波长、偏振、相位等参数，因此提供了很高的防伪复用设计空间。
为了提高安全性和防伪能力，多种防伪措施复用成为了防伪技术的发展趋势。在光学防伪领域，将图案印刷及全息投影结合，制备图案化计算机全息图成为了研究的热点。图案化计算机全息图在自然光下能显示特定的图案，而在激光照射下又能显示额外的全息图像，兼具美观性及隐蔽性，进一步结合全息投影防伪中的波长复用、偏振复用、结构复用等防伪复用技术，还能进一步提高防伪标识的信息承载量及仿制难度。由于图案化计算机全息图要求像素单元结构具备包含振幅调制、相位调制、或者频谱调制等在内的两种以上的调制能力，对像素单元的光学特性要求较高，目前主要由超构单元构成的超表面实现。然而超表面的加工往往需要使用到电子束光刻、聚焦离子束刻蚀等微纳加工技术，其加工过程要求真空环境，工艺复杂，周期长，而且加工图案的面积大小有限，往往需要使用显微系统进行图案观测，并不适合推广使用。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述技术问题，提供一种基于三维空间整形飞秒激光制备的图案化计算机全息图。该图案化全息图由位于透明材料表面的微坑结构阵列和位于材料内部的空腔结构阵列构成。表层的微坑结构和内部不同层的空腔结构排布成一张灰度图案，结构的层数与图案的灰度阶数相同，每层结构对应灰度图案的不同灰度值。由于随着在样品内部深度的增加，不同层的空腔结构尺寸逐渐降低，使得空腔结构对入射光的吸收率降低，在自然光下呈现更高的亮度；而表层微坑结构对入射光的吸收率最大，亮度最低。因此表层微坑结构和内部空腔结构排布构成的图案从上到下对应的图案灰度值依次递增。此外，由于微坑结构和空腔结构对入射自然光的衍射特性也存在差异，因此在不同角度入射自然光照射下，图案化全息图呈现具有明暗动态变化特性的灰度图。同时，图案化排布的微坑结构阵列、以及不同层空腔结构阵列内部的像素单元分布分别依据两个二元计算机全息图的像素点的分布规则，由于微坑结构和空腔结构降低了材料对入射光的透过率，与未加工区域构成透过率的差异，从而形成振幅调制，使结构阵列在入射激光的照射下能形成两个计算机全息图对应的全息成像。此外，通过在材料表面滴加与透明材料折射率相近的液体，液体会对材料表面微坑结构进行填充，降低微坑结构对入射光的衍射能力，从而擦除微坑结构阵列对应的全息成像，实现全息成像的转变。
该图案化计算机全息图的制备方法为：将包含K层二元计算机全息图的组合全息图矩阵拆分成子单元，子单元由K层的像素点构成，子单元像素值为1的点对应三维多焦点光场中的焦点。利用三维光场相位图迭代算法计算每个三维多焦点光场对应的相位图，在加工中将相位图依次加载到空间光调制器中，将入射到空间光调制器上的飞秒激光整形成目标三维多焦点光场，控制样品与加工物镜的距离，使上层焦点阵列位于材料表面，其他层焦点阵列位于材料内部，从而加工出子单元对应的微坑结构阵列及空腔结构阵列。通过切换加载的相位图，依次加工出每个子单元所对应的结构阵列，同时控制平移台使样品在水平面上同步移动，便可通过拼接子单元结构阵列获得完整的图案化计算机全息图。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的：
一种基于三维空间整形飞秒激光制备的图案化计算机全息图，所述图案化全息图为经过表层加工和内部加工的透明材料；所述表层加工为飞秒激光在透明材料表面加工微坑结构；所述内部加工为飞秒激光在透明材料内部加工空腔结构；微坑结构和空腔结构排布成一张灰度图案，结构的层数与图案的灰度阶数相同，从上到下对应的图案灰度值依次递增；在不同角度入射自然光照射下，图案化全息图呈现具有明暗动态变化特性的图案；在激光照射下，图案化全息图呈现由表层微坑结构和内部空腔结构分别记录的全息成像。
在表面滴加与透明材料折射率相近的液体，擦除微坑结构阵列对应的全息成像，实现全息成像的转变。
所述微坑结构和空腔结构空间位置上不重叠。
所述空腔结构根据灰度图案的阶数位于同一平面层(2阶)或不同平面层(大于2阶)。
一种基于三维空间整形飞秒激光制备的图案化计算机全息图。该图案化全息图由位于透明材料表面的微坑结构阵列和位于材料内部的空腔结构阵列构成。表层的微坑结构和内部不同层的空腔结构排布成一张灰度图案，结构的层数与图案灰度阶数相同，每层结构对应灰度图案的不同灰度值。由于随着在样品内部深度的增加，空腔结构尺寸逐渐降低，空腔结构对入射光的吸收率降低，在自然光下呈现更高的亮度；而表层微坑结构对入射光的吸收率最大，亮度最低。因此表层微坑结构和内部空腔结构排布构成的图案从上到下对应的图案灰度值依次递增。此外，由于微坑结构和空腔结构对入射自然光的衍射特性也存在差异，因此在不同角度入射自然光照射下，图案化全息图呈现具有明暗动态变化特性的灰度图。同时，图案化排布的微坑结构阵列、以及不同层空腔结构阵列内部的像素单元分布分别依据两个二元计算机全息图的像素点的分布规则，由于微坑结构和空腔结构降低了材料对入射光的透过率，与未加工区域构成透过率的差异，从而形成振幅调制，使结构阵列在入射激光的照射下能形成两个计算机全息图对应的全息成像。此外，通过在材料表面滴加与透明材料折射率相近的液体，液体会对材料表面微坑结构进行填充，降低微坑结构对入射光的衍射能力，从而擦除微坑结构阵列对应的全息成像，实现全息成像的转变。
制备上述图案化计算机全息图的方法，具体步骤如下：
步骤一、选定任意灰度图案，定义为矩阵I，图案的灰度阶数定义为K。I由M×N个元素(像素)构成，其元素值定义为k，取值范围为{0、1/(K-1)、2/(K-1)、……、(K-2)/(K-1)、1}。将矩阵I根据元素值拆分成K个矩阵Pk，每个矩阵对应一个元素值。矩阵Pk由M×N个元素构成，元素取值1或0，取值为1的点对应矩阵I中的元素值k所在的像素点。定义P0为材料表面微坑结构构成图案对应的矩阵，P1/(K-1)～P1为位于材料内部空腔结构构成图案对应的矩阵。
步骤二、选定任意两个全息成像图案，基于全息图迭代算法，计算两个全息成像图案对应的二元计算机全息图矩阵CGH1和CGH2，全息图矩阵同样由M×N个元素构成，元素取值为0或1。计算位于材料表面的图案化全息图矩阵PCGH0：PCGH0＝P0·CGH1；计算位于材料内部的图案化全息图矩阵PCGHk：PCGHk＝Pk·CGH2。由于灰度图案的阶数为K，因此材料内部的图案化全息图矩阵的层数为K-1。定义图案化组合全息图矩阵CGH0，CGH0为由M×N×K个元素构成的三维矩阵，每层矩阵取值分别为CGH0(1)＝PCGH0、CGH0(2)＝PCGH1/(K-1)、……、CGH0(K)＝PCGH1。
步骤三、将矩阵CGH0拆分成L2个三维子单元矩阵，每个子单元矩阵由
个元素构成，元素的取值为0或1。每个子单元对应一个由K层二维多焦点阵列构成的三维多焦点光场，矩阵元素取值为1的元素点对应三维多焦点光场中的焦点。子单元矩阵及对应的三维多焦点光场分为3种类型：第一种类型为只有第一层矩阵存在非0元素，对应三维多焦点光场只有第一层光场存在焦点，加工的结构只包括表层的微坑结构；第二种类型为第一层矩阵和其他下层矩阵都存在非0元素，对应三维多焦点光场的上层及其他下层光场都存在焦点，加工的结构包括表层的微坑结构和内部的空腔结构；第三种类型为只有下层矩阵存在非0元素，对应三维多焦点光场只有下层光场存在焦点，加工的结构只有内部的空腔结构。
基于三维光场相位图迭代算法，计算L2个子单元对应三维多焦点光场的相位图。在加工图案化全息图的过程中，将计算的三维多焦点光场的相位图加载到相位型液晶空间光调制器中，把入射到液晶面上的飞秒激光脉冲整形成对应的三维多焦点阵列光场。同时通过平移台控制聚焦物镜和材料表面的距离，使第一层二维多焦点阵列光场聚焦到材料表面，加工出微坑结构阵列，下层二维多焦点阵列光场则在材料内部加工出空腔结构阵列，从而实现微坑结构及空腔结构的同时加工。加工完一个图案化计算机全息图子单元后，切换加载到空间光调制器的相位图，并控制平移台在水平面上的同步移动，继续加工下一个图案化计算机全息图的子单元。按顺序加载L2张相位图，重复上述过程，完成图案化计算机全息图的加工。
加工的图案化计算机全息图由位于材料表层的微坑结构阵列和位于材料内部的空腔结构阵列构成。由于随着焦点在样品内部深度的增加，受球差的影响，焦点加工的空腔结构尺寸逐渐降低，空腔结构占像素单元的面积减小，使得空腔结构所在的像素单元对入射光的吸收率降低，在自然光下呈现更高的亮度；而材料表层的加工阈值比材料内部低，因此表层微坑结构的尺寸最大，对入射光的吸收率最大，亮度最低。因此表层微坑结构和内部空腔结构构成从上到下灰度值依次递增的、对应步骤一中选定的灰度图案。此外，由于微坑结构和空腔结构对入射自然光的衍射特性存在差异，因此在不同角度自然光照射下，图案化全息图呈现具有明暗动态变化特性的灰度图。与未加工区域相比，微坑结构和空腔结构能显著降低入射光的透过率，从而形成振幅调制，同时微坑结构阵列和空腔结构阵列在空间上并没有重合的像素点，二者的成像过程不会互相干扰，使图案化计算机全息图在激光的照射下同时投影出步骤二中的两个全息成像图案。
步骤四、选择与加工材料折射率相近的透明液体，将液体滴加到材料表面，液体会填充至材料表面的微坑结构，从而降低微坑结构对入射光的衍射能力，擦除微坑结构阵列对应的全息成像，实现全息成像的转变。待透明液体蒸发或被其他溶剂清除后，微坑结构的衍射能力恢复，全息成像又可恢复原先的内容。
有益效果
1、本发明通过三维整形飞秒激光在透明材料上加工由位于透明材料表面的微坑结构阵列和位于材料内部的空腔结构阵列构成的图案化计算机全息图，该图案化全息图在不同入射角度的自然光照射下能呈现明暗动态变化的图案，图案尺寸在毫米量级，无需借助显微成像系统，用肉眼即可对图案进行识别，具有美观性和易辨识性。同时，该图案化全息图在激光照射下投影出的成像图案，还可以通过在材料表面滴加折射率相近的液体对由微坑结构阵列记录的全息成像进行擦除，实现成像图案的转变，具有多路全息成像特性，而且其成像变化过程无需使用复杂的全息成像系统，可操作性强。上述特点使得加工的图案化计算机全息图具有多重防伪的功能，显著提高了仿制难度，并且具有很强的实用性。
2、本发明利用三维整形飞秒激光加工全息图，通过单次串行扫描拼接，即可完成材料表层微坑结构阵列和材料内部空腔结构阵列的同时加工，不存在表层结构图案和内部结构图案的对准问题，既降低了加工难度，同时显著提高了加工效率。
附图说明
图1图案化组合全息图设计过程示意图；
图2图案化组合全息图矩阵的3种类型的子单元矩阵、对应的三维多焦点光场及所加工的结构阵列示意图；
图3图案化组合全息图在不同角度自然光照射下呈现不同图案示意图；
图4液体填充微坑结构及全息图投影成像变化示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
本实例的图案化全息图所呈现的图案为灰度阶数为2的“树木”图案。该图案化全息图加工于聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)上，由位于材料表面的微坑结构阵列和位于材料内部的一层空腔结构阵列构成。在自然光照射下，图案化全息图呈现由“树木”图案到白色方块，再到“树木”图案的明暗动态变化过程。而在激光的照射下，图案化全息图则投射出“BIT1940”的全息成像。兼具图案印刷的美观性及全息投影的隐蔽性。此外，在图案化全息图上滴加折射率与PMMA相近的硅油，硅油会对表面的微坑结构进行填充，使原先的“BIT 1940”成像变为“BIT”；而利用酒精将硅油洗去之后，全息成像又变回“BIT 1940”，具有成像可变的特点。而且成像变化过程操作简单，既提高了仿制难度，又具有很强的实用性。
制备该图案化全息图所用飞秒激光脉冲的中心波长为800nm，重频为1kHz，聚焦物镜倍数为20，NA值为0.45。该实例的具体步骤如下：
(1)选定的灰度图I为灰度阶数为2的“树木”图案，I由300×300个元素构成，元素取值范围为{0、1}，将矩阵I根据元素值拆成矩阵P0和P1。矩阵P0和P1的元素取值为1或0，所对应的图案如附图1所示。选定两个全息成像图案“1940”和“BIT”，基于全息图迭代算法GS算法，计算两个全息成像图案对应的二元全息图矩阵CGH1和CGH2，全息图矩阵同样由300×300个元素构成，元素取值为0或1。计算位于材料表面的图案化全息图矩阵PCGH0：PCGH0＝P0·CGH1，PCGH0的成像图案为“1940”；计算位于材料内部的图案化全息图矩阵PCGH1：PCGH1＝P1·CGH2，PCGH1的成像图案为“BIT”。由于选取的灰度图案的阶数为2，因此材料内部的图案化全息图矩阵的层数为1。定义图案化组合全息图矩阵CGH0，CGH0为由300×300×2个元素构成的三维矩阵，每层矩阵取值为CGH0(1)＝PCGH0，CGH0(2)＝PCGH1。
(2)将图案化组合全息图矩阵CGH0拆分成302个三维子单元矩阵，每个子单元矩阵由10×10×2个元素构成，元素的取值为0或1。取值为1的元素点对应三维多焦点光场中的焦点。实例中的三维多焦点光场由2层多焦点阵列构成。3种类型的子单元矩阵、对应的三维多焦点光场及加工结构示意图如附图2所示。设定全息图的周期为4μm，每层全息图的间距为10μm，对应三维多焦点光场的横向最邻近焦点间距为4μm，两层焦点间距为10μm。利用三维光场相位图迭代算法GSW算法计算302个三维多焦点光场对应的相位图。
(3)将计算的相位图加载到相位型液晶空间光调制器中，同时通过平移台控制聚焦物镜和材料表面的距离，使第一层的二维多焦点光场聚焦到PMMA表面，加工出微坑结构阵列，第二层的二维多焦点光场聚焦到PMMA内部，加工出空腔结构阵列。加工过程所使用的飞秒激光脉冲个数为1，脉冲能量为24μJ。加工完一个图案化计算机全息图子单元后，切换加载到空间光调制器上的相位图，并控制平移台在水平面上的同步移动，继续加工下一个图案化计算机全息图的子单元。按顺序加载302张相位图，重复上述过程，完成图案化计算机全息图的加工，图案化全息图的横向尺寸为1.2mm×1.2mm。
(4)如附图3所示，在自然光照射下，调整入射光与样品的角度，可观察全息图显示的图案呈现由图案“树木”(P0)到白色方块，再到原图案“树木”的互补图案(P1)的动态变化过程。如附图4所示，将激光入射到图案化计算全息图上，在出射光方向上观察到“BIT1940”的全息成像。在PMMA样品上滴加折射率与其相近的硅油，待硅油填充进微坑内部后，原先的“BIT1940”成像将变为“BIT”。利用酒精将样品表面的硅油洗去，全息成像又可由“BIT”变为“BIT1940”。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于三维空间整形飞秒激光制备的图案化计算机全息图，其特征在于：所述图案化全息图为经过表层加工和内部加工的透明材料；所述表层加工为飞秒激光在透明材料表面加工微坑结构；所述内部加工为飞秒激光在透明材料内部加工空腔结构；微坑结构和空腔结构排布成一张灰度图案，结构的层数与图案的灰度阶数相同，从上到下对应的图案灰度值依次递增；在不同角度入射自然光照射下，图案化全息图呈现具有明暗动态变化特性的图案；在激光照射下，图案化全息图呈现由表层微坑结构和内部空腔结构分别记录的全息成像。
2.如权利要求1所述基于三维空间整形飞秒激光制备的图案化计算机全息图，其特征在于：在表面滴加与透明材料折射率相近的液体，擦除微坑结构阵列对应的全息成像，实现全息成像的转变。
3.如权利要求1所述基于三维空间整形飞秒激光制备的图案化计算机全息图，其特征在于：所述微坑结构和空腔结构空间位置上不重叠。
4.如权利要求1所述基于三维空间整形飞秒激光制备的图案化计算机全息图，其特征在于：所述空腔结构根据灰度图案的阶数位于同一平面层(2阶)或不同平面层(大于2阶)。
5.制备如权利要求1或2或3或4所述基于三维空间整形飞秒激光制备的图案化计算机全息图的方法，其特征在于：包括如下步骤，
步骤一、选定任意灰度图案，定义为矩阵I，图案的灰度阶数定义为K；I由M×N个元素构成，其元素值定义为k，取值范围为{0、1/(K-1)、2/(K-1)、……、(K-2)/(K-1)、1}；将矩阵I根据元素值拆分成K个矩阵Pk，每个矩阵对应一个元素值；矩阵Pk由M×N个元素构成，元素取值1或0，取值为1的点对应矩阵I中的元素值k所在的像素点；定义P0为材料表面微坑结构构成图案对应的矩阵，P1/(K-1)～P1为位于材料内部空腔结构构成图案对应的矩阵；
步骤二、选定任意两个全息成像图案，基于全息图迭代算法，计算两个全息成像图案对应的二元计算机全息图矩阵CGH1和CGH2，全息图矩阵同样由M×N个元素构成，元素取值为0或1；计算位于材料表面的图案化全息图矩阵PCGH0：PCGH0＝P0·CGH1；计算位于材料内部的图案化全息图矩阵PCGHk：PCGHk＝Pk·CGH2；由于灰度图案的阶数为K，因此材料内部的图案化全息图矩阵的层数为K-1；定义图案化组合全息图矩阵CGH0，CGH0为由M×N×K个元素构成的三维矩阵，每层矩阵取值为CGH0(1)＝PCGH0、CGH0(2)＝PCGH1/(K-1)、……、CGH0(K)＝PCGH1；
步骤三、将矩阵CGH0拆分成L2个三维子单元矩阵，每个子单元矩阵由
个元素构成，元素的取值为0或1；每个子单元对应一个由K层二维多焦点阵列构成的三维多焦点光场，矩阵元素取值为1的元素点对应三维多焦点光场中的焦点；子单元矩阵及对应的三维多焦点光场分为3种类型：第一种类型为只有第一层矩阵存在非0元素，对应三维多焦点光场只有第一层光场存在焦点，加工的结构只包括表层的微坑结构；第二种类型为第一层矩阵和其他下层矩阵都存在非0元素，对应三维多焦点光场的上层及其他下层光场都存在焦点，加工的结构包括表层的微坑结构和内部的空腔结构；第三种类型为只有下层矩阵存在非0元素，对应三维多焦点光场只有下层光场存在焦点，加工的结构只有内部的空腔结构；
基于三维光场相位图迭代算法，计算L2个子单元对应三维多焦点光场的相位图；
在加工图案化全息图的过程中，将所述相位图加载到相位型液晶空间光调制器中，把入射到液晶面上的飞秒激光脉冲整形成对应的三维多焦点阵列光场；第一层二维多焦点阵列光场聚焦到材料表面，加工出微坑结构阵列，下层二维多焦点阵列光场则在材料内部加工出空腔结构阵列，从而实现微坑结构及空腔结构的同时加工；按顺序切换加载到空间光调制器的相位图，直至加工得到完整的图案化计算机全息图。
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