CN113811419A - 在材料表面上产生虹彩效应的方法和实施所述方法的设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于在部件(1)的表面上产生虹彩效应的方法。在所述方法中，在至少两个固定设备的聚焦系统(14)的并列光场中、或者在至少一个移动设备的场中，将具有小于一纳秒的脉冲持续时间的激光束(9)发送到所述表面上，一个或多个设备包括激光源(8)、扫描器(13)和所述聚焦系统(14)，用于在所述脉冲的宽度上将小波形式的结构施用到所述表面，并且至少一个扫描器(13)通过所述激光束(9)沿着一系列连续线(5、6；16、17、18、16'、17'、18')以及在垂直于部件(1)和至少一个扫描器(13)的相对行进方向(7)的方向上彼此连续的一系列线来扫描表面，该一系列连续线在所述相对行进方向(7)上彼此跟随，并且该一系列线中的每条都属于一个或多个设备的光场，每条线(5、6；16、17、18、16'、17'、18')具有等于所述脉冲的直径的宽度。光场在重叠区域中重叠，该重叠区域具有的宽度的范围从激光束(9)的脉冲直径的两倍到2cm，使得彼此连续的两个线在接合部(2)处重叠，并且在部件(1)和至少一个扫描器(13)的相对行进方向(7)上彼此跟随的两个系列的线(5、6；6、17、18、16'、17'、18')之间，所述接合区域(2)在光场的所述重叠区域内随机布置或以随机模式周期性地组织。

Description

在材料表面上产生虹彩效应的方法和实施所述方法的设备
本发明涉及不锈钢板或其他材料的表面的激光处理，旨在赋予这些表面虹彩外观。
虹彩处理(也被称为“LIPPS”或“波纹(ripples)”)需要用短脉冲持续时间(小于一纳秒)的脉冲激光辐射来照射材料表面。每个脉冲在其作用于待处理材料的点处的直径通常在10μm到几百μm的范围内。如果入射光束的能量足够高，则这种辐射会引起材料表面的结构改变和/或重新组织，这将呈现周期性结构。然而，如果光束的能量太高，则可能发生经由汽化/升华/冲击波的烧蚀现象，这优选与周期性表面结构的形成一起发生。对于给定的材料，要使用的能量范围可以用实验方法容易地确定，以在改变或不改变表面条件或光泽的情况下获得所需的虹彩效应(iridescent effect)。
所述处理特别地但不仅仅在所有类型的不锈钢上执行。处理的目的可以是纯粹的美学，但它也允许改变表面润湿性以及摩擦阻力且减少细菌粘附。这种处理可以在具有不锈钢钝化层的物体表面上直接执行、而无需事先活化/去钝化。
在其上进行这种处理的其他材料特别是各种金属、聚合物(诸如PVC)、陶瓷、玻璃。
在本文的其余部分中，优先考虑不锈钢的情况，理解本发明适用于目前已知或将来可能已知的所有金属或非金属材料，以在根据指示执行激光处理之后获得虹彩效应，任选地通过适应性调整设施的精确操作参数(激光器的功率和频率……)，已知这些参数在获得导致周期性表面结构形成的虹彩效应中起作用。
虽然形成这种周期性表面结构的确切机制尚未确定，但不同实验室进行的测试和表征显示，根据激光通过次数和/或脉冲能量和/或扫描参数，表面结构可以根据每单位表面积的总照射能量而呈现以下四种结构之一，这些结构以递增的能量顺序分类，且其命名通常由本领域技术人员甚至非英语人士使用：
1)所谓的“HSFL”结构(高空间频率LIPPS(High Spatial Frequency LIPPS))：
这种结构由小波纹组成，对于不锈钢，这些小波纹沿入射激光束的偏振方向取向。这些波纹的空间频率小于用于处理的激光的波长。
2)所谓的“LSFL”结构(低空间频率LIPPS(Low Spatial Frequency LIPPS))：
该结构比先前结构由更大的波纹组成，并且对于不锈钢，这些波纹沿与入射光束的偏振方向垂直的方向取向。这些波纹的空间频率略小或略大，或等于激光的波长。对于用波长为1064nm的激光对不锈钢进行表面处理，波纹的周期性在1μm范围内。在LSFL结构的凹槽中仍然可以看到HSFL结构。
需要注意的是，对于一些材料，与不锈钢相比，HSFL结构和LSFL结构的各自取向可以颠倒。
3)所谓的“凹槽(Grooves)”或“隆起(Bump)”结构：
这种结构由覆盖整个经处理的表面的微米尺寸的隆起组成。这些隆起以类似于“蛇皮(snakeskin)”外观的结构来组织。
4)“尖峰(spikes)”结构：
这种结构由高度的范围从几微米到几十微米的尖峰组成。分离尖峰的距离取决于处理参数。
有关结构及其发生机制的更多详细信息可以特别是在B.Liu等人的如下文章中找到：《Evolution of nano-ripples on stainless steel irradiated by picosecondlaser pulses(皮秒激光脉冲辐照的不锈钢表面上的纳米波纹的演变)》，Journal ofLaser Applications(激光应用杂志)，2014年2月16号。据报道，对于相同数量的脉冲，照射能量密度(fluence)的增加导致获得HSFL而不是LSFL(如刚才所示)，而在相同能量密度下，较高数量的脉冲导致产生LSFL而不是HSFL，直到脉冲数变得太高而无法观察波纹。因此，对于给定的材料，照射之后表面的精确构造是由包含接收到脉冲的数量和由每个脉冲传递的能量的机制产生。这种机制是复杂的，但对于给定的材料，获得上述配置中的一种或另一种的可靠条件可由用户通过实验确定。
一般来说，在前两种情况下，这种周期性表面组织允许一种诱导现象，这是激光表面处理的操作者所熟知的，即当处理过的样品置于光源下时，通过创建光学网络而产生的光衍射。根据用户的取向和位置、以及光线，可以在样品上看到彩虹的颜色。这就是所谓的“虹彩效应”。
当样品的表面具有上述第三种或第四种情况的明显外观时，这种效应不再存在，因为在这两种情况下，激光源传递到样品表面上的能量已经达到了至少局部过高的水平，导致表面变形，这不再允许获得虹彩效应，因为表面结构已经失去其周期性性质。
这种上虹彩(iridizing)不应与不锈钢的表面着色相混淆，不锈钢的表面着色(无论是否自愿)是通过等离子处理、或由炉或火炬处理获得的表面氧化而获得的。本发明所考虑的虹彩效应不是由严格意义上的材料着色产生的，而是由在某些观察条件下表面上出现的颜色产生的。在恰当的所谓的着色工艺中表面结构的周期性的缺失是根据本发明的表面上虹彩与通过等离子体、炉或火炬处理对不锈钢进行着色之间的本质区别。
然而，需要注意的是，所述虹彩的观察或不观察通常是高度定向的，即这种虹彩的观察和观察到的虹彩的强度高度取决于观察材料表面的角度。
表面上虹彩的操作员遇到的一个问题如下。
目前，在上虹彩处理的实验室中，可以仅使用将激光器和扫描器耦合在一起的系统来获得均匀的样品，该系统产生激光束的快速行进轴线(经由多角轮或检流计镜)和激光束的慢速行进轴线(经由检流计镜)；或者使用与机械化臂耦合的激光器和扫描器系统来获得均匀的样品，该机械化臂相对于待处理的物体沿着慢速轴线移动扫描器。
扫描器沿慢速轴线的移动可以由待处理的物体(例如金属板)在激光器前方沿慢速轴线的移动代替，该激光器保持固定在慢速轴线上并沿快速轴线移动。还可以做出规定，使得激光器沿两个轴线(慢速轴线和快速轴线)保持固定，并且是待处理的物体沿两个轴线移动。最重要的是，待处理的物体与激光器之间相继沿两个轴线存在相对运动。
刚刚描述的结构的形成机制取决于传输到材料的表面上的总能量以及该能量的空间和时间分布。因此，利用LSFL获得的虹彩的“强度”在已经处理的通路(pass)上的激光的每个新通路之间将增加，直到达到最大值，之后当LSFL在额外施加的能量的作用下逐渐变成“隆起”时，强度会降低。
这意味着存在待转移到材料的表面的能量最佳值，对于该最佳值，虹彩效应最强，该最佳值将被确定并应用于所考虑的所有表面。
然而，处理过的物体通常尺寸小和/或以低生产率获得。
物体的尺寸限制主要是由于由激光器、扫描器和聚焦系统形成的组件的光场尺寸有限，聚焦系统可能是例如会聚镜的透镜。获得均匀处理需要对表面的每个点处的处理进行完美控制。然而，无论使用何种聚焦系统，它们都具有在最佳区域内具有稳定效应的光场。但是一旦离开该最佳区域，系统就会诱导激光束功率的扭曲和/或衰减。这些转化为光场的最佳区域与位于该最佳区域之外的区域之间的非均匀处理。
因此，为了处理不锈钢板的大表面，需要宽场聚焦系统，这些宽场聚焦系统可能是庞大的且只能根据要求建造。此外，这些系统需要与超短脉冲持续时间和高功率的激光器联合使用，这些尚未在市场上广泛使用。
为了克服这双重缺点，已知的解决方案是使用目前市场上可用的传统聚焦系统和激光器，并且：
-将包括这些聚焦系统和激光器系统的多个设备并排放置，以用于行进带(travelling strip)的线处理；
-或(对于批处理系统，在分布在表面上的连续带上)执行多次处理；
-或结合这两种解决方案。
然而，该解决方案需要对两个连续设备的光场之间的接合区域进行特别仔细的控制，如果控制不当，可能会导致本领域技术人员称为“缝合(stitching)”的现象，这将在下面进行描述。
这种机制防止依靠场的非常显著的重叠，以将两个连贯(consecutive)的激光处理场连接在一起。
如果场的重叠非常显著，则在人眼分辨率的数量级上，这将意味着重叠区域接收的能量是传输到表面其余部分的能量的两倍。与仅接收处理名义量(nominal amount)的能量的区域相比，在处理时注入的能量的加倍会导致结构的局部变化，因此引起表面外观的局部变化，且这种变化是肉眼可见的。正是这种现象通常被称为“缝合”，因为它可以使两个场之间的接合区域可见。
相反，确实会防止这种现象的激光处理场之间的间距意味着在两个未处理区域的场之间形成，或者在任何情况下接受比正常情况少的处理。这个区域也是肉眼可见的。
因此，连贯的激光处理场之间需要一个近乎完美的接合。
此外，以高生产率执行此类处理意味着以高速(至少高达km/s)扫描。用于此类处理的扫描系统是具有至少一个多角轮的最常规扫描器。在高激光频率和高扫描速度下，这些系统通常在激光电子设备与扫描器电子设备之间表现出同步问题。这些同步差异导致第一个脉冲相对于其目标位置的位置的转移，从而导致整条线的转移。尽管这种差异是可预测和可计算的(因为这两项装备的控制频率不同)，但它在大多数当前系统中都会遇到，并且可以表示处理线的起点之间的几十微米的差异(由于多角轮的运动而产生的线)。这种差异是多角轮的旋转速度和激光器自身频率的函数，经验表明，具有这种差异的场重叠足以使处理已加倍的区域能够影响金属板的虹彩效应。
一些开发的系统具有内部装置，该内部装置用于经由被称为“检流计”的额外偏转镜的作用来部分校正这种偏移，该偏转镜以位于多角轮上游的检流计的方式工作。例如，RAYLASE公司于2018年6月5日至6日：《New Generation of High-Speed Polygon-Driven2D Deflection Units and Controller for High-Power and High-Rep.RateApplications(用于高功率和高重复率应用的新一代高速多角轮驱动的2D偏转单元和控制器)》(由E.Wagner、M.Weber和L.Bellini介绍)、在斯图加特举行的SLT 2018大会上提出了上述系统的概念。
单独的改进是不够的，但是对于场偏移的不利影响肯定会消失。存在这样的风险，即每条线的初始部分和结束部分不能用与该线的其余部分相同的传递能量进行处理。两个相邻(contiguous)场的对应线也需要严格对准。
为了解决这种处理的局部缺陷，可以想象增加线的其余部分上的传递能量，但这会带来超过适合产生LSFL的最大能量、以及减少甚至防止虹彩的风险。对于所有其他系统，这种同步的缺乏意味着需要至少两倍于不同光场之间的线起始点位置的色散量级的“虚拟”重叠。因此，这种重叠转化为异质带(heterogeneous strip)，其中在场之间没有未经处理的区域，但在一些点上可能存在两倍这种色散的重叠。
如果每个场的边缘被限定为“直线”并且因此每个场的每条线的长度始终相同，这对于本领域技术人员来说是显而易见的，然后，重叠区域将是在部件和激光扫描器设备的相对行进方向上覆盖该部件的薄的直线带的形式，该重叠区域的宽度基本上等于该部件的宽度，因此，基本上等于脉冲直径的两倍，在重叠区域上处理的外观将与其余表面上不同。类似地，如果处理场的边缘由周期图案限定，则重叠区域将再现该图案并且仍然是肉眼可见的。
本发明的目的是提出一种具有超短脉冲的激光方法，用于处理诸如不锈钢板的产品的表面(但不限于此)，从而使数个连续光场的接合区域变得肉眼不可见，这些场被布置成使得它们一起允许处理比单个光场可能处理的表面部分更大的表面部分(通常是整个表面)。该方法必须具有良好的生产率，使得该方法能够以经济可行的方式在工业规模上用于处理大表面积的产品。
为了该目的，本发明的主题是一种在部件的表面上产生视觉虹彩效应的方法，由此在至少两个固定设备的聚焦系统的并列光场中、或者在至少一个移动设备的场中，将具有小于一纳秒的脉冲持续时间的激光束投射到所述表面上，所述设备中的每个包括激光源、扫描器和所述聚焦系统，以用于在所述脉冲的宽度上将小波(wavelets)形式的结构施用到所述表面，并且由所述扫描器通过所述激光束沿着在所述部件和所述扫描器的相对行进方向上的一系列连续线、以及在垂直于所述相对行进方向的方向上彼此连续的一系列线扫描所述表面，并且每条线均属于所述设备的光场，每条线的宽度等于所述脉冲的直径，其特征在于，两个固定并列设备的所述光场或对应于所述移动设备的两个连续位置的光场在宽度为激光束的脉冲直径的两倍与2cm之间的重叠区域中重叠，使得彼此连续的两条线在接合部处重叠，并且在所述部件和所述扫描器的相对行进方向上的两个系列的连续线之间，所述接合区域随机布置或以随机模式周期性地组织，周期等于所述光场的所述重叠区域内在所述相对行进方向上两条连续线上的所述接合部之间偏移的最大值的至少十倍。
在部件和扫描器的相对行进方向上沿着两条连续线执行扫描之间，激光束的偏振可以以在所述两条连续线上产生不同取向的小波，且在垂直于所述相对行进方向的方向上产生普通二乘二取向小波的方式来修改。
激光束的偏振可以根据周期图案来修改，所述周期图案在部件和扫描器的相对行进方向上在M条连贯线上延伸，M至少等于2，优选至少等于3。
在部件和扫描器的相对行进方向上的两条连续线的偏振角可以相差至少20°。
彼此连续的两个相邻场的两条线的偏振可以相同。
所述部件的所述表面和发射所述激光束的设备的所述相对运动可以是通过将所述部件放置在移动支承件上获得的。
所述部件的所述表面和发射所述激光束的设备的所述相对运动可以是通过将发射所述激光束的设备放置在移动支承件上获得的。
所述部件可以是金属板。
所述部件的所述表面可以是三维的，在这种情况下，在聚焦系统与部件的表面之间测量距离，以及控制聚焦系统，使得聚焦系统保证所述脉冲的直径和所述激光束的能量密度大体上相同，而与聚焦系统与部件之间的有效距离无关。
所述部件的所述表面可以是三维的，在这种情况下，在聚焦系统与部件的表面之间测量距离，以及控制所述设备和所述表面的相对位置，使得在实施该方法时所述聚焦系统与所述表面之间的距离保持相同。
所述部件可以是不锈钢的。
本发明的进一步主题是一种用于通过激光束的脉冲在部件的表面上形成小波而向所述表面赋予虹彩效应的设备，所述设备由至少两个固定并列单元设备或至少一个移动单元设备形成，每个设备包括产生脉冲持续时间小于1ns的激光束的激光源、光束形成光学系统、扫描器、以及用于在所述设备与所述部件之间在给定方向上产生相对运动以在所述部件的表面的至少一部分上执行处理的装置，该扫描器使光束脉冲在通过聚焦系统后能够线扫描部件的表面上的光场，两个并列单元设备的所述光场在激光束脉冲的直径的两倍与2cm之间的宽度上重叠、包含由单元设备产生的两条线的接合部，其特征在于，所述单元设备的所述扫描器允许所述接合部布置成使得接合部一起形成随机图案、或周期性地组织随机图案，周期等于光场的所述重叠区域内在所述相对行进方向上两条连续线上的接合部之间偏移的最大值的至少十倍。
所述单元设备的光学系统可以包括向所述光束赋予确定的偏振的光学偏振系统，以及使该偏振发生变化的装置，使得利用不同偏振脉冲在所述表面上获得在方向上的两条相邻线。
所述单元设备可以允许利用偏振相差至少20°的脉冲获得两条相邻线。
所述单元设备可以包括用于测量聚焦系统与部件的表面之间的距离的装置，该装置连接到聚焦系统的控制装置，使得控制装置在所述表面上维持恒定的脉冲直径和恒定的能量密度，而与所述距离无关。
所述单元设备可以包括用于测量聚焦系统与部件的表面之间的距离的装置，该装置连接到聚焦系统的控制装置，以控制所述设备和所述表面的相对位置，从而允许所述聚焦系统与所述表面之间的距离保持恒定。
用于在所述设备与所述部件之间在给定方向上产生相对运动的所述装置可以包括用于部件的移动支承件。
用于在所述设备与所述部件之间产生相对运动的所述装置可以包括用于所述单元设备的移动支承件。
如将理解的，本发明的目的是使由至少两个固定的、并列的激光扫描器设备形成的表面的两条相向线之间的接合部不可见或几乎不可见，其中相应的激光扫描器都沿称为“慢轴线”的轴线移动，所述设备的场轻微重叠，以防止这些接合区域未处理或处理不足的风险。为此，如果考虑在部件和激光扫描器设备的相对运动方向上相继跟随的两组线(称为“快轴线”，该快轴线基本上垂直于慢轴线)，则每个由激光扫描器设备形成的所述相向线的接合点是随机布置的(即，设备的相应快轴线彼此连续)。
可选地，至少两个固定并列的设备可以由单个移动激光扫描器设备代替，该移动激光扫描器设备沿着快轴线移动，以在对应于移动设备的两个连续位置的光场中连续获得相向线，这技术上等同于同时使用数个所述固定并列设备，但增加了处理时间。
换句话说，由两个直接并列的激光扫描器设备(或同时移动的激光扫描器设备)生成的相向线的接合点不位于基本上沿慢轴线取向的直线上，因此基本上垂直于激光器设备的扫描方向(快轴线)。它们形成随机形状或周期性形状的折线，但以随机图案组织，该随机图案周期性重复(因此排除了规则的周期图案，例如正弦曲线)，该随机图案仍包含在两个激光扫描器设备的场的重叠区域内，且具有基本上垂直于所述扫描方向的大体取向。两组连续线的光场之间的接合部，在该大体取向上，因此不会一起形成线性图案，并且该图案与形成基本上直线的情况相比更不易被肉眼看到。该图案不是并且优选地不是也有肉眼可见的风险的短周期的周期图案。如果图案是周期性的，则优选地，周期的长度不应小于两条连续线上的接合部之间的偏移的最大值的十倍。
包含所述接合部的区域的宽度优选地必须不超过2cm。如果此宽度太小(小于脉冲直径的两倍)，则存在获得非常类似于直线的虚线的风险，并且仍然存在看见接合部的风险。如果宽度太大，设备的有效光场会降低，从而使安装的生产率恶化。
显然，如果需要有多于两个的激光扫描器设备来处理部件的整个表面，则本发明可逐步应用于所有并置的设备对。
该方法和相关设备还可以有利地与旨在消除或至少非常有力地减弱与用包括激光扫描器的设备处理的不锈钢表面上虹彩的过度定向性观察相关的问题的方法和相关设备结合使用。使用这种方法，对激光器发射的光施加不同的偏振，以在沿部件和激光扫描器设备的相对行进方向连贯布置的两条线上形成LIPPS。推荐使用施加到一系列至少三条连贯线的至少三个不同偏振来获得所寻求的效应。
通过阅读参考以下附图给出的以下描述，将更好地理解本发明：
图1显示了金属板的表面，在该表面上根据本发明已经使用两个并列的激光设备执行了虹彩处理，该激光设备形成沿着设备的快轴线彼此连续的线，并且在根据本发明的优选变体布置的两条线之间具有重叠区域，即，在通常取向为慢轴线取向的随机虚线中，而不是在基本上对应于慢轴线的直线中，或者在通常沿慢轴线取向的周期性虚线中；
图2给出了根据本发明的一个优选的变体的本发明的设备的流程图，允许在激光处理设备的光学领域中实施本发明的方法，并且还允许独立于观察角度观察金属板的表面虹彩；
图3示出了通过实施本发明方法的优选变体(改进了图1中的情况下使用的方法)而得到的金属板的表面。
因此，本发明的目的是执行人眼不易检测到缺陷的处理，人眼容易检测任何线性或短周期的周期性。在这种情况下，如果认为金属板1的表面的最佳处理需要在与给定光场的快轴线相对应的同一条线上激光的连续N次通过，以注入获得期望小波所必需和足够的能量，从一个激光通路到另一个激光通路、N条叠加线的慢轴线的随机偏移量是相同的。
图1示意了在金属板1上执行的所述配置。可以看出，用于由扫描器13进行的一系列双通路(扫描线)，对应于并列的扫描器13的两个场，这两个扫描器彼此连续并稍微重叠，以防止金属板1的表面上存在未处理区域，分别由两个扫描器之一获得的两个线系列3、4的相应光场的接合点2不是以线性方式偏移，而是在两条线5、6之间随机偏移，或沿慢轴线7连续产生的两个N个重叠线系列之间偏移，该慢轴线是金属板1和激光扫描器13的相对行进方向。换句话说，分别属于系列3、4的两条相对的线的各自接合部2不一起形成直线或短周期的周期图案，而是比直线更不容易辨别的随机的折线，或接合部2的偏移是周期性的且周期短的折线。
应当注意，在同一光场中形成的两条连续线5、6之间，因此在激光扫描器13的行进方向7(换言之，慢轴线)上偏移，或如果金属板是沿慢轴线移动的板而扫描器是固定的，则在金属板1的行进方向上偏移，这个问题通常不会以相同的强度出现，除非沿着慢轴线7连续的两个系列3、4的线之间的重叠明显较差。
实际上，要考虑的是金属板1和扫描器13的相对较慢的相对运动，如限定慢轴线的箭头7所示。
正如所指出的，各组3、4的不同线5、6具有基本上等于脉冲直径的宽度，即通常约30-40μm。为确保金属板表面上不存在未经处理的区域，在同一组3、4的两条连续线5、6之间沿着慢轴线7，可以调整扫描器的检流计和/或金属板行进设备使得两条连续线5、6沿着慢轴线7重叠。
换句话说，在偏移各扫描器13的脉冲和金属板1的脉冲的相对位置之后形成同一组3、4的线5、6，该偏移略小于脉冲的直径。确实可能发生在线5、6的重叠区域中金属板1的表面的双重处理，但是由于线5、6沿慢轴线7的偏移可以以良好精度来控制，该精度比沿快轴线的光学并列场的重叠要好得多，这些区域的宽度在任何情况下都足够窄(几微米)，因此与在金属板1的表面的其余部分上获得的效应相比，双重处理在视觉上不会转化为虹彩效应的扰动。也可以故意做出选择，不提供沿慢轴线7的两条连续线5、6之间的重叠，而是以几μm量级的大大减小的偏移为目标，在任何情况下都充分地减小，以便不会引起在垂直于慢轴线7的方向上存在肉眼可见的未处理的线。
应当理解，在图1中，位于彼此的连续中且在接合部2处相遇的各系列线3、4本身由N个叠加线的叠加构成，例如N＝3。给定光场的叠加线的数量取决于要传输到金属板1的表面以获得表面虹彩效应的期望小波配置的能量的量。该数量越大，对于由各激光通路传递的相同能量，线的数量就越多。
尽可能地，这种配置展示了LSFL类型的结构，正如我们所看到的，在仍然依赖于视角的条件下，这种结构更能够提供这种虹彩效应。因此，沿着给定线传递的能量必须包含在下限与上限之间，低于该下限将不会充分标有小波，而高于该上限则大大增加了隆起过度出现的可能性。这些限制显然高度依赖于多种因素，特别是金属板1的确切材料、金属板的表面状况、给定区域上各激光通路处脉冲传递的能量……，常规实验将使本领域技术人员能够根据可用装备和待处理材料来定义这些限制。
尽管这种第一方法允许根据所使用的材料和/或目标效应显著降低两个连续场重叠的可见性，因为场(接合部2)之间的重叠不是布置在对应于慢轴线7的直线上，而在随机的折线上，其中该折线的唯一一般取向基本上对应于慢轴线7并且跟随重叠之间的偏移，然而这证明不足以获得足够均匀的表面。在这种情况下，可以使用相同的方法，但通过改变不同激光通路之间的偏移。与前述情况相比，这使得可以进一步增加重叠定位图案的随机性。换句话说，接合连续重叠并形成所述图案的折线是更不明显的非周期性或随机类型。然而，必须注意确保并列的处理场具有与各通路的第一个相同的偏移，因为必须避免激光通路的局部积累以获得均匀外观的处理，以理想的方式，表面的每个点应该根据相同的分布、相同的脉冲数和通路接收相同量的能量。
因此，对于场边缘随机叠加图案的使用允许不均匀的点的分布，而这些点不会形成对于肉眼来说太明显的短周期的直线或折线。当它们创建的图案对于沿快轴线的所有激光通路都是相同时，形成给定线，由于在各通路中标记了线的不连续性，因此这些重叠点是具有高非均匀性的局部点。
如所指出的，如果在沿着慢轴线7的足够长度上获得了一定周期的场边缘接合部2的图案，则该周期是可接受的，即至少等于沿着慢轴线7的两条连续线5、6上的接合部2之间的偏移的最大值的十倍。
以沿着快轴线取向的线的形式执行处理允许利用超短脉冲持续时间的激光的高重复频率，以提高处理的生产率。因此，在扫描器沿快轴线对线进行的单次扫描中，如果两个相邻场的两个脉冲之间的距离等于脉冲直径除以N，则该线能够被照射N次。因此允许消除功率的微小波动可能对表面均匀性造成的影响。例如，为了获得对金属板1的表面上的一个相同点的N次连续照射，激光束9在所述点上N个通过不是必须的，激光束9的单次通过就足够了。
然而，这种作用模式的缺点是在相当于脉冲直径(几十微米)的距离上在线端上形成不均匀区域。
如上所述，通过用超短脉冲激光器8处理获得的虹彩效应与金属板1的表面上自发形成具有类似于表面反射光上的光学网络的行为的周期性结构有关。如前所述，科学界尚未确定周期性地分布在处理表面上的这种小波结构的形成机制。
然而，已经示出(例如，参见文件《Control Parameters In Pattern FormationUpon Femtosecond Laser Ablation(在飞秒激光烧蚀时图形形成的控制参数)》，OlgaVarlamova等人,Applied Surface Science 253(2007)pp.7932–7936)小波的取向主要与照射表面的激光束的偏振有关。例如，在不锈钢上，HSFL的取向平行于入射光束的偏振，而随后在较大量能量被传递到板表面时形成的LSFL的取向垂直于入射光束的偏振。在其他材料上，观察到相反的效应，但这并不质疑本发明对这些材料的适用性。
对于线中的激光处理，在所述表面的给定线上，在激光束9的整个不同通路中不改变激光束偏振的情况下处理的表面将因此在处理结束时产生由全部在相同方向上取向的线/小波构成的结构。这意味着表面的“光学网络”效应也被取向。
如果观察是在垂直于小波取向的方向进行，则虹彩效应显现最大，并且随着且当观察的取向角与表面结构对准时，虹彩效应显现减小。因此，观察小波对准中的表面不会导致颜色出现。这可能相当于最终产品的缺点，因为它需要在处理开始时适当选择小波的取向，以获得在所需观察条件下具有虹彩效应的产品。此外，对于给定的光源，最终产品仅沿一个主要观察方向呈现完全彩色。
本发明的最佳变体，即图2和图3的主题，允许避免该缺陷。如果在金属板1的整个宽度(垂直于慢轴线7的方向)上共同形成同一条线的两个连续场在该线上具有相同的偏振，则这两个场之间的接合区域的双重处理的视觉效应往往比当两个场具有不同的偏振且偏振角不同时不太明显，该偏振角的差异优选在20°和90°之间。
而且，在本发明的优选变体中，具有在部件和激光扫描器设备的相对行进方向7上的两个连续线之间明显充分不同的偏振，消除了观察虹彩效应的方向性。所描述的现象的组合意味着，与在相邻线之间没有这种偏振交替的情况相比，处理过的金属板1的虹彩效应在所有观察方向上显得更加均匀。
处理是“成线”执行的，分开脉冲中心的距离略小于脉冲在快速扫描方向上的直径，以确保没有未被脉冲处理的区域。根据本发明的优选变体的解决方案是交替线，对于该交替线，通过定位在激光束9的光路上的偏振器或任何其它类型的偏振光学装置的作用，小波取向从一条线修改到另一条线。
因此，或者利用允许修改每条线之间的入射光束的偏振的自动系统来获得处理场，或者以等于至少两次且优选地至少等于三的次数M获得处理场，因此M对应于通过形成这些小波的激光束脉冲的周期性连续偏振赋予小波的不同取向的数量。
图2示意了单元设备的一部分的常规结构，允许实施本发明的方法，包括刚刚提到的优选版本，以在给定场上处理不锈钢金属板1的一部分。显然，该设备由自动化装置控制，允许板1的支承件15和激光束9的相对运动同步，并根据需要调整激光束参数和激光束聚焦。这些自动化装置的编程在本领域技术人员的能力范围内。
图2中的单元设备首先包括通常已知类型的激光源8，以在金属表面上获得虹彩效应，因此通常是产生短脉冲持续时间(小于1纳秒)的脉冲激光束9的源8，各脉冲的直径为通常在30到40μm的数量级。通过脉冲注入不锈钢表面的能量将通过实验确定，以便在金属板1的表面上产生LIPPS小波，优选是LSFL类型，并防止形成隆起，甚至防止形成尖峰，激光束9的功率必须根据本领域技术人员已知的用于此目的标准并且考虑到设备的其它元件和待处理材料的精确特性来相应地选择。由源8产生的激光束9通过形成光束9的光学系统10，除了允许调节光束9的形状和尺寸的常规组件之外，该光学系统可选地根据本发明的优选变体包括偏振光学元件12，该偏振光学元件允许向光束9赋予由操作者或者控制设备的自动化装置选择的偏振。
激光束9接下来通过扫描设备(例如扫描器)13，众所周知，该扫描装置使光束9能够在处理场中沿着直线路径(快轴线)扫描金属板1的表面。在扫描器13的出口处，同样是传统的，有一个聚焦系统14，例如聚焦透镜，通过该聚焦系统激光束9聚焦在金属板1的方向上。
在所示示例中，金属板1由移动支承件15承载，允许金属板1相对于产生、偏振和扫描激光束9的设备沿方向7(慢轴线)或可选地在空间的三个维度中的平面移动，使得激光束能够沿着所示设备的处理场的新线处理金属板1的表面。
优选地，在对所述新线进行这种处理之前，根据本发明的一种变体，其结果在图3中示出，已将激光束9的光学偏振设备12的调整进行修改，以便在处理先前线时，使激光束9具有不同于其先前偏振的偏振。使用光学偏振设备10能够获得至少两个不同的偏振角，优选地至少三个，并且优选地但不一定在各线变化时以周期性方式交替。偏振图案的周期性不是必需的，如上所述，沿着慢轴线7的两条相邻线16、17、18、16'、17'、18'的偏振角不同就足够了，偏振角优选相差至少20°且不超过90°。然而，图案的周期性，例如用每三条线16、17、18、16'、17'、18'重复的偏振角所示，是优选的，因为偏振变化的周期性编程比随机编程更简单，尤其是因为属于两个不同的场并且沿着快轴线彼此连续且在接合部2处交汇的两条线16、16'或17、17'或18、18'必须具有相同的小波取向。
尽管优选地注意20°至90°的前述最小角度差，给定光场内的连续随机偏振将是可接受的。
在本发明中，金属板1的处理设备的组件包括多个单元设备(例如刚刚描述的单元设备)，该多个单元设备面向金属板1定位且并列设置，使得两个并列单元设备的各自处理场(即它们各自的扫描器13的聚焦系统14的光场)略微重叠。这种重叠通常是脉冲大小的大约两倍，附加有与激光器8的脉冲馈送周期和激光束9沿快轴线的扫描速率有关的位置不确定性。必须通过实验验证该重叠足以确保在操作结束时在金属板1上不存在任何未处理区域。另外，由这些场中的每一个产生的线16、16'或17、17'或18、18'必须在两个相邻场上彼此连续，并且对于两个相邻场，单元设备的调整必须相同，特别是在它们各自的激光束9在时间t的形状、尺寸、功率和偏振角方面，使得处理在具有金属板1宽度的整条线上是均匀的，并且使得激光束9的偏振角在两条连贯线16、17、18、16'、17'、18'之间沿着慢轴线7的交替在金属板1的整个宽度上是相同的。
控制这些单元设备的装置最传统的是所有单元设备所共有的装置，以便它们彼此完全同步地操作。优选地，它们还控制金属板1的支承件15的运动，本文也是为了金属板1和单元设备的激光束9的相对运动最佳地同步。
显然，移动支承件15可以由固定支承件代替，并且可以通过将固定支承件放置在移动支承件上来确保金属板1和单元处理设备的激光束9的相对移动。而且，这两种变体可以组合，因为本发明的设备将包括用于金属板1的移动支承件15和用于单元处理设备的另一个移动支承件，通过控制设备根据用户的期望，两者之一可能被致动、或者两者同时被致动。如果只有一个处理设备，则在处理完金属板1的一部分后，该处理设备会沿着快轴线移动。在这种情况下，当金属板1的设备处理过的部分保持在存储器中时形成接合部2的图案，并且在设备沿快轴线移动之后在处理的场上产生相同的图案。
而且，金属板1和单元设备的激光束9沿慢轴线7的相对运动可以通过集成在单元处理设备中并作用在快轴线的点上以使这些单元设备的激光束9移动的光学装置来获得。这些光学装置替代或添加到机械装置，该机械装置用于移动金属板1的移动支承件15和/或单元处理设备的激光器8的移动支承件。
纯粹的光学手段足以处理小尺寸的部件，但严重的风险是不足以以足够的精度处理相对大尺寸的部件。然而，可以通过将机械装置放置在给定位置并获得激光束9沿慢轴线7与光学装置在足够短的距离“d”内的相对运动来组合光学装置和机械装置，从而使相对运动的精度就足够了，然后在等于“d”的距离上移动机械装置以继续使用光学装置处理金属板1以获得激光束9和金属板1沿着慢轴线的相对移动。
在本发明的优选变体中，数量M因此对应于期望赋予小波的不同取向的数量，确保间距比常规处理大M倍，并且通过在各场实施之间通过常规间距偏移线。图3显示了M＝3时所述创建的外观的实施例。
金属板1在其表面上具有由本发明的两个设备形成的线16、17、18、16'、17'、18'的周期性连续，这允许在两个相邻光场19、20中形成三种所述线的这种周期图案，给定场的线16、17、18位于在相邻光场中形成的相似线16'、17'、18'的连续中。
图案的线16、17、18、16'、17'、18'在它们形成时通过偏振设备12施加到激光束9的不同偏振的效应而彼此不同。
从图3的部分中可以看出，在所示的非限制性实施例中，示出了金属板1的表面的放大部分，在产生图案的第一条线16、16'时赋予激光束9的偏振导致小波在垂直于金属板1相对于激光处理设备的相对行进方向7(慢轴线)的方向上取向。然后，为了生成图案的第二条线17、17'，激光束9的偏振已经被修改、以在与第一条线16、16'的小波的取向成45°处获得的小波取向。最后，为了生成图案的第三条线18、18'，激光束9的偏振已被修改、以在与第二条线17、17'的小波取向成45°处获得小波取向，因此与第一条线16、16'的小波的取向成90°：因此第三条线18、18'的小波取向为平行于金属板1相对于激光处理设备的相对行进方向7。
因此，在彼此连续的两条线16、16'、17、17'、18、18'的接合区域中，能量注入到金属板1的表面上，该能量大于注入到表面的其余部分的能量，如先前描述的本发明的基本变体。这一事实的特点是，存在已经过处理并位于相邻场的接合部处的区域2，根据本发明，其在场的重叠区域内的精确位置是随机的。然而，在这些接合区域2中，由于连接在一起的各光场的线16、17、18、16'、17'、18'是用激光束9的相同偏振产生的，这进一步和更大程度地减弱金属板表面的视觉虹彩效应的恶化，如果没有激光束9的受控偏振，则会遇到金属板表面的视觉虹彩效应的恶化。从一个光场到另一个光场的小波取向的连续性的缺乏将趋向于增加给定线上的场的接合区域的可见性，从而在表面上产生不均匀区域。必须注意确保两个相邻场的线16、17、18、16'、17'、18'具有相同的偏振，彼此适当地连续，但这种对相邻场的线16、16'、17、17'、18、18'的共线的预防措施也需要被采用以实施本发明方法的基本版本，见图1，用于此目的的装备也可用于本发明的这种变体。仅需要确保针对各场的设备的激光束9的偏振变化对于场的接合线16、17、18、16'、17'、18'以相同值来执行。
使用M＝2个不同偏振偏移(例如偏移90°)的取向已经足以获得沿着大多数观看方向的可见虹彩效应。然而，在45°的角度观看时，虹彩效应的强度仍然相当显著地变化，可以认为虹彩效应缺乏定向性的问题仍然没有完全令人满意的解决。一旦M大于2，优选地，如果两条连续线16、17、18、16'、17'、18'之间的角度相差超过20°，这不再可见。
因此，通过使用分布在0°和90°之间的至少三个不同的偏振角执行处理，并且优选地在沿着慢轴线7的两条连续线16、17、18、16'、17'、18'之间具有至少20°的偏振差，经验表明，表面的虹彩效应在各个方向都可见，且强度相似。可以使用大于3的多个取向M，但必须注意确保两条相邻线的偏振角彼此相差足够大，以避免所需彩虹效应的定向性。
然而，显然，与在单一偏振方向处理并以最佳角度(结构的横向角度)观察的表面相比，表面结构在不同取向上的分布引起虹彩效应的总强度降低。因此，必须在观察者所感知的视觉虹彩效应的强度和该虹彩效应的全向性质之间找到折衷。然而，至少在最常见的情况下，三个偏振方向(因此这些方向的三条线的周期性，如图3所示)已经代表了所述良好的折衷。
最后，为了获得尽可能均匀的效应，建议在尽可能短的距离内交替取向，优选以周期性方式。对于M个不同的取向，优选地周期性地交替每个取向的仅一条线，该线的宽度等于或优选地(以确保金属板的整个表面的处理)略小于脉冲的直径。
通过在处理设备中包括测量聚焦系统14与金属板1之间的距离的装置，并且通过将这些装置与聚焦系统14的控制装置耦合，可以处理不具有完美平面性的金属板1，使得聚焦系统可以保证脉冲的直径和激光束9的能量密度基本相同，而与聚焦系统14与金属板1之间的有效距离无关。作为变型，用于测量聚焦系统14与金属板2之间的距离的所述装置可以通过确保本发明的设备和金属板1的相对运动的装置进行伺服控制，从而允许聚焦系统14与金属板1表面之间的距离在金属板1的整个处理过程中维持恒定。
通过相应地调整用于激光器和待处理部件的相对运动的装置，和/或如果要控制激光发射器与表面之间的距离差异而控制聚焦装置，该方法的应用也可以设想用于除了平面金属板之外的材料(例如用于通常包括三维表面的成形板、棒、管、部件)。对于具有基本上圆柱形表面(例如棒、圆形截面的管)的部件，一种进行方式是将激光装置放置在固定的支承件上，并为部件提供支承件，从而允许部件旋转放置，使得部件的表面在激光器的光场中行进。
最后，要提醒的是，尽管不锈钢是本发明优先应用的材料，但通过激光处理可以在其表面上获得虹彩效应的其它金属和非金属材料也是本发明所关注的。

Claims (18)

1.一种用于在部件(1)的表面上产生视觉虹彩效应的方法，由此在至少两个固定设备的聚焦系统(14)的并列光场中、或者在至少一个移动设备的场中，将具有小于一纳秒的脉冲持续时间的激光束(9)发送到所述表面上，所述设备中的每个包括激光源(8)、扫描器(13)和所述聚焦系统(14)，以用于在所述脉冲的宽度上将小波形式的结构施用到所述表面，并且所述表面的扫描由所述扫描器(13)通过所述激光束(9)沿着在所述部件(1)和所述扫描器(13)的相对行进方向(7)上的一系列连续线(5、6；16、17、18、16'、17'、18')、以及在垂直于所述相对行进方向(7)的方向上彼此连续的一系列线来执行，并且每条线均属于所述设备的光场，每条线(5、6；16、17、18、16’、17'、18')具有等于所述脉冲的直径的宽度，其特征在于，两个固定并列设备的所述光场、或对应于所述移动设备的两个连续位置的光场在宽度为激光束(9)的脉冲直径的两倍与2cm之间的重叠区域中重叠，使得彼此连续的两条线在接合部(2)处重叠，并且在所述部件(1)和所述扫描器(13)的相对行进方向(7)上的两个系列的连续线(5、6；16、17、18、16'、17'、18')之间，所述接合区域(2)随机布置、或以随机图案周期性地组织，周期等于所述光场的所述重叠区域内在所述相对行进方向(7)上两条连续线(5、6；16、16'、17、17'、18、18')上的所述接合部(2)之间偏移的最大值的至少十倍。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述部件(1)和所述扫描器(13)的所述相对行进方向(7)上沿着两条连续线(16、17、18、16'、17'、18')执行扫描之间，激光束(9)的偏振被修改以在所述两条连续线(16、17、18、16'、17'、18’)上产生不同取向的小波，且在垂直于所述相对行进方向(7)的方向上产生普通二乘二取向的小波。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述激光束(9)的偏振以周期图案来修改，所述周期图案在所述部件和所述扫描器的所述相对行进方向(7)上在M条连贯线(16、17、18、16'、17'、18')上延伸，M至少等于2，优选至少等于3。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，在所述部件(1)和所述扫描器(13)的所述相对行进方向(7)上的两条连续线(16、17、18、16'、17'、18')具有的偏振角相差至少20°。
5.根据权利要求2至4中一项所述的方法，其特征在于，彼此连续的两个相邻场的两条线(16、17、18、16'、17'、18')的偏振是相同的。
6.根据权利要求1至5中一项所述的方法，其特征在于，所述部件(1)的所述表面和发射所述激光束(9)的所述设备的所述相对运动是通过将所述部件(1)放置在移动支承件(15)上获得的。
7.根据权利要求1至6中一项所述的方法，其特征在于，所述部件(1)的所述表面和发射所述激光束(9)的所述设备的所述相对运动是通过将发射所述激光束(9)的所述设备放置在移动支承件上获得的。
8.根据权利要求1至7中一项所述的方法，其特征在于，所述部件(1)是金属板。
9.根据权利要求1至7中一项所述的方法，其特征在于，所述部件(1)的所述表面是三维的，并且在所述聚焦系统(14)与所述部件(1)的所述表面之间测量距离(1)，以及控制所述聚焦系统(14)，使得所述聚焦系统(14)保证所述脉冲的直径和所述激光束(9)的能量密度大体上相同，而与所述聚焦系统(14)与所述部件(1)之间的有效距离无关。
10.根据权利要求1至7中一项所述的方法，其特征在于，所述部件(1)的所述表面是三维的，并且在所述聚焦系统(14)与所述部件(1)的所述表面之间测量距离，以及控制所述设备和所述表面的相对位置，使得在实施所述方法时所述聚焦系统(14)与所述表面之间的距离保持相同。
11.根据权利要求1至10中一项所述的方法，其特征在于，所述部件(1)是不锈钢的。
12.一种用于通过激光束(9)的脉冲在部件(1)的表面上形成小波而向所述表面赋予虹彩效应的设备，所述设备由至少两个固定并列单元设备或至少一个移动单元设备形成，每个设备包括产生脉冲持续时间小于1ns的激光束(9)的激光源(8)、使所述光束(9)成形的光学系统(10)、扫描器(13)、以及用于在所述设备与所述部件(1)之间在给定方向(7)上产生相对运动以在所述部件(1)的所述表面的至少一部分上执行处理的装置，所述扫描器(13)能够使所述光束(9)的脉冲在通过聚焦系统(14)后以线(5、6；16、17、18、16'、17'、18')的形式扫描所述部件(1)的所述表面上的光场，两个并列单元设备的所述光场在所述激光束(9)的所述脉冲的直径的两倍与2cm之间的宽度上重叠、包含均由单元设备产生的两条线(5、6；16、17、18、16'、17'、18')的接合部(2)，其特征在于，所述单元设备的所述扫描器允许所述接合部(2)布置成使得所述接合部(2)一起形成随机图案、或以随机图案周期性地组织，周期等于所述光场的所述重叠区域内在所述相对行进方向(7)上两条连续线(5、6；16、16'、17、17'、18、18')上的所述接合部(2)之间偏移的最大值的至少十倍。
13.根据权利要求12所述的设备，其特征在于，所述单元设备的所述光学系统(10)包括向所述光束(9)赋予确定的偏振的光学偏振系统(12)，以及使该偏振发生变化的装置，使得在所述表面上，在方向(7)上的两条相邻线(16、17、18、16'、17'、18')由不同偏振的脉冲产生。
14.根据权利要求13所述的设备，其特征在于，所述单元设备允许利用偏振相差至少20°的脉冲形成两条相邻线(16、17、18、16'、17'、18')。
15.根据权利要求12至14中一项所述的设备，其特征在于，所述单元设备包括用于测量所述聚焦系统(14)与所述部件(1)的所述表面之间的距离的装置，用于测量所述聚焦系统与所述部件的所述表面之间的距离的所述装置连接到控制所述聚焦系统(14)的装置，使得控制所述聚焦系统的所述装置在所述表面上保持恒定的脉冲直径和恒定的能量密度，而与所述距离无关。
16.根据权利要求12至14中一项所述的设备，其特征在于，所述单元设备包括用于测量所述聚焦系统(14)与所述部件(1)的所述表面之间的距离的装置，并且这些测量装置被连接到控制所述设备和所述表面的相对位置的装置，以允许所述聚焦系统(14)与所述表面之间的距离维持恒定。
17.根据权利要求12至16中一项所述的设备，其特征在于，用于在所述设备与所述部件(1)之间在给定方向(7)上产生相对运动的所述装置包括用于所述部件(1)的移动支承件(15)。
18.根据权利要求12至17中一项所述的设备，其特征在于，用于在所述设备与所述部件(1)之间产生相对运动的所述装置包括用于所述单元设备的移动支承件。
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