CN113825587A - 在材料表面上产生虹彩视觉效应的方法、实施所述方法的设备和由此获得的部件 - Google Patents

在材料表面上产生虹彩视觉效应的方法、实施所述方法的设备和由此获得的部件 Download PDF

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Abstract

公开了一种用于在部件(1)的表面上产生虹彩视觉效应的方法，在该方法中在设备的聚焦系统(12)的光场中，将具有小于一纳秒的脉冲持续时间的激光束(7)发送到所述表面上，该设备包括激光源(6)、扫描器(11)和所述聚焦系统(12)，以便在所述脉冲的宽度上将具有相同取向的小波形式的结构施用到所述表面，且所述扫描器(11)通过所述表面和发射激光束的设备的相对运动、通过所述激光辐射(7)沿着一系列连续线(14、15、16)或点矩阵扫描表面，每条线(14、15、16)的宽度或每个矩阵的每个点的尺寸等于所述脉冲的直径，其特征在于，在沿着两条连续线(14、15、16)或两个相邻点进行扫描之间，激光束(7)的偏振被修改，以便在两条连续线(14、15、16)或两个相邻点上产生具有不同取向的小波。本发明还涉及用于进行所述方法的设备，和由此获得的部件。

Description

在材料表面上产生虹彩视觉效应的方法、实施所述方法的设 备和由此获得的部件
本发明涉及不锈钢板或其他材料的表面的激光处理，旨在给予这些表面虹彩(iridescent)外观。
虹彩处理(也被称为“LIPPS”或“小波(wavelets)”)包括用短脉冲持续时间(小于一纳秒)的脉冲激光辐射照射材料的表面。每个脉冲在其作用于待处理材料的冲击点处的直径通常在10μm到几百μm的量级。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，这将采用周期性结构。然而，如果光束能量太高，则可能发生经由汽化/升华/冲击波的烧蚀现象，这优选或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)。
这种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，并降低了其耐摩擦性和细菌粘附。这种处理可以在物体表面上直接进行，不锈钢钝化层位于该物体上，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。
在下文中，不锈钢的情况将是有利的，应当理解，本发明适用于当前或将来已知的所有金属或非金属材料，以在根据指示进行激光处理之后呈现虹彩效应，可以通过调整设施的精确操作参数(激光的功率和频率等)，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。
虽然这种周期性表面结构的确切形成机制尚未确定，但不同实验室进行的测试和表征显示，根据激光通过的次数和/或脉冲能量和/或扫描参数，表面的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”(高空间频率LIPPS(High Spatial Frequency LIPPS))结构：
这种结构由小的小波组成，在不锈钢的情况下，这些小波沿入射激光束的偏振方向取向。这些小波的空间频率小于用于处理的激光波长。
2)所谓的“LSFL”(低空间频率LIPPS(Low Spatial Frequency LIPPS))结构：
在不锈钢的情况下，该结构比先前的小波更大的小波组成，这些小波沿与入射光束的偏振方向垂直的方向取向。这些小波的空间频率略低或略高，或等于激光波长。对于用1064nm的激光波长对不锈钢表面进行处理，小波的周期性在1μm的量级。在LSFL结构的镂空部(hollow)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和LSFL结构的各自取向可以颠倒。
3)所谓的“凹槽(groove)”或“隆起(bump)”结构：
这种结构由覆盖整个经处理表面的微米尺寸的隆起构成。这些隆起以类似于“蛇皮(snakeskin)”效应的结构来组织。
4)峰或“尖峰(spikes)”的结构：
这种结构由高度的范围从几微米到几十微米的尖峰组成。尖峰之间的距离取决于处理参数。
有关这些结构及该效应的机制的更多详细信息可以在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。特别是，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小波。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，表面的这种周期性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效应时，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。虹彩效果不是由着色产生的，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，这种虹彩的观察是高度定向的，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。
表面上虹彩的操作者遇到的另一个问题如下。
目前，在上虹彩处理的实验室中，可以要么使用仅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行进轴线(经由多角轮(polygonalwheel)或检流计镜(galvanometer mirror))和激光束的慢行进轴线(经由检流计镜)；要么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，该机械化臂沿着慢轴线移动扫描器。
扫描器沿慢轴线的移动可以由待处理的板在激光器前方沿慢轴线的移动代替，该激光器保持固定在慢轴线上。还可以做出规定，使得激光器沿两个轴线(慢轴线和快轴线)保持固定，并且是待处理的物体沿这两个轴线移动。
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”在已经处理的区域(区域)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。
这意味着存在待传输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，这些样品通常尺寸小和/或以低生产率获得。
样品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透镜或会聚镜。实际上，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。这导致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，该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。
为了克服这种双重缺点，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，并且在移动带(moving strip)的成线处理(in-line treatment)的情况下，将包括这些聚焦系统和激光器系统的多个设备并排放置，或(对于不连续系统，通过将表面切割成带)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。
因此，这种机制防止场的非常显著的重叠以将两个连续的激光处理场连接在一起。
实际上，如果场的重叠显著，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，在处理时注射的能量的加倍会导致结构的局部变化，因此引起表面效应的局部变化，且这种变化是肉眼可见的。这种现象通常被称为“缝合”，因为它使两个场之间的接合区域可见。
相反，可能会防止处理的局部加倍和所产生的“缝合”的现象的激光处理场之间的间距将意味着在场之间形成两个未处理区域，或者比正常情况少的处理。这个区域也是肉眼可见的。
因此，连续的激光处理场之间需要近乎完美的接合。
相比之下，执行这类高生产率处理意味着在高频(从数百kHz起)下工作。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。在高频率下，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。这些同步差异导致线的第一个脉冲相对于其目标位置的位置移位(shift)，从而导致整条线的偏移。尽管这种偏移是可预测和可计算的(因为这两个设备的控制频率不同)，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)。这种间隙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，该内部装置用于通过被称为“检流计”的额外偏转镜的作用来部分校正这种偏移，该额外偏转镜类似于位于多角轮上游的检流计工作。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。但是单独的改进不足以确保场移位的不期望的影响消失。实际上，每条线的初始部分和结束部分可能不能用与该线的其余部分相同的传递能量进行处理。为了解决这种局部处理缺陷，可以想象增加线的其余部分上的能量输入，但这可能会带来超过适合产生LSFL的最大能量输入，从而减少甚至抑制虹彩的风险。在多角轮的上游使用振镜可以缓解这个问题，但这种材料仍处于实验阶段，且如果商业上成功，该材料必然会比现有的更复杂且更昂贵。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(heterogeneousstrip)，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“直的”，那么重叠区域表现为薄的直带，宽度基本上等于处理线的宽度，因此基本上等于脉冲直径的两倍，在该重叠区域上处理效应与表面的其余部分不同。类似地，如果处理场的边缘由周期性图案限定，则该周期性图案将保持肉眼可见的。
然后，几种策略可以尝试减弱或掩盖重叠区域的不均匀性。
第一种策略是在垂直于扫描器的扫描方向的两条连续线之间使用随机偏移量，使得两条连续线的光场之间的接合部在一起，不会形成线性图案或周期性图案，因此这种图案比基本上直线或周期性图案更不明显。目的是实现一种处理，该处理的缺陷很容易被人眼检测到，这样容易发现是周期性的和/或是线性的。在这种情况下，如果考虑到板1表面的最佳处理需要N次通过，那么N个系列的叠加线的随机偏移从一次通过到另一次通过，且从一个场到另一个场是相同的。
图1示意了在板1上执行的这种配置。从图1可以看出，用于由扫描器进行的与位于彼此连续的两个连续场相对应的一系列两次通过(扫描线)，线的两个系列3、4的各个光场的接合部2以非线性方式移位。换言之，线3、4的各个接合部2在它们之间不形成直线或周期性图案，而是比直线更不容易辨别的折线。连续接合部2之间的偏移的某些周期性可能为可接受的，但该周期必须延长足够的长度(通常至少为沿着扫描器前进方向6的两条连续线4、5的两个接合部2之间的偏移最大值的10倍)，因此这种周期性的图案是不可见的。
应当注意，在同一光场中形成的两条连续线4、5之间，因此在扫描器的行进方向6(或如果板是在该方向上可移动的板而扫描器是固定的，则在板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，除非线之间的重叠明显较差。实际上，正如所指出的，不同线3、4、5具有基本上等于脉冲直径的宽度，即通常约30-40μm。该直径取决于透镜和进入透镜的激光束的直径。为确保在两条连续线4、5之间沿着慢轴线、板的表面上不存在未经处理的区域，可以调整扫描器的检流计和/或板行进设备使得两条连续线4、5重叠。换句话说，在偏移各扫描器的脉冲和板1的脉冲的相对位置之后形成线4、5，该偏移略小于脉冲的直径。因此，可能确实发生线4、5的重叠区域中板1的表面的双重处理，但由于线4、5的偏移可以以良好精度来控制，该精度比并置光场的重叠更精确，这些区域的宽度在任何情况下都足够窄，与在板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。
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。该数量越高，对于由各激光通路供应的相同能量，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，沿着给定线供应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，特别是板1的确切材料、板的表面状况、给定区域上各激光通路处脉冲传递的脉冲所带来的能量……。常规实验将使本领域技术人员能够根据可用设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，因为场之间的重叠不是布置在直线上，然而在跟随重叠之间的移位的折线中，然而可以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。换言之，接合连续重叠并形成所述图案的折线具有更不明显的非周期性或随机性特征。然而，仍有必要确保并置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效应的处理，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，随机场边缘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太可见的直线。当它们绘制的图案对于所有通路都相同时，这些点是不均匀性强的位置，因为在每个通路处标记了线的不连续性。
然而，当对于各通路(无论是否随机)这种图案都不同时，尽管不均匀性点的数量乘以通路数N，但与前一种情况相比，这些点与表面的其余部分相比具有不太显著的不均匀性，这是因为这些点接收到了N-1次连续通过，且只有一次不连续通过。
该第二种方法允许有效掩蔽处理场的接合区域。然而，它需要既在激光线的方向(使得没有重叠或未处理区域)上，又在横向方向上严格控制处理场相对于彼此的位置(如果场移位，接合部将不再准确，这可能导致形成未处理的区域、或者相反被过度处理的区域)。此外，根据选择的参数，有时可以察觉表面上处理线的线或周期性。由于线之间的相移位，这些线在并置场之间的高度移位往往会放大接合部的可见性。
以线的形式执行处理允许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，在通过扫描器的单次扫描中，如果两个连续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。因此允许消除小功率波动可能对表面均匀性造成的影响。
然而，这种作用模式的缺点是在相当于脉冲直径(几十微米)的距离上在线端处形成不均匀区域。
为了避免这种情况，一种可能的解决方案是通过使脉冲以点的矩阵形式而不是线的形式绘制图案来进行处理，并通过执行所需数量的矩阵以便在处理结束时通过仅非常轻微地重叠或根本不重叠的脉冲的冲击完全覆盖板的表面来执行处理，所述点与像素相当。因此，不同场(以及各场的不同脉冲)的接合部不会形成相对大尺寸的连续图案，并且原则上不再可见。各点的形状和尺寸(例如高斯激光器的圆形)与脉冲的形状和尺寸相当。
然而，由于上述激光和扫描器之间的同步问题，点方法还无法实现高生产率。事实上，为了这种方法有效并提供具有均匀最终效应的处理，激光每次必须精确地照射相同的区域(相同点)，以具有在每个点形成相同强度水平的LSFL结构所必需的累积效应。然而，这种不同步会导致随机移位，该随机移位可能具有与脉冲的尺寸相似的尺寸，且不可能达到照射所需的精度。
这个问题可以通过使用新一代扫描器来部分解决，这些扫描器具有额外的检流计，用于校正和/或预测由于同步不良导致的这种偏移。在这种情况下，两个场的并置精度以及表面的整体均匀性也将得到改善。然而，该方法的生产率对于大表面部件的处理仍然不能令人满意。
此外，点处理的原理本身并不能解决不可能从所有所需视角观察到虹彩的问题。
本发明的目的是提出一种具有超短脉冲的激光方法，用于处理产品(如不锈钢板)表面(但不限于此)，允许在表面上赋予虹彩，在处理后、根据至少大部分且优选地所有的观察角度表现出均匀，即使这种虹彩是通过多个并置的场获得的。
此外，通过线处理的情况下，该方法应该优选使得几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)。这种方法必须具有良好的生产率，以适用于大表面产品的处理。
为此，本发明的主题是一种用于在部件的表面上产生虹彩视觉效应的方法，由此在设备的聚焦系统的光场中，将具有小于1纳秒的脉冲持续时间的激光束投射到所述表面上，该设备包括激光源、扫描器和所述聚焦系统，以便在所述脉冲的宽度上将具有相同取向的小波形式的结构施用到所述表面，且扫描器通过所述表面和发射所述激光束的设备的相对行进、利用所述激光束沿着一系列连续线或点的矩阵扫描所述表面，每条线的宽度或每个矩阵的每个点的尺寸等于所述脉冲的直径，其特征在于，在沿着两条连续线或两个邻近点执行扫描之间，激光束的偏振被修改，以便在两条连续线或两个相邻点上产生不同取向的小波。
激光束的偏振可以根据周期性图案来修改，所述周期性图案在M条连续线上延伸，M至少等于2，优选至少等于3。
两个连续或相邻点优选地具有相差至少20°且至多90°的偏振角。
在第一设备的聚焦系统的光场中，可以将脉冲持续时间小于1纳秒的激光束引导到所述表面上，第一设备包括激光源、扫描器和所述聚焦系统；在至少一个第二设备的聚焦系统的光场中，可以将脉冲持续时间小于1纳秒的激光束引导到所述表面上，至少一个第二设备包括激光源、扫描器和所述聚焦系统，位于彼此延伸处或位于属于两个相邻场的两个相邻点的延伸处的两条线的偏振是相同的。
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行进可以是通过将所述部件放置在移动支承件上实现的。
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行进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实现的。
所述部件可以是板材金属(sheet metal)。
所述零件的所述表面可以是三维的。
所述部件可以由不锈钢制成。
本发明还涉及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表面赋予虹彩效应的单元设备，该单元设备包括产生脉冲持续时间小于1ns的激光束的激光源、光束成形光学系统、扫描器以及用于在所述设备和所述部件之间产生相对运动以在所述部件的所述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线扫描部件的表面上的光场，其特征在于，所述光学系统包括在所述光束上赋予确定的偏振的光学偏振系统，以及用于改变该偏振的装置，使得在所述表面上，两条线或者两个邻近点由不同偏振的脉冲产生。
优选地，所述设备可以允许利用偏振相差至少20°的脉冲获得两条连续线。
所述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。
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部件的移动支承件。
本发明还涉及一种用于通过激光束脉冲在部件的表面上形成小波而在所述表面上赋予虹彩效应的设备，其特征在于，该设备包括至少两个前述类型的单元设备，该单元设备的聚焦系统的光场重叠。
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。
本发明还涉及一种由材料制成的部件，该材料的表面虹彩通过激光处理来提供，所述处理在所述部件的表面上具有形成的小波，其特征在于，所述小波具有在所述部件的表面上分布、优选地以周期性图案分布的至少两个取向，优选地至少三个取向。
如将理解的，本发明包括通过施用激光器发射的光的不同偏振来形成两条连续线的LIPPS或两个点阵的邻接点的LIPPS，消除或至少极大地衰减与观看由包括激光扫描器的装置处理的不锈钢的表面虹彩的过度定向性相关的问题，所述两条连续线的LIPPS或两个点阵的邻接点的LIPPS通过根据装置的聚焦透镜的光场的激光束的扫描形成。对于一系列至少三个连续的线或三个点阵列，建议使用至少三个不同偏振，以获得所期望的效应。
这种方法也可以与一种方法结合使用，该方法旨在使彼此面对的两条线之间的接合部不可见或几乎不可见，并且由两个激光扫描器设备并置产生，这些激光扫描器设备的场略有重叠以避免这些接合区域的未处理或处理不足的风险。
应当注意，本发明在其基本原理上适用于线激光处理和激光点处理，或者结合两种模式的处理。当然，可以选择将处理限制在物体表面的一部分(对于这种情况，单个激光器及其光场可能就足够了)，或者在物体的整个表面上进行处理。为此，适应性调整激光器设备的聚焦透镜的光场的数量和范围以及处理设备与待处理的物体之间的相对行进的范围就足够了，使得可以处理相关的整个表面。
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显示了如引言中所述的金属板的表面，通过已知的现有技术的方法，借助已知类型的两个连续激光器设备在金属板表面上进行了虹彩激光处理，随机形成位于彼此延长中的线，在两个设备各自的光场中产生的两条线之间具有重叠区域，目的是降低所述线的重叠区域的可见性；
图2示出了根据本发明的设备的示意图，允许在激光处理设备的光学领域中实施本发明的方法，目的是允许独立于观察角度观察金属板的表面虹彩；
图3示出了通过两个邻近的激光处理设备实施改进图1的情况中所使用的方法的方法而得到的金属板的表面，并且该方法的使用可以与根据本发明的方法的使用相累积。
如上所述，通过用超短脉冲激光器处理获得的虹彩效应与在表面反射光上具有类似于光学网络的行为的周期性结构的表面上的自发形成有关。如前所述，科学界尚未证实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)第7932–7936页)小波的取向主要与照射表面的激光束的偏振有关。因此，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。
对于通过线的激光处理，因此结果是在所述表面的给定线上，在激光束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。
实际上，如果观察是在横向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的结构对准时，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。这可能是最终产品的缺点，因为在处理开始时必须仔细选择小波的取向，以便获得在所需观察条件下具有虹彩效应的产品。此外，最终产品仅沿一个主要观察方向呈现完全彩色。
本发明可以避免这种缺点，因为所使用的设备可以获得在所有观察方向都以相同方式可见虹彩效应的表面。如果共同形成同一条线的两个连续场在这条线上具有相同的偏振，则对这两个场之间的接合区域的双重处理的视觉效应往往比两个场具有不同偏振的情况明显得多，偏振角差优选大于或等于20°且小于或等于90°。此外，具有在两条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。这些现象的组合使得，与在邻近线之间没有这种偏振交替的情况相比，处理过的板的虹彩效应在所有观察方向上显得更加均匀。
在处理是“成线”执行的情况下，将脉冲的中心分开的距离略小于脉冲在快扫描方向上的直径，以确保没有未被脉冲处理的区域，根据本发明的解决方案是交替线，对于该交替线，通过定位在光束的光路上的偏振器或任何其他类型的偏振光学设备的作用，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。
当根据矩阵“通过点”进行处理时，本发明的原理也是有效的。与脉冲冲击相对应的各点具有与其相邻点不同的小波取向。在两个邻近光场中，点是根据彼此延伸的矩阵生成的。
图2示出了单元设备的一部分的常规结构，允许实施本发明的方法，以在给定场上处理不锈钢板的至少一部分。当然，该设备由自动化装置控制，允许板的支承件和激光束的相对运动同步，并根据需要调整激光束的参数和激光束的偏振。
设备首先包括通常已知类型的激光源6，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7的源6，各脉冲的直径例如通常为30μm到40μm的数量级，如前面看到的。通过脉冲注射到不锈钢的表面上的能量将通过实验确定，以便在板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，并且激光束7的频率和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的材料的精确特性来相应地选择。然后由源6产生的激光束7通过光束成形系统8，除了允许调节光束7的形状和尺寸的光束成形系统的常规组件9之外，该光束成形系统可选地根据本发明包括偏振光学元件10，该偏振光学元件使得有可能在光束7上赋予由控制该设备的操作者或者自主化装置选择的偏振。
激光束7接下来通过扫描设备(例如扫描器)11，众所周知，该扫描设备使光束7能够在处理场中沿着直线路径扫描板1的表面。在扫描器11的出口处，同样是传统的，有一个聚焦系统12，例如聚焦透镜，通过该聚焦系统激光束7被聚焦在板1的方向上。
在示出的实施例中，板1由移动支承件13承载，从而允许板相对于产生、偏振和扫描激光束7的设备沿着平面或可选地在三维空间中运动，使得激光束能够沿着所示设备的处理场的新线来加工板1的表面。但是，在对所述新线进行这种处理之前，根据本发明，已将激光束7的光学偏振设备10的设置进行修改，以便在处理先前线时，使激光束7具有不同于其先前偏振的偏振。
使用偏振光学设备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、但不必须在各线变化时以周期交替。偏振图案的周期性不是必需的，如上所述，两条相邻线14、15、16的偏振角不同、优选相差至少20°且不超过90°就足够了。然而，图案的周期性，例如用每三条线14、15、16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彼此邻近的两条线14、15、16必须具有相同的小波取向。
优选地注意前述20°的最小角度差和前述90°最大角度差，给定光场内的一系列随机偏振将是可接受的，特别是如果该设施用于处理相对较窄的板，则仅需要单个场用于该目的，并且对于该场，不会出现位于彼此延伸中的两条线上的偏振同一性问题，并且不会在两个相邻场中产生偏振同一性问题。
处理板1的整个设备通常包括多个单元设备(例如刚刚描述的单元设备)，该多个单元设备面向板1放置且被并置，使得两个并置的单元设备的各自处理场(即扫描器11的聚焦系统12的光场)略微重叠。这种重叠通常是脉冲大小的大约两倍，附加有与激光器的脉冲馈送周期和激光器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板上不存在未处理区域。另外，由这些场中的每一个产生的线必须彼此延续，并且单元设备的设置必须相同，特别是在它们各自的激光束7在时间t的形状、尺寸、功率和偏振角方面，使得处理在具有板1宽度的整条线上是均匀的，并且使得激光束7的偏振角在两条连续线之间的交替在板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。它们还控制板1的支承件13的运动。
当然，移动支承件13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板1与单元处理设备的相对行进。这两种变体可以组合，因为本发明的设备将包括用于板1的移动支承件13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，这两个移动支承件之一可能被致动，或者这两个移动支承件同时被致动。
因此，通过确保线间距比常规处理大M倍，并且通过使线偏移各场实施之间的常规间距，数量M对应于期望赋予小波的不同取向的数量。图3显示了M＝3时所述创建的效应的实施例。
板1在其表面上具有由本发明的两个设备形成的线14、15、16的周期性连续，这允许在两个相邻光场17、18中形成三种所述线14、15、16的这种周期性图案，给定场的线14、15、16位于相邻光场中的线14、15、16的延续中。
图案中的线14、15、16在它们形成时通过偏振设备10施加到激光束7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，示出了表面的放大部分，在产生图案的第一条线14时赋予激光器的偏振导致小波在垂直于板1相对于激光处理设备的相对行进方向7的方向上取向。然后，为了生成图案的第二条线15，激光束7的偏振已经被修改、以在与第一条线14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16，激光束7的偏振已被修改、以便在与第二条线15的小波取向成45°处获得小波取向，因此与第一条线14的小波的取向成90°：因此第三条线16的小波取向为平行于板1相对于激光处理设备的相对运动方向6。
在两个邻近场的接合区域中，更多的能量被注射到板1的表面上，而不是注射到表面的其余部分上，正如在先前描述的现有技术中一样。然而，事实是，在该接合区域中，各光场的相遇的线14、15、16是用激光束7的相同偏振产生的，显然减弱表面的视觉虹彩效应的恶化，如果没有激光束7的受控偏振，则会遇到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14、15、16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14、15、16以相同的偏振彼此成线，但这种对邻近场的线14、15、16的共线的预防措施也需要被采用以实施本现有技术的方法(见图1)，用于此目的的装备可用于本发明的这种变体。仅需要确保与各场相关的设备的激光束7的偏振变化对于场的接合线以相同值来执行。
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方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14、15、16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°与90°之间的至少三个不同的偏振角执行处理，并且优选地两条连续线14、15、16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方向性。
在点处理的情况下，应优选考虑两个相邻点之间的偏振差至少为20°的相同情况。
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，在不同取向上的表面结构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，至少在大多数情况下，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。
在扫描器允许“以点方式”处理的情况下，根据矩阵，可以在线的不同点之间和/或在连续线之间修改小波取向。然而，如果必须通过激光束7的多次通过来注射形成给定点的注射能量，那么仍然重要的是，每个点仅由共享相同偏振的照射的累积来形成。这可以通过改变每个点之间的照射光束的偏振或通过制作M个点阵列来实现，其中M至少等于2，优选至少等于3，每个点具有不同的小波取向，换言之，每个点都被制作为具有激光束7的不同偏振。
可以想到不是通过光学装置(偏振器10)，而是通过机械装置、通过对板1的支承件13和激光扫描器设备的支承件的相对取向进行修改、通常通过使支承件13旋转一个角度来产生小波取向的差异，该角度等于给定线14、15、16的小波相对于先前产生的线14、15、16的小波的取向的期望差异。但这种解决方案并不理想。实际上，小波的精确产生将取决于激光束7可能的偏振不规则性，并且以必要的速度和角度精度旋转支承件13将引起复杂的机械问题，特别是在旨在用于处理重物和大物的工业设施的情况下。偏振器10的使用和控制通常更易于实现。
最后，为了获得最可能均匀的效应，建议在尽可能短的距离内交替取向，优选以周期性方式。在线的情况下，优选周期性地交替每个取向的单条线，该线宽度等于或优选略小于脉冲的直径(以确保板的整个表面的处理)。在点处理的情况下，优选在正方形或矩形图案上周期性地交替取向，该图案包含的点的数量等于激光束7偏振的可能不同取向的数量。
当然，将该方法应用于宽度相对较小的板将仅需要一个扫描器来执行将该板的整个表面结构化为周期性图案中的不同偏振的线，这仍然在本发明的精神内。本发明的主要优点是虹彩效应的强度不取决于观察板的角度。如果只想处理这类窄的板，那么可以用仅包括一个根据图2的设备的设施来这样做。
在同一设施上，也可以加工相对较小宽度(该宽度小于或等于根据图2的设备的处理场的宽度)和较大宽度的板，这需要并置几个根据图2的设备，每个设备作用在单个处理场上。为此，在处理窄的板时仅启动这些设备中的一个就足够了。本发明的方法可以用于多种板宽度，并且对于每个场单独采用相同的设置，这使得可以获得与所述宽度无关的相同效应的板，并且因此使制造商可能希望生产的各种宽度的产品范围的效应均匀化。
通过在处理设备中包括测量聚焦系统12与板1之间的距离的装置，并且通过将这些装置与控制聚焦系统12的装置耦合，可以处理不具有完美平面性的板1，使聚焦系统可以保证脉冲的直径和激光束的能量密度基本相同，而与聚焦系统12与板1之间的有效距离无关。如果聚焦系统和金属板1表面之间的距离可以通过适当的机械装置实时调整，那么该距离也是可以受影响的参数。
通过相应地适应性调整用于激光器和待处理的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(例如用于通常包括三维表面的成形板、棒、管、部件)之外的材料。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器设备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 (16)

1.一种用于在部件(1)的表面上产生虹彩视觉效应的方法，由此在设备的聚焦系统(12)的光场中，将具有小于一纳秒的脉冲持续时间的激光束(7)发送到所述表面上，所述设备包括激光源(6)、扫描器(11)和所述聚焦系统(12)，以便在所述脉冲的宽度上将具有相同取向的小波形式的结构施用到所述表面，且所述扫描器(11)通过所述表面和发射所述激光束的设备的相对行进、利用所述激光辐射(7)沿着一系列连续线(14、15、16)或点的矩阵扫描所述表面，每条线(14、15、16)的宽度或每个矩阵的每个点的尺寸等于所述脉冲的直径，其特征在于，在沿着两条连续线(14、15、16)或两个相邻点进行扫描之间，所述激光束(7)的偏振被修改，以便在两条连续线(14、15、16)或两个相邻点上产生不同取向的小波。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光束(7)的偏振根据周期性图案来修改，所述周期性图案在M条连续线上延伸，M至少等于2，优选至少等于3。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，两条连续线(14、15、16)或两个相邻点具有相差至少20°且至多90°的偏振角。
4.根据权利要求1至3中一项所述的方法，其特征在于，在第一设备的所述聚焦系统(12)的所述光场中，将具有小于一纳秒的脉冲持续时间的激光束(7)发送到所述表面上，所述第一设备包括激光源(6)、扫描器(11)和所述聚焦系统(12)；在至少一个第二设备的所述聚焦系统(12)的所述光场中，将具有小于一纳秒的脉冲持续时间的激光束(7)发送到所述表面上，所述至少一个第二设备包括激光源(6)、扫描器(11)和所述聚焦系统(12)，位于彼此延伸中的两条线(14，15，16)的偏振或属于两个相邻场的两个相邻点的偏振是相同的。
5.根据权利要求1至4中一项所述的方法，其特征在于，所述部件的所述表面和发射所述激光束的所述设备的所述相对行进是通过将所述部件放置在移动支承件上进行的。
6.根据权利要求1至5中一项所述的方法，其特征在于，所述部件的所述表面和发射所述激光束的所述设备的所述相对行进是通过将发射所述激光束的所述设备放置在移动支承件上进行的。
7.根据权利要求1至6中一项所述的方法，其特征在于，所述部件是板材金属的。
8.根据权利要求1至7中一项所述的方法，其特征在于，所述部件的所述表面是三维的。
9.根据权利要求1至8中一项所述的方法，其特征在于，所述部件是不锈钢的。
10.一种用于通过激光束的脉冲在部件(1)的表面上形成小波而向所述表面赋予虹彩效应的单元设备，所述单元设备包括产生脉冲持续时间小于1ns的激光束(7)的激光源(6)、使所述光束(7)成形的光学系统(8)、扫描器(11)、以及用于在所述设备与所述部件(1)之间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进行处理的装置，所述扫描器(11)能够使所述光束(7)的脉冲在通过聚焦系统(12)后以线或点的矩阵的形式扫描所述部件(1)的所述表面上的光场，其特征在于，所述光学系统(8)包括在所述光束(7)上赋予确定的偏振的光学偏振系统(10)，以及用于改变该偏振的装置，使得在所述表面上，两条线或者两个连续点由不同偏振的脉冲产生。
11.根据权利要求10所述的单元设备，其特征在于，所述设备允许利用偏振相差至少20°且至多90°的脉冲形成两个连续点。
12.根据权利要求10或11所述的单元设备，其特征在于，所述单元设备包括用于测量所述聚焦系统(12)与连接到用于控制所述聚焦系统(12)的装置的所述部件(1)的所述表面之间的距离、和/或所述聚焦系统(12)与所述部件(1)的所述表面之间的距离的装置，以便在所述表面上保持恒定的脉冲直径和能量密度，而与所述距离无关。
13.一种用于通过激光束脉冲在部件(1)的表面上形成小波而在所述表面上赋予虹彩效应的设备，其特征在于，所述设备包括至少两个根据权利要求10或11所述的单元设备，所述单元设备的聚焦系统的光场重叠。
14.根据权利要求10至13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部件(1)的移动支承件(13)。
15.根据权利要求10至14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(13)。
16.一种由材料制成的部件(1)，所述材料的表面通过激光处理具有虹彩效应，所述处理在所述部件(1)的所述表面上具有形成的小波，其特征在于，所述小波具有在所述部件(1)的所述表面上分布、优选地以周期性图案分布的至少两个取向，优选地至少三个取向。
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