CN114178686A - 飞秒激光加工的双重二氧化钛纳米光栅防伪结构及其应用 - Google Patents

Abstract

本申请属于光学防伪领域和飞秒激光加工技术领域，具体而言，涉及一种飞秒激光加工的双重二氧化钛纳米光栅防伪结构及其应用。本申请利用飞秒激光作用下金属钛的局部氧化得到二氧化钛纳米凸起，利用凸起对后续飞秒激光脉冲光场的重整作用，实现飞秒激光纳米级直写。依赖二氧化钛结构对后续光场的局域化效应，设定纳米级扫描间隙，即可突破光的衍射极限的纳米光栅加工。利用二氧化钛结构对后续光场的局域化效应，调节激光偏振方向和扫描方向旋转90度，在已经加工好的光栅结构上叠加新的光栅结构。利用双重光栅结构对光散射的角度各向异性，在暗场光学显微镜下，用不同方向的光照射所加工防伪结构表面，实现防伪效果。

Description

飞秒激光加工的双重二氧化钛纳米光栅防伪结构及其应用

技术领域

本申请属于光学防伪领域和飞秒激光加工技术领域，具体而言，涉及一种飞秒激光加工的双重二氧化钛纳米光栅防伪结构及其应用。

背景技术

随着社会经济的高速发展，假冒、伪造日益猖獗，防伪技术的应用成为了打击假冒伪造的关键。由大量平行等宽、等距狭缝(刻线)组成的光栅结构在不同的观察角度下会呈现出不同的颜色，易于被公众识别，且无法利用照相机、扫描仪、打印机等电子设备模仿或复制，因此光栅结构具有防伪功能，光栅防伪技术已被广泛用于钞票等有价证券和各类高价值商品的公众防伪。

上述光栅防伪结构的加工通常包括模板制作和纳米压印两步。光栅图案采用干涉光刻、离子/电子束光刻、数控加工(CNC)等方法被加工到模板上，进一步通过纳米压印将母版上的结构复制到待加工材料上，从而实现防伪结构的大规模制造，但上述加工方法的灵活性和材料适用性有限，不适合于少量定制化的防伪结构加工。

发明内容

有鉴于此，针对已有技术中，随着光栅防伪技术的广泛使用和仿造技术的提高，现有的光栅防伪技术已经越来越难以满足防伪需求，科技含量更高的光栅防伪技术越来越重要。本公开的目的是提出飞秒激光加工的双重二氧化钛纳米光栅防伪结构及其应用，以解决相关技术中的技术问题。

根据本公开的第一方面，提出飞秒激光加工的双重二氧化钛纳米光栅防伪结构，包括：

基材；

第一重二氧化钛纳米光栅防伪结构，通过将线偏振飞秒激光聚焦到所述基材表面进行扫描加工而形成；

第二重二氧化钛纳米光栅防伪结构，通过将线偏振飞秒激光聚焦到所述基材或所述第一重二氧化钛纳米光栅防伪结构表面进行扫描加工而形成。

本公开的一些实施例中，所述基材为金属钛板。

本公开的一些实施例中，所述第一重二氧化钛纳米光栅防伪结构和第二重二氧化钛纳米光栅防伪结构分别为任意图案，图案尺寸为L×H，其中50μm≤L≤1000μm，50μm≤H≤1000μm。

本公开的一些实施例中，所述图案由二氧化钛纳米光栅组成，光栅周期Λ为400nm～800nm，组成光栅的线为凸起的二氧化钛纳米结构，第一重二氧化钛纳米光栅与第二重二氧化钛纳米光栅相互垂直。

本公开的一些实施例中，所述凸起的二氧化钛纳米结构的宽度l为300～350nm，高度h为100～200nm。

根据本公开的第二方面，提出双重二氧化钛纳米光栅防伪结构的加工方法，包括：

(1)将线偏振飞秒激光通过聚焦镜聚焦到所述基材表面；

(2)按照第一重二氧化钛纳米光栅防伪结构，控制激光聚焦光斑在所述基材表面进行扫描加工，扫描方向与激光偏振方向平行，扫描间隙Δ与纳米光栅周期Λ相同，扫描速度为0.1mm/s～10mm/s，得到第一重二氧化钛纳米光栅防伪结构；

(3)调节激光偏振方向和扫描方向旋转90度，在同一加工区域控制激光聚焦光斑按照第二重二氧化钛纳米光栅防伪结构进行扫描加工，扫描间隙Δ与纳米光栅周期Λ相同，扫描速度为0.1mm/s～10mm/s，获得叠加在第一重二氧化钛纳米光栅防伪结构上的第二重二氧化钛纳米光栅防伪结构。

本公开的一些实施例中，所述线偏振飞秒激光的波长为800nm～1064nm。

本公开的一些实施例中，所述线偏振飞秒激光的脉冲能量通量为0.25～0.5J/cm²、重复频率为25kHz～80MHz。

本公开的一些实施例中，所述线偏振飞秒激光的脉冲宽度为50fs～350fs。

根据本公开的第三方面，提出飞秒激光加工的双重二氧化钛纳米光栅防伪结构，将所述防伪结构用于物品防伪，包括：

(1)将所述双重二氧化钛纳米光栅防伪结构贴在物品表面，作为防伪标签；

(2)采用光学显微镜进行观察，在暗场模式观测防伪标签，当采用普通多向照明光照明时，若看到第一重二氧化钛纳米光栅防伪结构的图案与第二重二氧化钛纳米光栅防伪结构的图案相互叠加，则进行步骤(3)，若看不到第一重二氧化钛纳米光栅防伪结构的图案与第二重二氧化钛纳米光栅防伪结构的图案相互叠加，则判定该物品的防伪标签为假，即该物品为假；

(3)采用与第一重或第二重二氧化钛纳米光栅方向垂直的单向照明光照明，若看到第一重或第二重二氧化钛纳米光栅防伪结构的图案，则进行步骤(4)，若看不到第一重或第二重二氧化钛纳米光栅防伪结构的图案，则判定该物品的防伪标签为假，即该物品为假；

(4)将步骤3中的单向照明光方向旋转90°，若看到相应的另一重二氧化钛纳米光栅防伪结构，则判定该物品的防伪标签为真，即该物品为真，若看不到相应的另一重二氧化钛纳米光栅防伪结构，则判定该物品的防伪标签为假，即该物品为假。

本公开提出的一种飞秒激光加工的双重二氧化钛纳米光栅防伪结构及其应用，利用飞秒激光作用下金属钛的局部氧化得到二氧化钛纳米凸起，进一步利用二氧化钛纳米凸起对后续飞秒激光脉冲的重整作用实现基于结构反馈的飞秒激光纳米级直写，所形成的纳米结构的方向与激光偏振方向平行。进一步依赖于已生成二氧化钛结构对后续光场的局域化效应，设定纳米级的扫描间隙，即可实现突破光的衍射极限的纳米光栅防伪结构加工。再次利用已生成二氧化钛纳米结构对后续光场的局域化效应，同时调节激光偏振方向和扫描方向旋转90度，可以在不破坏原有结构的前提下在已经加工好的光栅结构上叠加新的光栅防伪结构，从而在金属钛表面获得双重二氧化钛纳米光栅防伪结构。由于二氧化钛纳米光栅对光的散射强度具有角度各向异性，在暗场光学显微镜下，用不同方向的光照射所加工防伪结构表面，可以分别观察到第一重二氧化钛纳米光栅防伪结构和第二重二氧化钛纳米光栅防伪结构，进而实现一种整体尺寸为微米级，可叠加双重防伪图案的防伪方式。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1和图2分别是本公开一个实施例中飞秒激光加工的双重二氧化钛纳米光栅防伪结构示意图和截面图。

图1和图2中，1是基材，2是第一重二氧化钛纳米光栅防伪结构，3是第二重二氧化钛纳米光栅防伪结构，H是防伪结构宽度，L是防伪结构长度，Λ是纳米光栅周期，l是单个二氧化钛纳米结构的宽度，h是单个二氧化钛纳米结构的高度。

图3和图4分别是本公开一个实施例中，第一重二氧化钛纳米光栅防伪结构和第二重二氧化钛纳米光栅防伪结构的飞秒激光加工过程示意图。

图3和图4中，4是飞秒激光光束，5是聚焦镜，6是聚焦光斑，Δ是聚焦光斑扫描间隙。

图5是本公开一个实施例中加工的双重二氧化钛纳米光栅防伪结构图案在常规条件下观测到的结果示意图。

图6是本公开一个实施例中判别真伪时解密第一重二氧化钛纳米光栅防伪结构示意图。

图7是本公开一个实施例中判别真伪时解密第二重二氧化钛纳米光栅防伪结构示意图。

具体实施方式

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显然，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

本公开的一个实施例提出了一种飞秒激光加工的双重二氧化钛纳米光栅防伪结构的示意图如图1和图2所示，该结构包括：

(1)基材1，该基材为表面抛光的金属钛板。

(2)第一重二氧化钛纳米光栅防伪结构2，通过将线偏振飞秒激光聚焦到所述基材1表面进行扫描加工而形成。该结构可以是任意图案，图案尺寸为L×H，其中50μm≤L≤1000μm，50μm≤H≤1000μm。图案由周期Λ为400nm～800nm的二氧化钛纳米光栅组成，组成光栅的线为凸起的二氧化钛纳米结构，所述凸起的二氧化钛纳米结构的宽度l为300～350nm，高度h为100～200nm。

(3)第二重二氧化钛纳米光栅防伪结构3，通过将线偏振飞秒激光4聚焦到所述基材1或所述第一重二氧化钛纳米光栅防伪结构2表面进行扫描加工而形成。该结构为不同于第一重二氧化钛纳米光栅防伪结构2的微米级图案，图案所在位置及尺寸与第一重二氧化钛纳米光栅防伪结构2相同。图案由周期Λ为400nm～800nm的二氧化钛纳米光栅组成。组成第二重二氧化钛纳米光栅3的线与组成第一重二氧化钛纳米光栅防伪结构2的线夹角为90度。

飞秒激光是一种具有广泛应用前景的微纳加工方法，几乎可以对所有材料表面直接进行高精度的加工，为光栅防伪技术提供了一种新的技术手段。利用飞秒激光直接烧蚀加工技术可以得到光栅结构，但由于光的衍射极限而使得两条相邻线容易发生重叠，因而无法用于纳米光栅的加工。本发明提出的方法依赖于已生成二氧化钛纳米结构对后续光场的局域化效应实现了光栅周期小于激光衍射极限的二氧化钛纳米光栅加工。

本公开的一个实施例中，提出了双重二氧化钛纳米光栅防伪结构的飞秒激光加工方法包括以下步骤：

(1)将波长为800nm～1064nm、脉冲能量通量为0.25～0.5J/cm²、重复频率为25kHz～80MHz、脉冲宽度为50fs～350fs的线偏振飞秒激光4通过聚焦镜5聚焦到基材1表面。

(2)控制激光聚焦光斑6按照第一重二氧化钛纳米光栅防伪结构2进行扫描加工，扫描方向与激光偏振方向平行，扫描间隙Δ与纳米光栅周期Λ相同，扫描速度为0.1mm/s～10mm/s，得到第一重二氧化钛纳米光栅防伪结构2。

(3)同时调节激光偏振方向和扫描方向旋转90度，在相同的加工区域内控制激光聚焦光斑6按照第二重二氧化钛纳米光栅防伪结构3进行扫描加工，扫描间隙Δ与纳米光栅周期Λ相同，扫描速度为0.1mm/s～10mm/s，获得叠加在第一重二氧化钛纳米光栅防伪结构2上的第二重二氧化钛纳米光栅防伪结构3。

本发明提出的一种双重二氧化钛纳米光栅防伪结构的防伪应用包括以下步骤：

(1)将上述飞秒激光加工的双重二氧化钛纳米光栅防伪结构贴在物品表面，作为防伪标签；

(2)采用光学显微镜进行观察，在暗场模式观测防伪标签，如图5所示，当采用普通多向照明光照明时，若看到第一重二氧化钛纳米光栅防伪结构2的图案与第二重二氧化钛纳米光栅防伪结构3的图案相互叠加，则进行步骤(3)，若看不到第一重二氧化钛纳米光栅防伪结构2的图案与第二重二氧化钛纳米光栅防伪结构3的图案相互叠加，则判定该物品的防伪标签为假，即该物品为假；

(3)如图6或图7所示，采用与第一重2或第二重二氧化钛纳米光栅结构3方向垂直的单向照明光照明，若看到第一重2或第二重二氧化钛纳米光栅防伪结构3的图案，则进行步骤(4)，若看不到第一重2或第二重二氧化钛纳米光栅防伪结构3的图案，则判定该物品的防伪标签为假，即该物品为假；

(4)如图7或图6所示，将步骤3中的单向照明光方向旋转90°，若看到相应的另一重二氧化钛纳米光栅防伪结构，则判定该物品的防伪标签为真，即该物品为真，若看不到相应的另一重二氧化钛纳米光栅防伪结构，则判定该物品的防伪标签为假，即该物品为假。

本公开实施例提出的一种飞秒激光加工的双重二氧化钛纳米光栅防伪结构及其应用，利用飞秒激光微纳加工优势，本发明提出的双重二氧化钛纳米光栅防伪结构整体尺寸最小可以达到50μm×50μm。本发明的双重二氧化钛纳米光栅防伪结构需要在单向照明的暗场光学显微镜下才能分别辨识，防伪性能好，防伪结构的复制难度大。

下面对本公开的具体实施案例进行详细描述。所有的实施案例均是示例性的，旨在解释本公开，而不能理解为对本公开的限制。

实施例1

设计如图1所示的金属钛板基材1上的双重二氧化钛纳米光栅防伪结构，该结构包括：

(1)由竖直线组成的第一重二氧化钛纳米光栅防伪结构2，第一重二氧化钛纳米光栅防伪结构2的图案整体尺寸为L×H＝100μm×100μm，组成图案的二氧化钛纳米光栅周期Λ为600nm，组成光栅的线为凸起的二氧化钛纳米结构，其宽度l为340nm，高度h为150nm，其截面特征如图2所示。

(2)由水平线组成的第二重二氧化钛纳米光栅防伪结构3，第二重二氧化钛纳米光栅防伪结构3的图案所在位置、尺寸与第一重二氧化钛纳米光栅防伪结构2相同，图案由周期Λ为600nm的二氧化钛纳米光栅组成。

利用飞秒激光加工所设计的双重二氧化钛纳米光栅防伪结构，包括以下步骤：

(1)如图3所示，将波长为800nm、脉冲能量通量为0.4J/cm²、重复频率为80MHz、脉冲宽度为50fs的线偏振飞秒激光4通过聚焦镜5聚焦到基材1表面。

(2)控制激光聚焦光斑6按照第一重二氧化钛纳米光栅防伪2结构进行扫描加工，扫描方向与激光偏振方向平行，扫描间隙Δ与纳米光栅周期Λ相同，扫描速度为1mm/s，得到第一重二氧化钛纳米光栅防伪结构2。

(3)如图4所示，同时调节激光偏振方向和扫描方向旋转90度，在相同的加工区域控制激光聚焦光斑按照第二重二氧化钛纳米光栅防伪结构3进行扫描加工，扫描间隙Δ与纳米光栅周期Λ相同，扫描速度为1mm/s，获得叠加在第一重二氧化钛纳米光栅防伪结构2上的第二重二氧化钛纳米光栅防伪结构3，从而获得双重二氧化钛纳米光栅防伪结构。

将所加工的双重二氧化钛纳米光栅防伪结构应用于物品防伪，包括以下步骤：

(1)将上述飞秒激光加工的双重二氧化钛纳米光栅防伪结构贴在物品表面，作为防伪标签；

(2)采用光学显微镜进行观察，在暗场模式观测防伪标签。如图5所示，当采用普通多向照明光照明时，若看到第一重二氧化钛纳米光栅防伪结构2的图案与第二重二氧化钛纳米光栅防伪结构3的图案相互叠加，则进行步骤(3)，若看不到第一重二氧化钛纳米光栅防伪结构2的图案与第二重二氧化钛纳米光栅防伪结构3的图案相互叠加，则判定该物品的防伪标签为假，即该物品为假；

(3)如图6所示，采用与第一重二氧化钛纳米光栅防伪结构2方向垂直的单向照明光照明，若看到第一重二氧化钛纳米光栅防伪结构2的图案，则进行步骤(4)，若看不到第一重二氧化钛纳米光栅防伪结构2的图案，则判定该物品的防伪标签为假，即该物品为假；

(4)如图7所示，将步骤3中的单向照明光方向旋转90°，若看到第二重二氧化钛纳米光栅防伪结构3，则判定该物品的防伪标签为真，即该物品为真，若看不到第二重二氧化钛纳米光栅防伪结构3，则判定该物品的防伪标签为假，即该物品为假。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种飞秒激光加工的双重二氧化钛纳米光栅防伪结构，其特征在于，包括：

基材；

第一重二氧化钛纳米光栅防伪结构，通过将线偏振飞秒激光聚焦到所述基材表面进行扫描加工而形成；

第二重二氧化钛纳米光栅防伪结构，通过将线偏振飞秒激光聚焦到所述基材或所述第一重二氧化钛纳米光栅防伪结构表面进行扫描加工而形成。

2.根据权利要求1所述的双重二氧化钛纳米光栅防伪结构，其特征在于，所述基材为金属钛板。

3.根据权利要求1所述的双重二氧化钛纳米光栅防伪结构，其特征在于，所述第一重二氧化钛纳米光栅防伪结构和第二重二氧化钛纳米光栅防伪结构分别为任意图案，图案尺寸为L×H，其中50μm≤L≤1000μm，50μm≤H≤1000μm。

4.根据权利要求3所述的双重二氧化钛纳米光栅防伪结构，其特征在于，所述图案由二氧化钛纳米光栅组成，光栅周期Λ为400nm～800nm，组成光栅的线为凸起的二氧化钛纳米结构，第一重二氧化钛纳米光栅与第二重二氧化钛纳米光栅相互垂直。

5.根据权利要求3或4所述的双重二氧化钛纳米光栅防伪结构，其特征在于，所述凸起的二氧化钛纳米结构的宽度l为300～350nm，高度h为100～200nm。

6.一种根据权利要求1的双重二氧化钛纳米光栅防伪结构的加工方法，其特征在于，包括：

将线偏振飞秒激光通过聚焦镜聚焦到所述基材表面；

按照第一重二氧化钛纳米光栅防伪结构，控制激光聚焦光斑在所述基材表面进行扫描加工，扫描方向与激光偏振方向平行，扫描间隙Δ与纳米光栅周期Λ相同，扫描速度为0.1mm/s～10mm/s，得到第一重二氧化钛纳米光栅防伪结构；

调节激光偏振方向和扫描方向旋转90度，在同一加工区域控制激光聚焦光斑按照第二重二氧化钛纳米光栅防伪结构进行扫描加工，扫描间隙Δ与纳米光栅周期Λ相同，扫描速度为0.1mm/s～10mm/s，获得叠加在第一重二氧化钛纳米光栅防伪结构上的第二重二氧化钛纳米光栅防伪结构。

7.根据权利要求6的双重二氧化钛纳米光栅防伪结构的加工方法，其特征在于，所述线偏振飞秒激光的波长为800nm～1064nm。

8.根据权利要求6的双重二氧化钛纳米光栅防伪结构的加工方法，其特征在于，所述线偏振飞秒激光的脉冲能量通量为0.25～0.5J/cm²、重复频率为25kHz～80MHz。

9.根据权利要求6的防伪结构加工方法，其特征在于，所述线偏振飞秒激光的脉冲宽度为50fs～350fs。

10.一种根据权利要求6的双重二氧化钛纳米光栅防伪结构的加工方法加工得到的双重二氧化钛纳米光栅防伪结构的应用，其特征在于，将防伪结构用于物品防伪，包括：

(1)将所述双重二氧化钛纳米光栅防伪结构贴在物品表面，作为防伪标签；

(2)采用光学显微镜进行观察，在暗场模式观测防伪标签，当采用普通多向照明光照明时，若看到第一重二氧化钛纳米光栅防伪结构的图案与第二重二氧化钛纳米光栅防伪结构的图案相互叠加，则进行步骤(3)，若看不到第一重二氧化钛纳米光栅防伪结构的图案与第二重二氧化钛纳米光栅防伪结构的图案相互叠加，则判定该物品的防伪标签为假，即该物品为假；

(3)采用与第一重或第二重二氧化钛纳米光栅方向垂直的单向照明光照明，若看到第一重或第二重二氧化钛纳米光栅防伪结构的图案，则进行步骤(4)，若看不到第一重或第二重二氧化钛纳米光栅防伪结构的图案，则判定该物品的防伪标签为假，即该物品为假；

(4)将步骤3中的单向照明光方向旋转90°，若看到相应的另一重二氧化钛纳米光栅防伪结构，则判定该物品的防伪标签为真，即该物品为真，若看不到相应的另一重二氧化钛纳米光栅防伪结构，则判定该物品的防伪标签为假，即该物品为假。

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