DD237972A3 - METHOD FOR REGISTERING INFORMATION INTO THE VOLUME OF HOMOGENEOUS PLASTIC MATERIALS USING THEIR LASER RADIATION - Google Patents

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Willy Kramer
Rolf Mueller
Erich Sauer
Ernst Heumann
Juergen Kleinschmidt
Klaus Vogler
Wolfgang Zschocke
Klaus Ruehle
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Univ Schiller Jena
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Abstract

Das Verfahren zum Einschreiben von Informationen in das Volumen von homogenen Plastmaterialien mittels gefuehrtem Laserstrahl ist insbesondere dort anwendbar, wo Zeichen, Symbole, Skalen oder beliebige andere Strukturen in das Innere von schwach absorbierenden Plastmaterialien eingebracht werden sollen, ohne dass die Oberflaeche des Materials auf irgend eine Weise beeinflusst wird. Die Strukturen sind damit vor Beschaedigungen, Veraenderungen oder Verfaelschungen gesichert. Die Aufgabe, Moeglichkeiten und Anwendungsbereich der Kennzeichnung von Materialien mittels Laserstrahlung zu erweitern, wird erfindungsgemaess dadurch geloest, dass die Energie der Strahlung eines gefuehrten guetegeschalteten kontinuierlichen Lasers nach Ueberschreiten einer empirisch ermittelten materialspezifischen Intensitaetsschwelle durch Fokussierung mittels eines optischen Systems in die zu kennzeichnenden Bereiche des Materialvolumens derart deponiert wird, dass durch Abstimmung der Parameter Laserleistung und Brennweite der Fokussieroptik eine Ueberschreitung der Intensitaetsschwelle in anderen als den zu kennzeichnenden Volumenbereichen vermieden wird. Die Strahlung kann in unterschiedliche Tiefen des Materials fokussiert werden, bei Bewegung der Strahtaille in drei Koordinaten koennen im Material dreidimensionale Strukturen erzeugt werden.The method of writing information into the volume of homogeneous plastic materials by means of a guided laser beam is particularly applicable where characters, symbols, scales or any other structures are to be introduced into the interior of weakly absorbing plastic materials, without the surface of the material on any Way is influenced. The structures are thus protected against damage, changes or distortions. The task of expanding the possibilities and scope of the marking of materials by means of laser radiation is achieved according to the invention in that the energy of the radiation of a guided switched continuous laser after exceeding an empirically determined material-specific intensity threshold by focusing by means of an optical system in the regions of the material volume to be characterized is deposited such that by tuning the parameters laser power and focal length of the focusing optics, an excess of the intensity threshold is avoided in other than the volume areas to be marked. The radiation can be focused into different depths of the material, with movement of the radiation waist in three coordinates three-dimensional structures can be generated in the material.

Description

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum irreversiblen Einschreiben von Informationen in das Volumen an sich transparenter homogener Plastmaterialien, auch solcher, die beim Herstellungsprozeß mit Farbstoffen versehen wurden, derart, daß das fertige Plastmaterial die Laserstrahlung schwach absorbiert.The invention relates to a method for irreversible writing of information in the volume of transparent homogeneous plastic materials, including those which were provided with dyes in the manufacturing process, such that the finished plastic material weakly absorbs the laser radiation.

Das Verfahren kann insbesondere zum Einschreiben von Zeichen, Symbolen, Skalen und anderen Strukturen in das Volumen des Materials verwendet werden, wobei die Oberfläche des Materials völlig unbeeinflußt bleibt.The method can be used in particular for writing characters, symbols, scales and other structures into the volume of the material, the surface of the material remaining completely unaffected.

Die Erfindung kann demgemäß überall dort angewendet werden, wo Informationen fälschungssicher und vor Beschädigungen geschützt sein sollen. Weiterhin umfaßt das Anwendungsgebiet die analoge oder digitale Speicherung von Informationen, die eine optische Abtastung ermöglichen (z.B. Ton-oder Bildträger) und ebenfalls weitgehend gegen mechanische Beschädigungen der Oberfläche unempfindlich sind.Accordingly, the invention can be used wherever information is to be protected against forgery and from damage. Furthermore, the field of application encompasses the analogue or digital storage of information that enables optical scanning (e.g., audio or video) and is also largely insensitive to mechanical damage to the surface.

Die Erfindung ist auch anwendbar bei der Herstellung von modischen, mit unterschiedlichen Dessins versehenen Artikeln.The invention is also applicable to the production of fashionable articles provided with different designs.

Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharacteristic of the known technical solutions

Bisher sind zum Einspeichern von Informationen in das Volumen lichtempfindlicher Materialien im wesentlichen holografische Verfahren bekanntgeworden.Heretofore, for the purpose of storing information into the volume of photosensitive materials, holographic methods have become known.

Dabei werden die durch Überlagerung kohärenter Wellen, die zum Beispiel durch einen Laser erzeugt werden, entstehenden Interferenzmuster in das Volumen solcher Materialien eingeschrieben. Durch erneute Bestrahlung des Volumenhologramms mit kohärentem Licht wird ein optisches Bild des ursprünglichen Objektes erzeugt. Diese bekannten technischen Lösungen sind zum Vergleich mit dem erfindungsgemäßen nicht geeignet, sie sind auch nicht geeignet, die neue technische Lehre nahezulegen.In this case, the interference patterns resulting from the superposition of coherent waves, which are generated for example by a laser, are written into the volume of such materials. By re-irradiating the volume hologram with coherent light, an optical image of the original object is generated. These known technical solutions are not suitable for comparison with the invention, they are also not suitable to suggest the new technical teaching.

Bekannt sind weiterhin Verfahren, bei denen Mehrschichtplastwerkstoffe zum Einschreiben von Informationen unter die äußere Oberfläche verwendet werden. Dabei ist die äußere Schicht für die Laserstrahlung völlig transparent, während eine darunter liegende Schicht die Laserstrahlung an ihrer Oberfläche völlig absorbiert. Diese absorbierende Schicht erfährt dabei eine sichtbare und bleibende Veränderung (Verfärbung, Verbrennung) (DE-OS 3048735).Also known are methods in which multi-layer plastic materials are used for writing information under the outer surface. In this case, the outer layer for the laser radiation is completely transparent, while an underlying layer completely absorbs the laser radiation on its surface. This absorbing layer undergoes a visible and lasting change (discoloration, combustion) (DE-OS 3048735).

Außerdem ist ein Verfahren zum Einbringen von Dekorationen in völlig transparentes Plexiglas mittels Laserstrahlung bekannt (GB 1523548). Bei diesem Verfahren wird die Strahlung eines nicht gütegeschalteten Einzelimpulslasers in das Volumen des Plexiglases fokussiert. Unter Ausnutzung der im Material vorhandenen inneren Spannungen, die beim Herstellungsprozeß unvermeidlich sind, führt diese Beeinflussung zu dekorativen Strukturen, die hinsichtlich ihrer Form und Größe allerdings nur statistischen Zufälligkeiten unterliegen. Eine Herstellung vorgegebener Dekorationen ist mit diesem Verfahren also nicht möglich.In addition, a method for introducing decorations in completely transparent plexiglass by means of laser radiation is known (GB 1523548). In this method, the radiation of a non-Q-switched single-pulse laser is focused in the volume of the plexiglass. Taking advantage of the internal stresses present in the material, which are unavoidable in the manufacturing process, this influence leads to decorative structures, which, however, are only subject to statistical randomness in terms of their shape and size. A production of predetermined decorations is therefore not possible with this method.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Die Erfindung verfolgt das Ziel, Informationen (Schriftzeichen, Symbole, Skalen, Muster usw.) derart in das Volumen von homogenen Plastmaterialien einzuschreiben, daß Beschädigungen der Oberfläche die eingeschriebenen Informationen nicht gelöscht werden können.The invention aims to write information (characters, symbols, scales, patterns, etc.) into the volume of homogeneous plastic materials in such a way that damage to the surface of the written information can not be erased.

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Möglichkeiten und den Anwendungsbereich der Kennzeichnung von Materialien mittels Laserstrahlung derart zu erweitern, daß in das Volumen homogener Plastmaterialien scharf begrenzte Zeichen, Symbole usw. dauerhaft eingeschrieben werden können.The invention has for its object to extend the possibilities and scope of the marking of materials by means of laser radiation such that in the volume of homogeneous plastic materials sharply defined characters, symbols, etc. can be permanently inscribed.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt mit einem Verfahren zum irreversiblen Einbringen von nicht veränderbaren Informationen in das Volumen von homogenen Plastmaterialien erfindungsgemäß dadurch, daß die Energie der Strahlung eines geführten gütegeschalteten kontinuierlichen Lasers nach Überschreiten einer empirisch ermittelten materialspezifischen Intensitätsschwelle durch Fokussierung mittels eines optischen Systems in die zu kennzeichnenden Bereiche des Materialvolumens derart deponiert wird, daß durch Abstimmung der Parameter Laserleistung und Brennweite der Fokussieroptik eine Überschreitung der Intensitätsschwelle in anderen als den zu kennzeichnenden Volumenbereichen vermieden wird.The solution of this object is achieved with a method for irreversible introduction of unchangeable information in the volume of homogeneous plastic materials according to the invention that the energy of the radiation of a guided Q-switched continuous laser after exceeding an empirically determined material-specific intensity threshold by focusing by means of an optical system in the identifying areas of the material volume is deposited so that by exceeding the parameters laser power and focal length of the focusing optics exceeding the intensity threshold is avoided in other than the characterizing volume areas.

Die Herstellung von hinsichtlich ihrer Gestalt, Größe und Lage in der Tiefe des Volumens unterschiedlichen Strukturen kann durch Variation der Parameter beeinflußt werden.The production of different structures in terms of their shape, size and position in the depth of the volume can be influenced by varying the parameters.

Zum Beispiel kann bei einer gegenüber der Materialdicke kleinen Taillenlänge der Fokussieroptik die Strahlung in beliebige Tiefen des Materialvolumens ohne Beeinflussung der beiden Materialoberflächen fokussiert werden. Dagegen muß zur Erreichung bezüglich ihrer Tiefe ausgedehnter Strukturen im Material eine Fokussieroptik mit einer dieser Tiefe vergleichbaren Taillenlänge eingesetzt werden.For example, with a small waist length of the focusing optics, which is small relative to the material thickness, the radiation can be focused into any depths of the material volume without influencing the two material surfaces. In contrast, in order to achieve their depth of extensive structures in the material a focusing optics must be used with a depth comparable to this depth.

Zur Herstellung dreidimensionaler Strukturen im Materialvolumen muß die Lage der Strahltaille in drei Koordinaten kontinuierlich verändert werden.To produce three-dimensional structures in the material volume, the position of the beam waist must be continuously changed in three coordinates.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, daß oberhalb einer materialspezifischen Intensitätsschwelle der verwendeten Laserstrahlung überraschenderweise scharf begrenzte irreversible Veränderungen im Material auftreten, die sich kontrastreich von ihrer unbeeinflußten Umgebung im Inneren des homogenen Materials abheben. Von Bedeutung ist dabei die Beachtung und Wahl der Parameter Laserleistung und Brennweite der Fokussieroptik. Die Wahl muß so erfolgen, daß die Schwellintensität im Material allein im Fokusvolumen überschritten wird, d. h. bei kurzbrennweitiger Fokussierung (sehr kleines Fokusvolumen, Fokusdurchmesser, Divergenz der Laserstrahlung χ, Brennweite der Fokussieroptik im Material) muß die Laserleistung entsprechend geringer gewählt werden als bei langbrennweitiger Fokussierung. Die Ausdehnung des Fokusvolumens in Strahlrichtung (Fokuslänge) ist näherungsweise gegeben durch die Brennweite der Fokussieroptik χ Fokusdurchmesser dividiert durch den Strahldurchmesser am Ort der Fokussieroptik.The inventive method is characterized by the fact that above a material-specific intensity threshold of the laser radiation used surprisingly sharply delineated irreversible changes occur in the material, which contrast in contrast to their unaffected environment in the interior of the homogeneous material. Of importance is the consideration and choice of the parameters laser power and focal length of the focusing optics. The choice must be made so that the threshold intensity is exceeded in the material alone in the focus volume, d. H. with short focal length focusing (very small focus volume, focus diameter, divergence of the laser radiation χ, focal length of the focusing optics in the material), the laser power must be selected correspondingly lower than with long focal length focussing. The expansion of the focus volume in the beam direction (focal length) is approximately given by the focal length of the focusing optics χ focus diameter divided by the beam diameter at the location of the focusing optics.

Dadurch bestimmt die Brennweite auch die Ausdehnung der erzeugten Struktur in Strahlrichtung. Das ermöglicht dem Anwender bei Verwendung eines Lasers im transversalen Grundmodus (beugungsbegrenzte Strahldivergenz) auch die Erzeugung von Strukturen, die hinsichtlich ihrer Ausdehnung in der Größenordnung der Laserwellenlänge liegen.As a result, the focal length also determines the extent of the generated structure in the beam direction. When using a laser in transverse fundamental mode (diffraction-limited beam divergence), this also enables the user to create structures which are of the order of magnitude of the laser wavelength in terms of their extent.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß bei entsprechend kurzbrennweitiger Fokussierung (Fokuslänge klein gegenüber der Dicke des Materials) die Information wahlweise in unterschiedlichen Tiefen des homogenen Plastmaterials eingeschrieben werden können, ohne dabei die Oberflächen des Materials zu beeinflussen. Es können dadurch auch echt dreidimensionale Strukturen im Material erzeugt werden.Another advantage of the method according to the invention is that with a correspondingly short focal length focusing (focal length small compared to the thickness of the material), the information can optionally be written in different depths of the homogeneous plastic material, without affecting the surfaces of the material. It can also be generated real three-dimensional structures in the material.

Das Verfahren kann weiterhin genutzt werden, um in mehrfarbigen Plastmaterialien in gewünschter Tiefe Informationen einzuschreiben. Mehrfarbigkeit bedeutet in diesem Falle sowohl unterschiedliche Einfärbungen in der Tiefe des Materials als auch lokale unterschiedliche Farbnuancen.The method can also be used to inscribe information in multicolored plastic materials at the desired depth. Multicolor in this case means both different colorations in the depth of the material as well as local different color nuances.

Ausführungsbeispielembodiment

Das Wesen der Erfindung soll an einem im folgenden näher beschriebenen Ausführungsbeispiel erläutert werden. Verwendet wird ein kontinuierlich strahlender akustooptisch gütemodulierter Nd-YAG-Laser (Wellenlänge = 1,06/um, Strahlungsleistung im kontinuierlichen und transversalen Vielmodenbetrieb 5OW, Spitzenleistung der gütemodulierten Impulse: 5OkW, Strahldivergenz im Multimodebetrieb: 8 mrad), dessen Strahlablenkung und Arbeitsregime rechnergesteuert ist. Als homogenes Plastmaterial werden Platten aus schwach eingefärbten Celluloseesterformmassen verschiedener Dicke (3mm bis 10 mm) verwendet. Die Kleinsignaltransmission der Proben liegt bei der verwendeten Laserwellenlänge zwischen 90% und 70%. Die Schwellintensität bei diesem Material beträgt etwa 40kW/mm2. Bei mittleren Spitzenleistungen von 2OkW kann diese Schwellintensität im Fokusvolumen durch Fokussierlinsen mit Brennweiten kleiner als 50mm erreicht werden. Die Laserstrahlung wird derart in das Volumen des Plastmaterials fokussiert, daß der Strahlfokus in beliebig einstellbarer Tiefe im Inneren des Materials liegt.The essence of the invention will be explained with reference to an embodiment described in more detail below. A continuously radiating acousto-optically Q-modulated Nd-YAG laser (wavelength = 1.06 / μm, radiated power in continuous and transversal multimode operation 5OW, peak power of the modulated impulses: 5OkW, beam divergence in multimode mode: 8 mrad), whose beam deflection and operating regime is computer-controlled , As a homogeneous plastic material plates of weakly colored cellulose ester molding compounds of different thickness (3mm to 10 mm) are used. The small signal transmission of the samples is between 90% and 70% at the laser wavelength used. The threshold intensity for this material is about 40kW / mm 2 . At average peak powers of 2OkW, this threshold intensity in the focus volume can be achieved by focusing lenses with focal lengths smaller than 50 mm. The laser radiation is focused in the volume of the plastic material so that the beam focus is in any adjustable depth in the interior of the material.

Claims (4)

Erfindungsanspruch:Invention claim: 1. Verfahren zum irreversiblen Einbringen von nicht veränderbaren Informationen in das Volumen von homogenen Plastmaterialien, beispielsweise beliebig eingefärbte homogene transparente und/oder gedeckte Celluloseesterformmassen und/oder PVC- oder Polyolefinformmassen bzw. modifizierte PVC- oder Polyolefinformmassen, dadurch gekennzeichnet, daß Laserlicht eines geführten gütegeschalteten kontinuierlichen Lasers mittels eines optischen Systems derart in das Materialvolumen fokussiert wird, daß durch Abstimmung der Parameter Laserleistung und Brennweite der Fokussieroptik ausschließlich innerhalb der zur Informationsabbildung vorgesehenen Volumenbereiche eine materialspezifische Intensitätsschwelle überschritten wird, die zuvor für das verwendete Plastmaterial empirisch bestimmt wurde.1. A method for the irreversible introduction of unchangeable information in the volume of homogeneous plastic materials, for example, any homogeneously colored transparent and / or covered cellulose ester molding compounds and / or PVC or Polyolefinformmassen or modified PVC or Polyolefinformmassen, characterized in that the laser light of a guided Q-switched continuous laser is focused by means of an optical system in the volume of material that by tuning the parameters laser power and focal length of the focusing optics only within the volume of information provided for volume ranges a material-specific intensity threshold is exceeded, which was previously determined empirically for the plastic material used. 2. Verfahren nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer gegenüber der Materialdicke kleinen Taillenlänge der Fokussieroptik die Strahlung in beliebige Tiefen des Materialvolumens ohne Beeinflussung der beiden Materialoberflächen fokussiert wird.2. The method according to item 1, characterized in that at a relation to the material thickness small waist length of the focusing optics, the radiation is focused in any depths of the material volume without affecting the two material surfaces. 3. Verfahren nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erreichung bezüglich ihrer Tiefe ausgedehnter Strukturen im Material eine Fokussieroptik mit einer dieser Tiefe vergleichbaren Taillenlänge eingesetzt wird.3. The method according to item 1, characterized in that in order to achieve their depth of extended structures in the material, a focusing optics with a depth comparable to this depth waist length is used. 4. Verfahrennach Punkt 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung dreidimensionaler Strukturen im Materialvolumen die Lage der Strahltaille in drei Koordinaten kontinuierlich verändert wird.4. The method according to item 2, characterized in that for the production of three-dimensional structures in the volume of material, the position of the beam waist in three coordinates is changed continuously.
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