DE102022107151A1 - Method for providing glass targets with an optically perceptible marking, glass product and use of a titanium-silicon glass - Google Patents

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Lukas Janos Richter
Clemens Beckmann
Jürgen Ihlemann
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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Versehen von Glas-Targets (24) mit einer optisch wahrnehmbaren Markierung, umfassend die Schritte:- Bereitstellen eines Glas-Targets (24),- Bestrahlen des Glas-Targets (24) mit Laserstrahlung des ultravioletten Spektralbereichs bei einer Fluenz zwischen 200 und 450 mJ/cm2.Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass als besagtes Glas-Target (24) ein Körper bereitgestellt wird, der wenigstens bereichsweise aus Titan-Silizium-Glas mit einem Siliziumdioxid-Anteil zwischen 10 und 70 Gew.-% und einem Verhältnis der Gewichtanteile von Titandioxid zu Siliziumdioxid zwischen 0,1 und 1,5 besteht.The invention relates to a method for providing glass targets (24) with an optically perceptible marking, comprising the steps: - providing a glass target (24), - irradiating the glass target (24) with laser radiation in the ultraviolet spectral range at a fluence between 200 and 450 mJ/cm2. The invention is characterized in that a body is provided as said glass target (24), which is at least partially made of titanium-silicon glass with a silicon dioxide content between 10 and 70 % by weight and a ratio of the proportions by weight of titanium dioxide to silicon dioxide between 0.1 and 1.5.

Description

Gebiet der ErfindungField of invention

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Versehen von Glas-Targets mit einer optisch wahrnehmbaren Markierung, umfassend die Schritte:

  • - Bereitstellen eines Glas-Targets,
  • - Bestrahlen des Glas-Targets mit Laserstrahlung des ultravioletten Spektralbereichs bei einer Fluenz zwischen 200 und 450 mJ/cm2.
The invention relates to a method for providing glass targets with an optically perceptible marking, comprising the steps:
  • - providing a glass target,
  • - Irradiating the glass target with laser radiation in the ultraviolet spectral range at a fluence between 200 and 450 mJ/cm 2 .

Die Erfindung bezieht sich weiter auf ein Glaserzeugnis, welches eine laserinduzierte, optisch wahrnehmbare Markierung trägt.The invention further relates to a glass product which carries a laser-induced, optically perceptible marking.

Die Erfindung bezieht sich weiter auf eine neuartige Verwendung von Titan-Silizium-Glas.The invention further relates to a novel use of titanium-silicon glass.

Stand der TechnikState of the art

Ein gattungsgemäßes Verfahren und gattungsgemäße Glaserzeugnisse sind bekannt aus Panahinbakhsh, S.; Jelvani, Saeid; Jaberi, Mohammad: „Micro- and nanostructures formation on glass surface with different parameters of excimer laser Irradiation“, Opt. Eng. 58(1), 011005 (2018); doi:10.1117/1.OE.58.1.011005.A generic process and generic glass products are known from Panahinbakhsh, S.; Jelvani, Saeid; Jaberi, Mohammad: “Micro- and nanostructures formation on glass surface with different parameters of excimer laser irradiation”, Opt. Eng. 58(1), 011005 (2018); doi:10.1117/1.OE.58.1.011005.

Die Modifizierung von Glasoberflächen durch Bestrahlung mit intensivem Laserlicht hat sich als ein bewährtes Mittel zur Markierung und/oder Funktionalisierung von Glassubstraten oder, allgemeiner, Glaserzeugnissen etabliert. Insbesondere ist es bekannt, Glasoberflächen mit einem laserinduzierten Muster zu versehen, welches oft für den Betrachter makroskopisch optisch wahrnehmbar ist, weil sich die Wechselwirkung der Glasoberfläche mit einfallendem Licht hinsichtlich des Transmissions- und/oder Reflexionsverhaltens verändert. Meist basieren derartige Modifizierungen mikromechanisch auf dem Prinzip der Ablation, bei dem dünnschichtige Oberflächenbereiche des Glases durch absorbierte Laserenergie abgesprengt und/oder verdampft werden. Die Mustergebung kann dabei höchst filigran ausfallen. Beispielsweise schlägt die DE 10 2015 216 342 B3 vor, die Bestrahlung der Oberfläche eines als Glas-Targets gewählten Substrats durch eine Phasenmaske erfolgen zu lassen, mittels derer interferometrisch periodische Muster auf das Substrat projiziert und so durch Ablation Strukturen im Mikrometer- oder Submikrometerbereich geschaffen werden. Derartige miniaturisierte Strukturen können beispielsweise als Sicherheitsmerkmale genutzt werden. Größerflächige Markierungen, beispielsweise auf Trinkgläsern, die ebenfalls als Glas-Target dienen können, können andererseits auch zu rein ästhetischen Dekorationszwecken verwendet werden. Solch großflächige Markierungen werden meist durch sukzessive, „pixelweise“ Strukturierung jeweils kleinerer Bereiche geschaffen. Ein entsprechendes System ist z. B. offenbart in Beckmann, C.M. und Ihlemann, J.: „Figure correction of borosilicate glass substrates by nanosecond UV excimer laser irradiation“ Opt. Express, vol. 28, no. 13, p. 18681, 2020, doi: 10. 1364/oe.393626. Die spezielle Art der Oberflächenmodifikation hängt nach der Lehre der genannten Druckschriften in erster Linie von den speziell gewählten Strahlungsparametern ab. Die spezielle Chemie des Glas-Targets spielt demnach kaum eine Rolle.The modification of glass surfaces by irradiation with intense laser light has established itself as a proven means of marking and/or functionalizing glass substrates or, more generally, glass products. In particular, it is known to provide glass surfaces with a laser-induced pattern, which is often macroscopically perceptible to the viewer because the interaction of the glass surface with incident light changes with regard to the transmission and/or reflection behavior. Such modifications are usually based micromechanically on the principle of ablation, in which thin-layered surface areas of the glass are blasted off and/or vaporized by absorbed laser energy. The patterning can be extremely delicate. For example, the DE 10 2015 216 342 B3 proposes to irradiate the surface of a substrate chosen as a glass target through a phase mask, by means of which interferometrically periodic patterns are projected onto the substrate and structures in the micrometer or submicrometer range are created by ablation. Such miniaturized structures can be used, for example, as security features. On the other hand, larger-area markings, for example on drinking glasses, which can also serve as a glass target, can also be used for purely aesthetic decorative purposes. Such large-area markings are usually created by successively structuring smaller areas “pixel by pixel”. A corresponding system is e.g. B. disclosed in Beckmann, CM and Ihlemann, J.: “Figure correction of borosilicate glass substrates by nanosecond UV excimer laser irradiation” Opt. Express, vol. 28, no. 13, p. 18681, 2020, doi: 10. 1364/oe.393626. According to the teachings of the publications mentioned, the specific type of surface modification depends primarily on the specifically selected radiation parameters. The special chemistry of the glass target therefore hardly plays a role.

Aus der eingangs genannten, gattungsbildenden Druckschrift ist es bekannt, Siliziumgläser mit einem ArF-Excimer-Laser einer Wellenlänge von 193 nm mit gepulster Laserstrahlung zwischen 50 und 1200 mJ/cm2, einer Pulsdauer von 15 ns und einer Pulsrepetitionsrate von 2 Hz mit 100 bis 1000 Pulsen unterhalb der Ablationsschwelle des Glases zu modifizieren, sodass eine optisch wahrnehmbare Markierung der Glasoberfläche resultiert. Ein solches Verfahren, das unter atmosphärischen Normalbedingungen, d.h. unter Luft und bei Raumtemperatur durchgeführt werden kann, wäre grundsätzlich sehr gut für eine schnelle und wirtschaftliche Markierung von Glasoberflächen geeignet. Beispielsweise zu Beschriftungszwecken, zur Erzeugung von Sicherheitsmerkmalen oder zu rein dekorativen Zwecken. Nachteilig dabei ist allerdings, dass die resultierende Aufrauhung der Glasoberfläche primär zu einem veränderten Streuverhalten führt, sodass sich die erzeugte Markierung dem Beobachter in weißlichen Tönen darstellt. Diese haben jedoch, sofern sie nicht dunkel unterlegt und speziell beleuchtet werden, nur einen geringen Kontrast, sodass die Markierung als solche, insbesondere wenn sie zu Beschriftungs- oder Sicherheitszwecken dient, ineffizient ist.From the generic document mentioned at the beginning it is known to use silicon glasses with an ArF excimer laser with a wavelength of 193 nm with pulsed laser radiation between 50 and 1200 mJ/cm 2 , a pulse duration of 15 ns and a pulse repetition rate of 2 Hz with 100 to 1000 pulses below the ablation threshold of the glass, so that an optically perceptible marking of the glass surface results. Such a process, which can be carried out under normal atmospheric conditions, ie under air and at room temperature, would in principle be very well suited for rapid and economical marking of glass surfaces. For example, for labeling purposes, to create security features or for purely decorative purposes. The disadvantage, however, is that the resulting roughening of the glass surface primarily leads to a changed scattering behavior, so that the marking created appears to the observer in whitish tones. However, unless they have a dark background and are specially illuminated, these only have a low contrast, so that marking as such is inefficient, especially if it is used for labeling or security purposes.

Alternativ ist es zwar grundsätzlich bekannt, kontraststarke Markierungen in Glasoberflächen einzubringen, indem diese zunächst mit Pigmenten, beispielsweise Ruß oder Metallpulver, beschichtet und sodann mit intensiver Laserstrahlung bestrahlt werden, was zu einer laserinduzierten Implantierung der Pigmente in das Substratmaterial führt. Eine solche Technik ist jedoch nicht in allen Anwendungsbereichen einsetzbar. Insbesondere bei der Beschriftung von Glasgefäßen in der medizinischen und pharmazeutischen Industrie, beispielsweise bei der Beschriftung von Impfstoffampullen o.Ä., kommt eine Beschichtung mit Pigmenten aus Kontaminationsgründen nicht in Frage.Alternatively, it is generally known to introduce high-contrast markings into glass surfaces by first coating them with pigments, for example soot or metal powder, and then irradiating them with intense laser radiation, which leads to a laser-induced implantation of the pigments into the substrate material. However, such a technology cannot be used in all areas of application. Especially when labeling glass vessels in the medical and pharmaceutical industry, for example when labeling vaccine ampoules or similar, a coating with pigments is out of the question for reasons of contamination.

AufgabenstellungTask

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen schnellen und wirtschaftlichen Ansatz vorzuschlagen, Glaserzeugnisse mit Markierungen hohen Kontrastes zu versehen.It is the object of the present invention to propose a quick and economical approach to providing glass products with high contrast markings.

Darlegung der ErfindungPresentation of the invention

Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass als besagtes Glas-Target ein Körper bereitgestellt wird, der wenigstens bereichsweise aus Titan-Silizium-Glas mit einem Siliziumdioxid-Anteil zwischen 10 und 70 Gew.-%, bevorzugt zwischen 20 und 60 Gew.-%, und einem Verhältnis der Gewichtanteile von Titandioxid zu Siliziumdioxid zwischen 0,1 und 1,5 besteht.This object is achieved in conjunction with the features of the preamble of claim 1 in that a body is provided as said glass target, which is at least partially made of titanium-silicon glass with a silicon dioxide content between 10 and 70% by weight, preferably between 20 and 60% by weight, and a ratio of the proportions by weight of titanium dioxide to silicon dioxide between 0.1 and 1.5.

Die Aufgabe wird weiter gemäß Anspruch 9 durch ein Glaserzeugnis gelöst, welches erhalten wird durch besagtes Verfahren, nämlich durch ein Verfahren umfassend die Schritte:

  • - Bereitstellen eines Glas-Targets,
  • - Bestrahlen des Glas-Targets mit Laserstrahlung des ultravioletten Spektralbereichs bei einer Fluenz zwischen 200 und 450 mJ/cm2,
wobei als das Glas-Target ein Körper bereitgestellt wird, der wenigstens bereichsweise aus Titan-Silizium-Glas mit einem Siliziumdioxid-Anteil zwischen 10 und 70 Gew.-%, bevorzugt zwischen 20 und 60 Gew.-%, und einem Verhältnis der Gewichtanteile von Titandioxid zu Siliziumdioxid zwischen 0,1 und 1,5 besteht.The object is further solved according to claim 9 by a glass product which is obtained by said method, namely by a method comprising the steps:
  • - providing a glass target,
  • - irradiating the glass target with laser radiation in the ultraviolet spectral range at a fluence between 200 and 450 mJ/cm 2 ,
wherein a body is provided as the glass target, which is at least partially made of titanium-silicon glass with a silicon dioxide content of between 10 and 70% by weight, preferably between 20 and 60% by weight, and a ratio of the weight proportions of Titanium dioxide to silicon dioxide is between 0.1 and 1.5.

Ein solches Glaserzeugnis lässt sich auch ohne Bezugnahme auf sein konkretes Herstellungsverfahren beschreiben. Es zeichnet sich in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 10 dadurch aus, dass das Glaserzeugnis wenigstens bereichsweise aus Titan-Silizium-Glas mit einem Siliziumdioxid-Anteil zwischen 10 und 70 Gew.-%, bevorzugt zwischen 20 und 60 Gew.-%, und einem Verhältnis der Gewichtanteile von Titandioxid zu Siliziumdioxid zwischen 0,1 und 1,5 besteht, wobei die Markierung schwarz erscheint.Such a glass product can also be described without reference to its specific manufacturing process. In conjunction with the features of the preamble of claim 10, it is characterized in that the glass product is at least partially made of titanium-silicon glass with a silicon dioxide content of between 10 and 70% by weight, preferably between 20 and 60% by weight. , and a ratio of the proportions by weight of titanium dioxide to silicon dioxide between 0.1 and 1.5, with the marking appearing black.

Der Kern der Erfindung liegt also gemäß Anspruch 11 in der Verwendung von Titan-Silizium-Glas mit einem Siliziumdioxid-Anteil zwischen 10 und 70 Gew.-%, bevorzugt zwischen 20 und 60 Gew.-%, und einem Verhältnis der Gewichtanteile von Titandioxid zu Siliziumdioxid zwischen 0,1 und 1,5 als Material für ein Glas-Target, welches eingesetzt wird im Rahmen eines Verfahrens zum Versehen von Glas-Targets mit einer optisch wahrnehmbaren Markierung, umfassend die Schritte:

  • - Bereitstellen des Glas-Targets,
  • - Bestrahlen des Glas-Targets mit Laserstrahlung des ultravioletten Spektralbereichs bei einer Fluenz zwischen 200 und 450 mJ/cm2.
According to claim 11, the core of the invention lies in the use of titanium-silicon glass with a silicon dioxide content between 10 and 70% by weight, preferably between 20 and 60% by weight, and a ratio of the weight proportions of titanium dioxide Silicon dioxide between 0.1 and 1.5 as a material for a glass target, which is used as part of a method for providing glass targets with an optically perceptible marking, comprising the steps:
  • - providing the glass target,
  • - Irradiating the glass target with laser radiation in the ultraviolet spectral range at a fluence between 200 and 450 mJ/cm 2 .

Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.Preferred embodiments are the subject of the dependent claims.

Überraschender Weise hat sich gezeigt, dass die im Hinblick auf die Bestrahlungsparameter selbe Art der Markierung, die bei üblichen Siliziumgläsern zu Oberflächenmodifikationen führt, die bei makroskopischer Betrachtung weißlich erscheinen, bei der Wahl von Silizium-Titan-Gläsern zu sehr kontraststarken, schwärzlichen Markierungen führt, sofern das Gewichtsverhältnis von Titandioxid und Siliziumdioxid im Glas innerhalb der genannten Wertegrenzen liegt. Eine abschließende physikalische und chemische Erklärung für diesen Effekt kann derzeit noch nicht angegeben werden. Es wird jedoch vermutet, dass der Schwärzungseffekt u.a. auf einer teilweisen Reduktionsreaktion des im Glasmaterial enthaltenen, oxidischen Titans, einer Phasenseparation und der Ausbildung einer mikroskopischen Aufrauhung beruht, die in günstiger Weise so zusammenwirken, dass bei makroskopischer Betrachtung eine schwarz erscheinende Markierung resultiert. Die Einhaltung der genannten Bestrahlungsparameter scheint dabei von wesentlicher Bedeutung zu sein. Insbesondere führen deutlich niedrigere Fluenzen zu einem Ausbleiben des Effektes, wohingegen deutlich höhere Fluenzen zu Ablationen führen, die den angestrebten Schwärzungseffekt zunichtemachen.Surprisingly, it has been shown that the same type of marking with regard to the irradiation parameters, which leads to surface modifications in conventional silicon glasses that appear whitish when viewed macroscopically, leads to very high-contrast, blackish markings when choosing silicon-titanium glasses. provided that the weight ratio of titanium dioxide and silicon dioxide in the glass is within the specified value limits. A final physical and chemical explanation for this effect cannot yet be given. However, it is assumed that the blackening effect is based, among other things, on a partial reduction reaction of the oxidic titanium contained in the glass material, a phase separation and the formation of a microscopic roughening, which work together in a favorable manner so that a mark that appears black when viewed macroscopically results. Compliance with the irradiation parameters mentioned appears to be essential. In particular, significantly lower fluences lead to the absence of the effect, whereas significantly higher fluences lead to ablations that destroy the desired blackening effect.

Ein besonderer Charme der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass sie sich unter atmosphärischen Normalbedingungen, d.h. bei Normalluft und insbesondere einer Lufttemperatur zwischen 0°C und 100°C, bevorzugt bei Raumtemperatur, realisieren lässt.A particular charm of the present invention is that it can be implemented under normal atmospheric conditions, i.e. with normal air and in particular an air temperature between 0 ° C and 100 ° C, preferably at room temperature.

Die Wahl ultravioletten Lichtes ist zwingend, weil Silizium-Titan-Gläser nur in diesem Bereich des Spektrums eine hinreichende Absorption zeigen. Insbesondere das ferne UV-Licht zwischen 180 und 220 nm, speziell zwischen 190 und 200 nm hat sich als geeignet erwiesen. Für die Praxis empfiehlt sich ein ArF-Excimerlaser mit einer Wellenlänge von 193 nm.The choice of ultraviolet light is imperative because silicon-titanium glasses only show sufficient absorption in this region of the spectrum. In particular, far UV light between 180 and 220 nm, especially between 190 and 200 nm, has proven to be suitable. In practice, an ArF excimer laser with a wavelength of 193 nm is recommended.

Die Erzeugung der benötigten Fluenzen ist praktisch und wirtschaftlich sinnvoll nur mit gepulsten Lasern möglich. Bevorzugt wird das Glas-Target daher mit gepulster Laserstrahlung einer Pulsdauer zwischen 1 und 100 ns, insbesondere zwischen 10 und 30 ns bestrahlt. Als besonders vorteilhaft haben sich 20 ns Pulsdauer erwiesen, wobei allerdings die spezielle Wahl der Pulsdauer derzeit nicht als hochkritisches Kriterium angesehen wird.Generating the required fluences is practical and economically only possible with pulsed lasers. The glass target is therefore preferably irradiated with pulsed laser radiation with a pulse duration between 1 and 100 ns, in particular between 10 and 30 ns. A pulse duration of 20 ns has proven to be particularly advantageous, although the specific choice of pulse duration is currently not viewed as a highly critical criterion.

Auch die Anzahl der Pulse, mit der ein zu modifizierender Punkt des Glastargets bestrahlt wird, kann über weite Bereiche variiert werden. Als vorteilhaft wird eine Bestrahlung mit 100 bis 1000 Pulsen, insbesondere mit 100 bis 750 Pulsen, speziell mit 100 bis 500 Pulsen angesehen. Der Fachmann wird die Pulszahl vorwiegend nach der von ihm beabsichtigten Intensität der Schwarzfärbung wählen. Erst ab einer Bestrahlung von ca. 100 Pulsen ergibt sich ein deutlich erkennbarer Effekt. Bestrahlungen von deutlich über 1000 Pulsen führen zu keiner wesentlichen Verbesserung des Markierungskontrastes. Die genannten Pulsanzahlbereiche spiegeln daher im Hinblick auf die Effizienz und Wirtschaftlichkeit der Erfindung hin optimierte Intervalle wider.The number of pulses with which a point on the glass target to be modified is irradiated can also be varied over a wide range. Irradiation with 100 to 1000 pulses, in particular with 100 to 750 pulses, especially with 100 to 500 pulses, is considered advantageous. The expert will choose the number of pulses primarily based on the intensity of the black color he intends. Only after irradiation of approx. 100 pulses does a clearly noticeable effect occur. Irradiation of well over 1000 pulses does not lead to a significant improvement in the marking contrast. The pulse number ranges mentioned therefore reflect intervals optimized with regard to the efficiency and economic viability of the invention.

Günstigerweise erfolgt die Bestrahlung des Glas-Targets durch eine Maskenoptik hindurch, mittels derer ein der Markierung, mit welcher das Glas-Target versehen werden soll, wenigstens bereichsweise entsprechendes Muster auf das Glas-Target projiziert wird. Der Begriff des Projizierens ist dabei weit zu verstehen. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass eine einfache Blende mittels einer geeigneten Optik in eine Bildebene, die auf der Traget-Oberfläche oder geringfügig davor oder dahinter liegen kann, abgebildet wird. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass die Maskenoptik eine Phasenmaske aufweist, die ausgebildet ist, durch Interferenz eine Vielzahl äquidistanter, paralleler Linien in einer Gegenstandsebene des Glas-Targets, die ebenfalls auf der Oberfläche oder geringfügig davor oder dahinter liegen kann, zu erzeugen. Die spezielle Wahl der Projektionsoptik spielt für die vorliegende Erfindung keine Rolle, solange damit die oben genannten Bestrahlungsparameter realisiert werden können.The glass target is expediently irradiated through mask optics, by means of which a pattern corresponding at least in some areas to the marking with which the glass target is to be provided is projected onto the glass target. The concept of projecting is to be understood broadly. For example, it can be provided that a simple aperture is imaged using suitable optics in an image plane that can lie on the Traget surface or slightly in front of or behind it. Alternatively, it can also be provided that the mask optics have a phase mask which is designed to generate a plurality of equidistant, parallel lines through interference in an object plane of the glass target, which can also lie on the surface or slightly in front of or behind it. The specific choice of projection optics plays no role for the present invention as long as the above-mentioned irradiation parameters can be achieved with it.

Wie aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannt, ist es auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorteilhaft, wenn die bereichsweise Bestrahlung des Glas-Targets nacheinander für unterschiedliche Bereiche der Markierung, mit welcher das Glas-Target versehen werden soll, erfolgt. Mit anderen Worten wird also bevorzugt jeweils nur ein kleiner Ausschnitt der beabsichtigten Markierung erzeugt und der Gesamtbereich der Markierung sukzessive abgerastert. Diese Technik erlaubt die Verwendung deutlich leistungsschwächerer Laser im Vergleich zur großflächigen Realisierung der o.g., erforderlichen Bestrahlungsparameter.As is fundamentally known from the prior art, it is also advantageous in the context of the present invention if the area-wise irradiation of the glass target takes place one after the other for different areas of the marking with which the glass target is to be provided. In other words, only a small section of the intended marking is preferably generated and the entire area of the marking is successively scanned. This technology allows the use of significantly lower-power lasers compared to the large-scale implementation of the above-mentioned required irradiation parameters.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden speziellen Beschreibung und den Zeichnungen.Further details and advantages of the invention emerge from the following specific description and the drawings.

Kurzbeschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Es zeigen:

  • 1: eine aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannte Apparatur zur Lasermodifizierung von Glasoberflächen, die auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung einsetzbar ist,
  • 2: ein Mosaik aus mikroskopischen Darstellungen von Markierungen auf Glasoberflächen, erzeugt mit unterschiedlichen Bestrahlungsparametern sowie eine rasterelektronenmikroskopische Vergrößerung einer dieser Markierungen sowie
  • 3: ein erfindungsgemäß erzeugter QR-Code auf der Oberfläche eines Glas-Targets,
    1. a) in direkter Draufsicht,
    2. b) in rückwärtiger Ansicht durch den Körper des Glas-Targets,
    3. c) in ausschnittsweiser Vergrößerung.
Show it:
  • 1 : an apparatus for laser modification of glass surfaces that is fundamentally known from the prior art and can also be used in the context of the present invention,
  • 2 : a mosaic of microscopic representations of markings on glass surfaces, created with different irradiation parameters as well as a scanning electron microscopic enlargement of one of these markings
  • 3 : a QR code generated according to the invention on the surface of a glass target,
    1. a) in direct top view,
    2. b) in a rear view through the body of the glass target,
    3. c) in partial enlargement.

Beschreibung bevorzugter AusführungsformenDescription of preferred embodiments

1 zeigt eine grundsätzlich aus dem bereits genannten Stand der Technik bekannte Apparatur zur Oberflächenmodifikation von Glas-Targets, die zur Umsetzung der vorliegenden Erfindung geeignet ist und bevorzugt Verwendung findet. Die Anordnung umfasst einen Laser 10, der insbesondere als ein ArF-Excimer-Laser einer NennWellenlänge von 193 nm ausgebildet ist. Der Laser 10 liefert bevorzugt einen gepulsten Strahl 12, beispielsweise mit einer Pulsdauer von etwa 20 ns bei einer Repetitionsrate von 2 Hz. Wenn auf besonders hohe Prozessgeschwindigkeiten abgezielt wird, kommen jedoch auch deutlich höhere Repetitionsraten, typischerweise zwischen 100 Hz und 1 kHz, infrage. Der Strahl 12 ist vorzugsweise kollimiert und kann mittels eines einstellbaren Abschwächers 14, der einen Teil des Stahls 12 reflektiv auskoppelt, wie durch den Auskopplungspfeil 16 illustriert, hinsichtlich seiner Strahlstärke, insbesondere insichtlich der auf dem Glas-Target auftreffenden Fluenz, eigestellt werden. Der kollimierte und ggf. abgeschwächte Strahl 12 fällt auf eine Maske 18, die bevorzugt als einfache Durchgangsmaske eines runden oder rechteckigen, insbesondere quadratischen Querschnitts gestaltet ist. Diese Maske 18 wird mittels einer Linse 20, die beispielsweise als Quarzglaslinse von 100 mm Brennweite gestaltet sein kann, auf ein Glas-Target 22 verkleinert abgebildet. Die Bildgröße kann beispielsweise im Bereich von 300 µm liegen. Um sukzessive eine größere Fläche des Glas-Targets 22 bestrahlen zu können, ist letzteres in einen XY-Translator 24 eingespannt, mittels dessen unterschiedliche Oberflächenbereiche bedarfsgerecht in den Abbildungsbereich der Maske 18 geschoben werden können. Eine großflächige Markierung kann somit pixelweise aufgebaut werden. Mit der beschriebenen Apparatur ergeben sich bei Verwendung einer als quadratische Blende gestalteten Maske 18 quadratische Pixel von ca. 300 x 300 µm2Größe. 1 shows an apparatus for the surface modification of glass targets, which is basically known from the prior art already mentioned and which is suitable for implementing the present invention and is preferably used. The arrangement includes a laser 10, which is designed in particular as an ArF excimer laser with a nominal wavelength of 193 nm. The laser 10 preferably delivers a pulsed beam 12, for example with a pulse duration of approximately 20 ns at a repetition rate of 2 Hz. However, if particularly high process speeds are aimed for, significantly higher repetition rates, typically between 100 Hz and 1 kHz, are also possible. The beam 12 is preferably collimated and can be adjusted in terms of its beam strength, in particular with regard to the fluence striking the glass target, by means of an adjustable attenuator 14, which reflectively couples out part of the steel 12, as illustrated by the decoupling arrow 16. The collimated and possibly attenuated beam 12 falls on a mask 18, which is preferably designed as a simple transmission mask with a round or rectangular, in particular square, cross section. This mask 18 is imaged in a reduced size onto a glass target 22 using a lens 20, which can be designed, for example, as a quartz glass lens with a focal length of 100 mm. The image size can be in the range of 300 µm, for example. In order to be able to successively irradiate a larger area of the glass target 22, the latter is clamped into an XY translator 24, by means of which different surface areas can be pushed into the imaging area of the mask 18 as required. A large-area marking can thus be built pixel by pixel. With the apparatus described, when using a square aperture Mask 18 square pixels of approximately 300 x 300 µm 2 size.

Erfindungsgemäß besteht das Glas-Target aus einem Silizium-Titan-Glas mit der im allgemeinen Teil der Beschreibung erläuterten chemischen Zusammensetzung, was in 1 jedoch nicht erkennbar ist.According to the invention, the glass target consists of a silicon-titanium glass with the chemical composition explained in the general part of the description, which is in 1 however, is not recognizable.

2 zeigt ein Mosaik aus mikroskopischen Abbildungen runder Markierungen, wie sie bei Bestrahlung eines Glas-Targets mit einem Siliziumdioxid-Gewichtsanteil von 55% und einem Titandioxid-Gewichtsanteil von 15%, d.h. mit einem Gewichtsverhältnis von Titandioxid zu Siliziumdioxid von etwa 0,27 mit der in 1 dargestellten und oben beschriebenen Apparatur und Wahl einer als runde Blende gestalteten Maske 18 bei unterschiedlichen Fluenzen und unterschiedlichen Pulszahlen entstehen. Dargestellt sind die Resultate bei Fluenzen von 200, 250, 300, 350, 362 und 500 mJ/cm2 und Pulszahlen Np von 10, 50, 100, 200, 500 und 1000. Man erkennt deutlich ein Gebiet optimaler Schwarzfärbung. Bei zu geringen Fluenzen tritt der gewünschte Effekt entweder nicht oder erst nach vielen Bestrahlungspulsen auf. Bei zu hohen Fluenzen, bei denen die Ablationsschwelle überschritten wird, tritt der Effekt ebenfalls nicht auf. Die optimale Pulszahl richtet sich nach dem Grad der gewünschten Schwarzfärbung, wobei ab einer bestimmten Pulszahl eine Sättigung eintritt. 2 shows a mosaic of microscopic images of round markings as seen when irradiating a glass target with a silicon dioxide weight fraction of 55% and a titanium dioxide weight fraction of 15%, ie with a weight ratio of titanium dioxide to silicon dioxide of approximately 0.27 with the in 1 The apparatus shown and described above and the choice of a mask 18 designed as a round aperture arise at different fluences and different pulse numbers. The results are shown at fluences of 200, 250, 300, 350, 362 and 500 mJ/cm 2 and pulse numbers Np of 10, 50, 100, 200, 500 and 1000. An area of optimal black coloration can clearly be seen. If the fluence is too low, the desired effect either does not occur or only occurs after many irradiation pulses. If the fluence is too high and the ablation threshold is exceeded, the effect does not occur either. The optimal number of pulses depends on the degree of black coloring desired, with saturation occurring above a certain number of pulses.

Der Fachmann wird erkennen, dass das dargestellte Mosaik zwar grundsätzlich typisch ist, im Detail jedoch mit der speziellen Materialwahl des Glas-Targets variieren kann. So weisen unterschiedliche Silizium-Titan-Gläser innerhalb des erfindungsgemäßen Materialspektrums unterschiedliche Ablationsschwellen auf, sodass auch andere Maximalfluenzen als in 2 gezeigt, auftreten können. Entsprechendes gilt für die Sensitivität unterschiedlicher Silizium-Titan-Gläser, sodass auch andere als die gezeigten Minimalfluenzen bzw. Minimalpulszahlen auftreten können. Der Fachmann wird jedoch innerhalb des beanspruchten Spektrums an variierbaren Parametern leicht die für seinen speziellen Einsatzzweck optimale Parameterkonstellation ermitteln können.The expert will recognize that the mosaic shown is basically typical, but can vary in detail depending on the specific choice of material for the glass target. Different silicon-titanium glasses within the material spectrum according to the invention have different ablation thresholds, so that different maximum fluences than in 2 shown can occur. The same applies to the sensitivity of different silicon-titanium glasses, so that minimum fluences or minimum pulse numbers other than those shown can also occur. However, the person skilled in the art will easily be able to determine the optimal parameter constellation for his specific application within the claimed spectrum of variable parameters.

2 zeigt weiter eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme des bei einer Fluenz von 250 mJ /cm2 nach 1000 Pulsen erzeugte Spots unter einem Blickwinkel von 45°. Man erkennt eine unregelmäßige Hügelstruktur, die sicher das Streuverhalten der Oberfläche des Glas-Targets modifiziert, allein jedoch nicht für die erfindungsgemäße, charakteristische Schwarzfärbung verantwortlich ist. 2 further shows a scanning electron micrograph of the spot generated at a fluence of 250 mJ /cm 2 after 1000 pulses at a viewing angle of 45°. An irregular hill structure can be seen, which certainly modifies the scattering behavior of the surface of the glass target, but is not alone responsible for the characteristic black color according to the invention.

3 zeigt drei Ansichten eines QR-Codes, der durch sukzessive Bestrahlung eines erfindungsgemäßen Glas-Targets aus Silizium-Titan-Glas mit dem Bild einer quadratischen Blende, d. h. pixelweise aus quadratischen Pixeln, zusammengesetzt wurde. Die Teilfiguren a) und b) zeigen jeweils den gesamten QR-Code. c) zeigt einen vergrößerten Ausschnitt von ca. 4 Pixeln. Jeder Pixel entspricht einem Abbildungsbereich der Maske 18. Beim Vergleich der Teilfiguren a) und b) ist ein deutlicher Kontrastunterschied erkennbar. Teilfigur a) zeigt den QR-Code in direkter Draufsicht auf die modifizierte Oberfläche. Hier wirkt die in 2 illustrierte Hügelstruktur möglicherweise streuungsverstärkend und daher kontrastmindernd. Teilfigur b) zeigt hingegen denselben QR-Code in Rückansicht durch den transparenten Körper des Glas-Targets hindurch. Hier erfolgt keine Streuungsverstärkung durch die Hügelstruktur. Der Kontrast der schwarzen Markierung ist daher besser. Hieraus kann der Schluss gezogen werden, dass es im Fall, dass eine besonders kontraststarke Markierung gewünscht ist, günstig sein kann, das fragliche Glas-Target auf seiner letztendlich, d. h. bei typischem Gebrauch, dem Betrachter abgewandten Rückseite mit der Markierung zu versehen. 3 shows three views of a QR code, which was composed by successive irradiation of a glass target according to the invention made of silicon-titanium glass with the image of a square aperture, ie pixel by pixel from square pixels. Subfigures a) and b) each show the entire QR code. c ) shows an enlarged section of approx. 4 pixels. Each pixel corresponds to an image area of the mask 18. When comparing subfigures a) and b), a clear difference in contrast can be seen. Partial figure a) shows the QR code in a direct top view of the modified surface. This is where the in 2 illustrated hill structure may increase scattering and therefore reduce contrast. Partial figure b), on the other hand, shows the same QR code in a rear view through the transparent body of the glass target. Here there is no scattering amplification due to the hill structure. The contrast of the black marking is therefore better. The conclusion can be drawn from this that if a particularly high-contrast marking is desired, it may be advantageous to provide the glass target in question with the marking on its rear side, which is ultimately facing away from the viewer, ie during typical use.

Natürlich stellen die in der speziellen Beschreibung diskutierten und in den Figuren gezeigten Ausführungsformen nur illustrative Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dar. Dem Fachmann ist im Lichte der hiesigen Offenbarung ein breites Spektrum von Variationsmöglichkeiten an die Hand gegeben. Insbesondere ist das Spektrum der möglichen Anwendungen der vorliegenden Erfindung äußerst breit. Neben den bereits eingangs genannten medizinischen Ampullen können auch Spritzen oder Phiolen für medizinische oder pharmazeutische Substanzen, implantierbare Medizinprodukte, Kapselungen für aktive elektronische Implantate, hermetisch dichte Glaskapseln für die Medizintechnik, sogenannte „Smart-Container“ für pharmazeutische Substanzen, Microfluidik-Chips u. a. technische Glas-Targets erfindungsgemäß markiert werden, wobei eine kontrastreiche, hochauflösende und thermisch und chemisch stabile Markierung auf schnelle und wirtschaftliche Weise realisierbar ist. Auch für filigrane Sicherheitsmerkmale auf Glassubstraten oder zu rein dekorativen Zwecken, beispielsweise auf Trinkgläsern, ist die Erfindung nutzbar. Of course, the embodiments discussed in the special description and shown in the figures only represent illustrative embodiments of the present invention. In the light of the disclosure here, the person skilled in the art is provided with a wide range of possible variations. In particular, the spectrum of possible applications of the present invention is extremely wide. In addition to the medical ampoules already mentioned at the beginning, syringes or vials for medical or pharmaceutical substances, implantable medical devices, encapsulations for active electronic implants, hermetically sealed glass capsules for medical technology, so-called “smart containers” for pharmaceutical substances, microfluidic chips, etc. can also be used. Technical glass targets are marked according to the invention, with high-contrast, high-resolution and thermally and chemically stable marking being possible in a quick and economical manner. The invention can also be used for delicate security features on glass substrates or for purely decorative purposes, for example on drinking glasses.

BezugszeichenlisteReference symbol list

1010
LaserLaser
1212
Strahlbeam
1414
einstellbarer Abschwächeradjustable attenuator
1616
AuskoppelpfeilDecoupling arrow
1818
Maskemask
2020
Linselens
2222
Glas-TargetGlass target
2424
XY-TranslatorXY translator

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102015216342 B3 [0005]DE 102015216342 B3 [0005]

Claims (11)

Verfahren zum Versehen von Glas-Targets (24) mit einer optisch wahrnehmbaren Markierung, umfassend die Schritte: - Bereitstellen eines Glas-Targets (24), - Bestrahlen des Glas-Targets (24) mit Laserstrahlung des ultravioletten Spektralbereichs bei einer Fluenz zwischen 200 und 450 mJ/cm2, dadurch gekennzeichnet, dass als besagtes Glas-Target (24) ein Körper bereitgestellt wird, der wenigstens bereichsweise aus Titan-Silizium-Glas mit einem Siliziumdioxid-Anteil zwischen 10 und 70 Gew.-% und einem Verhältnis der Gewichtanteile von Titandioxid zu Siliziumdioxid zwischen 0,1 und 1,5 besteht.Method for providing glass targets (24) with an optically perceptible marking, comprising the steps: - providing a glass target (24), - irradiating the glass target (24) with laser radiation in the ultraviolet spectral range at a fluence between 200 and 450 mJ/cm 2 , characterized in that a body is provided as said glass target (24), which is at least partially made of titanium-silicon glass with a silicon dioxide content between 10 and 70% by weight and a ratio of the weight proportions of titanium dioxide to silicon dioxide is between 0.1 and 1.5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Glas-Target (24) mit Laserstrahlung einer Wellenlänge zwischen 180 und 220 nm, insbesondere zwischen 190 und 200 nm bestrahlt wird.Procedure according to Claim 1 , characterized in that the glass target (24) is irradiated with laser radiation with a wavelength between 180 and 220 nm, in particular between 190 and 200 nm. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Glas-Target (24) mit gepulster Laserstrahlung einer Pulsdauer zwischen 1 und 100 ns, insbesondere zwischen 10 und 30 ns bestrahlt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the glass target (24) is irradiated with pulsed laser radiation with a pulse duration between 1 and 100 ns, in particular between 10 and 30 ns. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Punkt, der Markierung, mit welcher das Glas-Target (24) versehen werden soll, mit 100 bis 1000 Pulsen, insbesondere mit 100 bis 750, insbesondere bis 100 bis 500 Pulsen bestrahlt wird.Procedure according to Claim 3 , characterized in that each point of the marking with which the glass target (24) is to be provided is irradiated with 100 to 1000 pulses, in particular with 100 to 750, in particular up to 100 to 500 pulses. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestrahlung des Glas-Targets (24) durch eine Maskenoptik hindurch erfolgt, mittels derer ein der Markierung, mit welcher das Glas-Target (24) versehen werden soll, wenigstens bereichsweise entsprechendes Muster auf das Glas-Target (24) projiziert wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the irradiation of the glass target (24) takes place through mask optics, by means of which a pattern corresponding at least in some areas to the marking with which the glass target (24) is to be provided is formed the glass target (24) is projected. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Maskenoptik eine Phasenmaske aufweist, die ausgebildet ist, durch Interferenz eine Vielzahl äquidistanter, paralleler Linien in einer Gegenstandsebene des Glas-Targets (24) zu erzeugen.Procedure according to Claim 5 , characterized in that the mask optics has a phase mask which is designed to generate a plurality of equidistant, parallel lines in an object plane of the glass target (24) by interference. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die bereichsweise Bestrahlung des Glas-Targets (24) nacheinander für unterschiedliche Bereiche der Markierung, mit welcher das Glas-Target (24) versehen werden soll, erfolgt.Procedure according to one of the Claims 5 until 6 , characterized in that the area-wise irradiation of the glass target (24) takes place one after the other for different areas of the marking with which the glass target (24) is to be provided. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestrahlung des Glas-Targets (24) unter Normalluft, insbesondere bei einer Lufttemperatur zwischen 0°C und 100°C erfolgt.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the irradiation of the glass target (24) takes place under normal air, in particular at an air temperature between 0°C and 100°C. Glaserzeugnis, welches eine laserinduzierte, optisch wahrnehmbare Markierung trägt, erhalten durch ein Verfahren umfassend die Schritte: - Bereitstellen eines Glas-Targets (24), - Bestrahlen des Glas-Targets (24) mit Laserstrahlung des ultravioletten Spektralbereichs bei einer Fluenz zwischen 200 und 450 mJ/cm2, wobei als das Glas-Target (24) ein Körper bereitgestellt wird, der wenigstens bereichsweise aus Titan-Silizium-Glas mit einem Siliziumdioxid-Anteil zwischen 10 und 70 Gew.-% und einem Verhältnis der Gewichtanteile von Titandioxid zu Siliziumdioxid zwischen 0,1 und 1,5 besteht.Glass product which carries a laser-induced, optically perceptible marking, obtained by a method comprising the steps: - providing a glass target (24), - irradiating the glass target (24) with laser radiation in the ultraviolet spectral range at a fluence between 200 and 450 mJ/cm 2 , whereby a body is provided as the glass target (24), which is at least partially made of titanium-silicon glass with a silicon dioxide content between 10 and 70% by weight and a ratio of the weight proportions of titanium dioxide to silicon dioxide between 0.1 and 1.5. Glaserzeugnis, welches eine laserinduzierte, optisch wahrnehmbare Markierung trägt, dadurch gekennzeichnet, dass das Glaserzeugnis wenigstens bereichsweise aus Titan-Silizium-Glas mit einem Siliziumdioxid-Anteil zwischen 10 und 70 Gew.-% und einem Verhältnis der Gewichtanteile von Titandioxid zu Siliziumdioxid zwischen 0,1 und 1,5 besteht, wobei die Markierung schwarz erscheint.Glass product which carries a laser-induced, optically perceptible marking, characterized in that the glass product is at least partially made of titanium-silicon glass with a silicon dioxide content between 10 and 70% by weight and a ratio of the weight proportions of titanium dioxide to silicon dioxide between 0. 1 and 1.5, with the marking appearing black. Verwendung Titan-Silizium-Glas mit einem Siliziumdioxid-Anteil zwischen 10 und 70 Gew.-% und einem Verhältnis der Gewichtanteile von Titandioxid zu Siliziumdioxid zwischen 0,1 und 1,5 als Material für ein Glas-Target (24), welches eingesetzt wird im Rahmen eines Verfahrens zum Versehen von Glas-Targets (24) mit einer optisch wahrnehmbaren Markierung, umfassend die Schritte: - Bereitstellen des Glas-Targets, - Bestrahlen des Glas-Targets (24) mit Laserstrahlung des ultravioletten Spektralbereichs bei einer Fluenz zwischen 200 und 450 mJ/cm2.Use of titanium-silicon glass with a silicon dioxide content between 10 and 70% by weight and a ratio of the weight proportions of titanium dioxide to silicon dioxide between 0.1 and 1.5 as a material for a glass target (24), which is used as part of a method for providing glass targets (24) with an optically perceptible marking, comprising the steps: - providing the glass target, - irradiating the glass target (24) with laser radiation in the ultraviolet spectral range at a fluence between 200 and 450 mJ/cm 2 .
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