MX2008003884A - Metodo de marcacion interna por laser en materiales transparentes y dispositivos utilizados para este metodo - Google Patents

Abstract

40. El método de marcación interna por láser en materiales transparentes, por ejemplo, para la marcación de un identificador (5) para un objeto de material transparente (6), caracterizado porque una fuente láser de femtosegundo bombeada por diodos (1) se utiliza para la marcación no agresiva con un alto contraste para generar impulsos láser (13) que son enfocados de forma sucesiva en diferentes puntos (23) de la marcación (5) a efectuarse y que permite efectuar marcaciones a gran velocidad, por lo general, superior a 0.1 mm2 por segundo.

Description

MÉTODO DE MARCACIÓN INTERNA POR LÁSER EN MATERIALES TRANSPARENTES Y DISPOSITIVOS UTILIZADOS PARA ESTE MÉTODO CAMPO DE LA INVENCIÓN La invención se refiere a un método industrial de marcación interna por láser en materiales transparentes. La marcación por láser es un método clave que se requiere para la identificación, la capacidad de trazado y la anti-falsificación de los productos. Para los materiales transparentes, las tecnologías láser actuales (YAG ns - Granate de Itrio y Aluminio) no satisfacen los requerimientos industriales. Recientemente, una tecnología láser de laboratorio llamada Ti:Sa en cristales de zafiro dopados por iones de Titanio, ha demostrado resultados prometedores para grabar los materiales con impulsos en femtosegundos, es decir, impulsos del orden de 10~15 segundos, para la creación de guía de ondas, sin embargo, todavía existen algunos problemas importantes en su industrialización relacionados con la velocidad de producción, fiabilidad, precio, etcétera, así como para la duración de la marcación.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN A partir de los años 90, los láser YAG son cada vez más utilizados en la industria para reemplazar las etiquetas y la impresión con tinta sobre materiales opacos como lo son los metales y los plásticos. Este tipo de láser puede utilizarse en modo continuo (C ) o en modo pulsado (Q-Switch) para crear impulsos largos a alta frecuencia. Se utilizan fenómenos térmicos para quitar la materia por grabado de la superficie o para cambiar el color de la superficie del material, denominado marcación "termodirecta" . Desafortunadamente, las longitudes de onda' de los láser industriales YAG están en la gama visible o cercana a la infrarroja y no pueden interactuar de forma eficaz con los materiales transparentes para conseguir fenómenos térmicos como sucede en los materiales opacos. Por lo tanto, no son adaptables a piezas transparentes. Para grabar materiales transparentes, los láser C02 se utilizan debido a que su longitud de onda de 10.6 µm permite la absorción de energía en una superficie de vidrio. No obstante, estos láser presentan problemas importantes los cuales se exponen a continuación: • la ablación de la materia en la superficie del material debilita el producto, lo que genera que no puedan utilizarse en una amplia gama de aplicaciones; los códigos grabados, debido a que están en la superficie, pueden alterarse mediante otros tratamientos durante la producción o el transporte, o borrarse de forma deliberada con el fin de evitar el control o la protección anti-fraude; y, • la resolución es muy baja debido a la longitud de onda elevada y a los daños térmicos, de ahí el hecho de que los códigos deban ser de un tamaño mayor para así evitar los códigos invisibles para las aplicaciones de anti-fraude . Al final de los años 90, el desarrollo de los láser YAG de impulsos cortos de alrededor de 10 ns, permite crear microfisuras en el interior de los materiales enfocando la energía concentrada en un sólo punto. Esta densidad importante de energía en un tiempo muy corto sobrepasa el umbral de daños de los materiales y lleva a la creación de microfisuras de 50 a 100 µm de diámetro en el interior del vidrio. Como consecuencia, esta tecnología permite grabar formas en tercera dimensión en el vidrio o en Polimetilmetacrilato (PMMA) , basadas en un conjunto de microfisuras . Sin embargo, estos grabados resultantes muestran limitaciones importantes seguidas por una gran cantidad de aplicaciones industriales como la decoración en vidrio, los grabados anti-fraude o la marcación normativa: • el tratamiento no es posible para materiales muy finos o sometidos a tensiones internas o externas ya que la duración de impulso es bastante larga para producir efectos térmicos y fisuras que pueden en su caso debilitar el material, lo cual está completamente prohibido en la industria química y farmacéutica (vidrio de clase 1) y que evita que otros recipientes de vidrio, como por ejemplo, botellas de perfume o de vino que deben resistir fuertes tensiones al ser transportadas, así como variaciones de temperatura, vibraciones, choques, sufran un aumento crítico de microfisuras y probablemente la ruptura de la botella; • los tamaños de grabado son bastante grandes lo que tiene como inconveniente que los códigos de barras deban ser lo suficientemente grandes, véase algunos milímetros cuadrados, para contener datos legibles; • los contrastes de los grabados resultantes requieren, para las aplicaciones de anti-fraude y normativas, la implementación de sistemas de visión sofisticados y una iluminación especial para leer las firmas grabadas en vista de su contraste resultante limitado a menos de 30%; el grabado de formas complejas requiere algunos miles de "micropuntos" por cm3, lo que conlleva a duraciones de tratamiento de varias decenas de segundos, los láser YAG pulsados que tienen una frecuencia de impulso comprendido entre 500 y 2000 hertz, lo que resulta en el hecho de que la productividad de la decoración interna con estos láser YAG es aún baja para la industria de la decoración del vidrio; y, • para la decoración y las aplicaciones de marcación anti-fraude o normativa, la calidad de grabado es alterada por la variación de la calidad del vidrio tratado, lo cual genera que las interacciones láser/vidrio con dichos defectos puedan resultar en marcaciones de mala calidad e ilegibles. El cuadro siguiente da un resumen de las tecnologías láser actuales.

En los comienzos de los años 90, los láser ultrarrápidos, también denominados en femtosegundos, con una duración de impulso inferior a un picosegundo, es decir 10"12 segundos, eran láser de laboratorio sofisticados y frágiles que requerían de científicos altamente calificados para su funcionamiento. Una primera generación de láser comerciales ultrarrápidos, que utiliza zafiro dopado con titanio (Ti: Zafiro) como material activo, fue presentada a principios de los años 90, permitiendo a otros investigadores en los diferentes campos como la biología, la química, la espectroscopia, tomar ventaja de la duración tan corta de impulso. Se obtuvieron resultados innovadores, de una calidad científica elevada. Por ejemplo, el premio Nobel de química de 1999 atribuido al Profesor Ahmed Zewail de la universidad de Stanford por su trabajo sobre "femtoquímica", menos de 10 años después de que el primer láser de femtosegundo hubiera sido comercializado. Esta primera generación de láser de femtosegundos, aunque perfectamente adaptada a un ambiente de refinamientos, presenta limitaciones que les impide ser utilizadas en un ambiente industrial. Debido a la estructura espectroscópica del Ti: Zafiro, se requiere uno o más láser intermediarios adicionales en un láser de femtosegundo Ti ¡Zafiro. Estos láser intermediarios, que son sofisticados y caros, se suman al costo global del sistema y disminuyen su fiabilidad. Dos avances tecnológicos, en particular, la tecnología de bombeo por diodos y los nuevos materiales láser abren el panorama a una nueva generación de láser ultrarrápidos que presentan resultados altos, ya que son más compactos, más confiables y menos caros que los láser de femtosegundos actuales. En lo que se refiere a la tecnología de bombeo por diodos, la industria del láser ha experimentado durante alrededor de una década una mutación tecnológica semejante al reemplazo de tubos de vacío por los semiconductores en la industria electrónica. Sin importar cuál láser extraiga su potencia de una fuente de energía exterior. Por lo general, esta fuente de energía era un flash o un tubo de vacío lleno de un gas ionizado. La disponibilidad creciente de los láser de potencia semiconductora (diodos láser) como fuentes de energía, ofrece grandes ventajas en términos de tamaño, duración y fiabilidad. No obstante, estos nuevos componentes no pueden utilizarse en láser de femtosegundos Ti ¡Zafiro, debido a que las propiedades del Ti: Zafiro en el cristal no tiene ninguna banda de absorción en la gama de longitudes de onda de los diodos láser de potencia. El láser Ti: Zafiro no puede beneficiarse de la revolución de bombeo por diodos. En lo que se refiere a los nuevos materiales láser, los avances recientes en el desarrollo de cristales láser han llevado a una nueva generación de cristales, los cuales utilizan Iterbio como sustancia dopante activa, presentan una excelente calidad óptica y son completamente compatibles con los diodos láser de alta potencia de la clase de telecomunicaciones. Otra geometría interesante que utiliza el ion Iterbio es la fibra dopada con Iterbio. En efecto, los amplificadores de fibra de gran núcleo permiten alcanzar resultados muy interesantes en el marco de la invención. El bombeo por diodos directo de materiales dopados con Iterbio abre el panorama a una nueva generación de láser ultrarrápidos con una compacidad, fiabilidad y rentabilidad mejoradas. Las principales ventajas que esta nueva generación de láser aporta a la invención, son la velocidad de tratamiento y la fiabilidad industrial. Con respecto a la velocidad de tratamiento, los láser de femtosegundos están limitados a alrededor de 1-5 kHz. En cambio, el láser utilizado en el marco de la invención tiene un índice mínimo de repetición de 10 kHz que llega hasta 1 MHz. Esto se traducirá de forma inmediata en una velocidad de tratamiento más alta, lo cual es de importancia extrema para la productividad industrial. Con respecto a la fiabilidad industrial, los láser de femtosegundos actuales (Ti:Sa) integran al menos un láser intermediario de nanosegundo para el bombeo óptico, mientras que el láser utilizado en el método de acuerdo con la invención no necesita de ningún láser adicional . Otra ventaja interesante es que los diodos láser utilizados para bombear el Iterbio tienen una longitud de onda de emisión de alrededor de 980 nm, idéntica a la longitud de onda utilizada en las aplicaciones de telecomunicaciones ópticas. Gracias a los considerables desarrollos aportados a este campo, ahora podemos aprovechar una excelente fuente de diodos láser de alta potencia y alta fiabilidad. La eficacia cuántica del bombeo óptico se define como la relación entre la longitud de onda de la bomba y la longitud de onda del láser. Además, la eficacia cuántica es grande y el calor indeseable generado por el láser es reducido. El cuadro siguiente permite comparar la eficacia cuántica de los láser de femtosegundos actuales y los láser de femtosegundos con Iterbio.

Debido a esta alta eficacia cuántica y a la cantidad reducida de calor generado, los láser con Iterbio tienen un excelente potencial para aumentar el índice de repetición y la potencia media. Por último, comparado con los sistemas amplificados de femtosegundos actuales, en vista del pequeño número de diodos utilizados en los láser con Iterbio, los niveles de voltaje y de corriente requeridos son bajos, lo que implica dimensiones reducidas de la alimentación de potencia, un consumo eléctrico bajo, de costos reducidos de reemplazo y de utilización. Para la marcación, los láser de femtosegundos ofrecen una alternativa interesante gracias a su duración de impulso ultracorta. Su densidad óptica extremadamente elevada produce una interacción muy eficaz con la muestra de marca, de igual manera para los materiales transparentes. Su duración de impulso ultracorto evita la aparición de efectos térmicos durante la interacción, la que genera una calidad de marcación excelente. Desde hace muchos años, los láser Ti: Zafiro de femtosegundos han demostrado sus capacidades en el grabado del interior del vidrio para crear guías de ondas. Los cambios de color también han sido demostrados en el plástico, pero no son permanentes en vidrio. El método descrito en esta patente utiliza un nuevo tipo de fuentes láser de femtosegundos (bombeadas por diodos) que permiten alcanzar una productividad y una fiabilidad industrial y con una técnica especial que permite marcar directamente el interior de los materiales transparentes de los códigos permanentes con un fuerte contraste .

SUMARIO DE LA INVENCIÓN El método de acuerdo con la invención crea identificaciones y códigos visibles o invisibles que no pueden ser modificados fácilmente o borrados, y que se crean en el interior del material sin añadir componentes especiales en el interior o en el producto, y que permite que la marcación, sin importar la profundidad del material transparente, por ejemplo, en el interior de un sustrato de vidrio o en medio de una hoja de vidrio de 6 mm, y no únicamente cerca de la superficie y sin crear pequeños cambios estructurales internos como microablaciones o pequeñas burbujas debidas al aumento tan rápido de la temperatura o de las estructuras difundidas bajo la forma de partes blanqueadas y sin estar limitado a ciertos materiales como algunas aplicaciones en el campo de marcación de objetos formados de materiales de resina. Para este fin, la invención se relaciona con un método de marcación interna por láser en materiales transparentes, por ejemplo, para la marcación de un identificador para un objeto de materia transparente, caracterizado porque una fuente láser de femtosegundo bombeada por diodos se utiliza para la marcación no agresiva con un contraste alto para generar impulsos láser enfocados de forma sucesiva en los diferentes puntos de marcación por realizar y permite llevar a cabo las marcaciones a gran velocidad, por lo general, superior a 0.1 mm2 por segundo o mejor aún superior a 1 mm2 por segundo. Las velocidades de marcación obtenidas con el método de acuerdo con la invención son completamente compatibles con las productividades requeridas en los sectores industriales. Por ejemplo, un láser de femtosegundo con una potencia media de menos de 1 vatio permite grabar códigos en dos dimensiones de 16 líneas x 16 columnas legibles por cámara en menos de 0.1 seg. Esta cadencia es típica de las necesidades de capacidad de trazado enfocadas al control de la producción y de los circuitos de distribución de la industria farmacéutica (producción de 20 ampolletas por segundo) . Estas cadencias típicas pueden obtenerse mediante el método objeto de esta invención utilizando un láser de femtosegundo bombeado por diodo, que emplea un amplificador regenerativo pero no una amplificación de impulsos con modulación temporal de la frecuencia o amplificación parabólica. El uso de una fuente láser que utiliza sólo un amplificador regenerativo y que no emplea una amplificación de impulsos con modulación temporal de la frecuencia o amplificación parabólica, cuando ambas necesitan de un compresor de impulsos posterior al último estadio de amplificación, permite una complejidad menor, una fiabilidad y un precio más interesante para el sector industrial, en comparación con, por ejemplo, la fuente láser descrita en la solicitud de patente US 2003/0156605. De preferencia, el impulso láser de femtosegundo crea una modificación de índice de refracción del material transparente en los puntos enfocados o en su periferia. De esta manera, la presente invención soluciona los problemas de marcación interna de los materiales transparentes de una manera segura y confiable, con un nuevo tipo de fuentes láser de femtosegundo bombeadas por diodos mediante la creación de un cambio de índice de refracción, que abre el panorama a diseños particulares y a las marcaciones de códigos en alta resolución. Es necesario subrayar que la modificación de índice de refracción efectuada por el método de acuerdo con la invención es diferente al efecto difractivo presentado en la patente US 2005/0073748.

En efecto, el efecto difractivo presentado en la patente US 2005/0073748 se explica mediante una modulación de índice de refracción que construye una red de Bragg. Se demuestra de manera experimental que la distribución espacial del índice de refracción se constituye de una superposición de perfiles de tipo seno según la dirección transversa X. Se interpreta con la ayuda de la teoría simplificada de las ondas acopladas de Kogelnik. Este último supuesto y, que por cierto no es válido, acerca de si la modulación de índice es constante de acuerdo con la dirección longitudinal Z. Por otra parte, esta teoría no es estrictamente aplicable en este caso a excepción de las redes de Bragg con una densidad de líneas más elevada que la que se produce comúnmente con el método de acuerdo con la presente invención, es decir, una densidad superior a 500 trazos/mm. Por el contrario, las modulaciones de índice en función difractiva efectuadas por el método de acuerdo con la invención son de amplitud muy variable de acuerdo con la dirección longitudinal (dirección de propagación del haz o dirección Z de la patente 2005/0073748) . Esta ausencia de homogeneidad es, en especial, reforzada por el auto-enfoque del haz láser que modifica de forma espacial no lineal la modulación de índice en la región de enfoque. Una distribución de modulación de índice es completamente diferente a aquella presentada en la patente US 2005/0073748. Entre otros, ésta no constituye más una red de Bragg y necesita del uso de modelos de onda acoplados rigurosos para su descripción. Además, estos modelos ponen en evidencia comportamientos difractivos muy diferentes a los obtenidos por las redes de Bragg, como la difracción multi-orden. Esto es particularmente cierto para las estructuras difractivas de baja frecuencia espacial como aquellas generadas mediante el método de acuerdo con la presente invención. El método de acuerdo con la presente invención difiere entonces completamente del método descrito en la solicitud de patente US 2005/0073748A1. Dado el método utilizado en el US 2005/0073748, las velocidades y tiempos de irradiación citados usando un láser de potencia equivalente al descrito con anterioridad (1 vatio) conduce a tiempos de ciclo de 40 minutos para la marcación de un código de 1 mm2, y de 25 segundos para la marcación de un código de 0.01 mm2. Estos valores son incompatibles con las aplicaciones mencionadas en la patente. Gracias a este método, las velocidades de marcación aumentan a un factor superior a 1500 para los códigos milimétricos y superior a 500 para los códigos menores a 100 x 100 µm. El láser de femtosegundo bombeado por diodos utiliza de preferencia un cristal dopado con tierras raras, por ejemplo, un cristal dopado con Iterbio, o un láser de fibra, es decir, cuyo núcleo activo es una fibra dopada. La invención puede utilizarse para: • la industria de la decoración: es posible reducir los tiempos de tratamiento del vidrio a unos segundos, lo que da una productividad atractiva para las industrias del perfume o de las bebidas (vinos, licores,...) las cuales comprenden millones de botellas decoradas al año, introduciendo conceptos de decoración innovadores que puedan obtenerse con láser YAG (impulsos ns); • las aplicaciones anti-fraude: es posible escribir códigos individuales de forma confiable a más de 100 códigos por segundo y leer con la misma fiabilidad las firmas invisibles pero con alto contraste con la ayuda de un sistema de visión de bajo costo, tanto en las líneas de producción como con los nuevos lectores manuales, además también es posible incluir datos "ocultos" en las decoraciones complejas asociadas con los dispositivos de lectura adaptados; • la marcación normativa: es posible escribir referencias normativas que son independientes de la calidad del vidrio y que pueden interpretarse de forma visual o leerse mediante sistemas de visión simples. Además es posible proponer una marcación directa en las industrias farmacéuticas, químicas, y de las bebidas, sin modificar las propiedades mecánicas, en consecuencia sin microfisuras, con el fin de mantener la integridad del vidrio; • en el campo de la marcación en el interior de un sustrato de vidrio, más específicamente en frascos, en botellas de perfume, en los cristales de un automóvil, en vidrio templado; • en el campo de la identificación de un soporte de datos como CD, DVD, ... por el uso de un identificador que puede insertarse en la parte transparente del soporte (centro del disco) o en el embalaje con el fin de garantizar la originalidad del soporte, el identificador que puede ser una marca, un código o la combinación de los dos . El método de acuerdo con la invención permite el llenado de marcación o del identificador mediante una estructura difractiva, lo que tiene como ventaja que los trayectos de la luz a través del objeto transparente sean modificados, pero que la transparencia del objeto por marcar no sea suprimida, a diferencia de una estructura difundida como por ejemplo es el caso en la patente US2004032566. El dispositivo que permite poner en marcha el método de la presente invención incluye un láser de femtosegundos bombeado por diodos y se optimiza para las grandes cadencias de las producciones industriales, éste comprende un amplificador regenerativo de femtosegundo y no utiliza la amplificación de impulsos con modulación temporal de la frecuencia, así como un dispositivo que contiene dicho láser, un cabezal galvanométrico, una óptica de enfoque y un sistema de control.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS Para mayor claridad, enseguida se describen algunos ejemplos del montaje de un dispositivo utilizable de acuerdo con la invención a título ilustrativo y no restrictivo así como el método de acuerdo con la invención para la marcación interna por láser en materiales transparentes, en donde se hace referencia a los dibujos anexos en los que: la figura 1 es una vista esquemática de una instalación láser con un láser de acuerdo con la invención que permite la marcación interna de un objeto transparente por láser de acuerdo con el método de la invención; la figura 2 representa un láser de acuerdo con la invención; las figuras 3 y 4 representan las variantes de láser de acuerdo con la invención; las figuras 5 y 6 representan respectivamente las partes señaladas como F5 y F6 en la figura 4; las figuras 7 y 8 muestran dos motivos difractores posibles para la marcación de un objeto; la figura 9 muestra dos ejemplos de identificadores de un objeto; las figuras 10 a 12 representan ejemplos de códigos anti-falsificación efectuados por el método de acuerdo con la invención; las figuras 13 y 14 muestran dos sistemas de lectura utilizados para la visualización de marcaciones efectuadas de acuerdo con el método de la invención.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN Como se representa en la figura 1, el método de la invención utiliza una instalación láser que comprende un láser de femtosegundo bombeado por diodos 1, un sistema de transporte de haz 2, por ejemplo un cabezal galvanométrico y de control del diseño grabado, un sistema óptico de enfoque 3 del haz láser 4 que permite muy pocas aberraciones. La marcación 5 o diseño en forma, por ejemplo, de un identificador, código, logo, decoración, se graba en el interior del material transparente 6 del objeto por marcar sin ninguna microfisura. El sistema de lectura 7 leerá la información incluida en la marcación 5 o el código grabado. Un láser de femtosegundo 1 es un láser pulsante que emite impulsos muy cortos de luz. Cada impulso tiene muy poca duración, por lo general, del orden de 10 a algunas centenas de femtosegundos (1 fs = 10"15 seg.). El uso de impulsos tan cortos para la marcación ofrece 2 ventajas principales: • debido a la corta duración de impulso, no aparece ningún efecto térmico durante el tratamiento, lo que resulta en una alta calidad de marcación, sin creación de microfisuras; y • debido a la potencia de cresta tan alta de los impulsos, la potencia de cresta se define como la relación entre la energía de un impulso y su duración; es posible alcanzar una marcación sobre o en el interior de los materiales transparentes. Como se representa en las figuras 2 y 3, existen dos métodos para producir impulsos de femtosegundos de alta energía por un láser 1, es decir, a partir de un oscilador de femtosegundo 10 o a partir de un amplificador de femtosegundo 11. Un oscilador láser de femtosegundo 10 como se representa en la figura 2 produce comúnmente un tren 12 de impulsos 13 de muy baja energía del orden de nanoJoule, pero a una frecuencia muy alta, por lo general, de 10 MHz a 100 MHz. Un oscilador de femtosegundo 10 incluye fuentes de bombeo láser 14 y un medio activo (cristal, vidrio, fibra), un resonador, y una parte oscilatoria 10A para generar impulsos 13 de femtosegundos. De tales osciladores 10 se pueden producir impulsos con energías que van hasta los 500 nJ, lo cual puede ser suficiente para algunas aplicaciones. Un amplificador láser 11 como se representa en la figura 3 se utiliza si la energía de impulso 13 no es suficiente para una aplicación particular y comprende una parte oscilatoria HA seguida de una parte amplificadora 11B y permite la amplificación de impulso. No obstante, la amplificación directa de impulsos de femtosegundos 13 no siempre es simple. Durante la amplificación, la potencia de cresta del impulso amplificado puede llegar a ser bastante grande como para causar daños ópticos a los componentes del amplificador . En este caso se puede utilizar un amplificador 11 basado en la técnica de amplificación de impulsos con modulación temporal de la frecuencia (Chirped Pulsed Amplification o CPA) que es una técnica muy conocida que se describe por ejemplo en el artículo de Galvanauskas et al., Optics Letters 26, p. 935 (2001) y que es destinada a reducir la potencia de cresta en el interior del amplificador. Es un método de tres etapas que se ilustra en la figura 4 : • la duración del impulso 13 que proviene de la parte oscilatoria HA aumenta en un ensanchador de impulso 15, que reduce así la potencia de cresta de impulso 13; • el impulso 13 se amplifica en la parte amplificadora 11B sin la aparición de daños gracias a la potencia de cresta reducida; y, una vez que pasan todos los componentes sensibles, la duración del impulso 13 se restablece a su valor inicial en un compresor de impulso 16. Estos amplificadores 11 típicos pueden aumentar la energía de impulso por 4 a 6 gamas de valores. Sin embargo, amplificar a tales niveles de energía manteniendo un alto índice de repetición de la parte oscilatoria HA resultaría en potencias medianas imposible de controlar. Sólo un impulso 13 de la parte oscilatoria 11A se selecciona por un conmutador óptico 17 para la amplificación que resulta en un bajo índice de repetición. El esquema típico de un láser de femtosegundo con amplificación de impulsos con modulación temporal de la frecuencia se ilustra en la figura 4. Las diferentes etapas de la generación de impulsos de femtosegundos por estos tipos de láser son: • el oscilador láser HA libera una sucesión de impulsos 13 cortos de energías reducidas; • la duración del impulso aumenta en el ensanchador de impulso 15; el conmutador óptico 16 extrae un impulso 13 único; • la energía del impulso aumenta en el amplificador 11B; - el conmutador óptico 16 extrae del amplificador 11B el impulso de alta energía; y finalmente, • la duración de impulso se reduce en un compresor de impulso 16. En una configuración típica, el oscilador 10 y el amplificador 11 utilizan al mismo tiempo materiales o cristales dopados con Iterbio como componente activo. Los materiales alternativos son dopados con Neodimio, o con otras tierras raras. De la misma manera, el conmutador óptico 17, por lo general, es un conmutador electro-óptico, que utiliza una célula de Pockels. En las configuraciones alternativas, el conmutador óptico 17 es un conmutador acústico-óptico que utiliza un modulador acústico-óptico. Las características típicas del haz láser 4 generado por el amplificador 11 son: la duración de impulso es inferior a 3 ps, por ejemplo 500 femtosegundos; • la energía de impulso es superior a 1 µJ, por ejemplo 10 µJ; • un índice de repetición superior a 10 kHz; y • una calidad de haz de acuerdo con la norma TEM00. El ensanchamiento de impulsos toma ventaja del hecho de que un impulso de femtosegundo tenga un espectro intrínsicamente ancho. La duración de impulso ?T y la anchura ?v de su espectro están unidas por la relación ?T. ?v > k, en donde k es una constante dependiente de la forma temporal del impulso . La figura 5 muestra el principio del funcionamiento de un ensanchador de impulso 15. La figura se representa sólo a título de ilustración, y no es necesariamente el diseño real utilizado en el sistema. En esta figura, el ensanchador de impulsos 15 incorpora dos redes de difracción, en donde cada componente espectral del impulso de femtosegundo 13 sigue un camino óptico diferente, 18 y 19, respectivamente. El camino óptico 18 visto por una longitud de onda corta, que con frecuencia se denomina la parte "azul" del espectro, es más largo que el camino óptico 19 visto por una longitud de onda más grande, llamada la parte "roja" del espectro. La parte "azul" es así retardada en el ensanchador de impulsos 15. En la salida del ensanchador 15, los diferentes componentes espectrales sufren una desviación.

Es importante resaltar que los términos "azul" y "rojo" no deben entenderse de forma literal, la anchura espectral de los impulsos de femtosegundo siendo del orden de algunos nanómetros, lo que está lejos de cubrir el espectro visible. Tal como se representa en la figura 6, el amplificador láser 11 es un amplificador regenerativo, que se compone de un resonador láser 20, en el cual se propaga un impulso 13 ensanchado de manera temporal que proviene de la parte oscilatoria HA. Un módulo de conmutación 21 en célula de Pockels atrae un impulso 13 único que proviene de la parte oscilatoria HA en el amplificador 11. Este impulso 13 se amplifica después por las idas y vueltas sucesivas en el amplificador láser 15, a diferencia de un amplificador simple en el que no hay más que un sólo paso del impulso. Una vez que el impulso amplificado ha alcanzado el nivel de energía deseada, se extrae del resonador mediante el mismo conmutador 21 en célula de Pockels. Un dispositivo de rotación óptica que utiliza un rotador de Faraday 22, envía después el impulso de salida en el compresor de impulso 16. Las principales ventajas de la amplificación regenerativa son una relación de amplificación elevada (por lo general, superior a 6 órdenes de magnitud) , así como una excelente calidad de haz (Haz gaussiano TEM0o) El compresor de impulsos 16 restablece la duración del impulso amplificado a su valor inicial. Su principio es similar al del ensanchador de impulso 15, a excepción de que en este caso la parte "azul" del espectro ve un camino óptico más corto que la parte "roja". Aunque la invención no excluye el uso de la técnica de la amplificación de impulsos con modulación temporal de la frecuencia, es preferible no aplicar esta técnica para evitar la utilización de un ensanchador y/o de un compresor de impulso como en el caso, por ejemplo, de la solicitud de patente US2003/0156605 Al con una fuente láser que no utiliza amplificador regenerativo, pero utiliza ya sea la amplificación de impulsos con modulación temporal de la frecuencia o la amplificación parabólica, ambas necesitan un compresor posterior al último estadio de amplificación . En efecto, la generación de altas potencias de cresta es limitada por los daños inducidos mediante la alta potencia y el uso de la amplificación de impulsos con modulación temporal de la frecuencia permite evitar esta limitación, sin embargo, presenta ciertos inconvenientes para el diseño del sistema, es decir, que el ensanchador y el compresor de impulsos hace al sistema más complejo y además, la eficacia típica de un compresor es solamente del orden de 50 a 60%, lo que reduce de forma significativa la eficacia total del sistema. Antes de que los daños ópticos aparezcan, la primera limitación se debe a los efectos no lineales en los componentes ópticos del amplificador. Estos efectos, y en particular la automodulación en fase (Self-Phase Modulation 0 SPM) , conllevan a un ensanchamiento espectral y espacial de un impulso óptico ultracorto debidos a la dependencia temporal del desfase no lineal en fase, que es una consecuencia de la dependencia a la intensidad del índice de refracción. La automodulación en fase es proporcional a la potencia de cresta del impulso, e inversamente proporcional al tamaño del haz en los componentes ópticos. Así, en una configuración típica, la fuente láser 1 utilizada, será particularmente optimizada para la marcación interna a gran velocidad, es decir que: la energía por impulso 13 está lo suficientemente elevada para permitir una marcación eficaz, pero lo suficientemente baja para no necesitar de un ensanchador 15 y un compresor de impulso 16; • el índice de repetición es elevado (> 100 kHz) para garantizar una velocidad de tratamiento elevada; y • el láser 1 es un láser de femtosegundo bombeado por diodos y, así, se beneficia de todas las ventajas descritas en los párrafos anteriores. En esta configuración, el láser 1 se compondrá entonces de: • un oscilador de femtosegundo, que libera una sucesión de impulsos de alta energía y de corta duración, a un índice de repetición elevado; • un amplificador regenerativo que utiliza un conmutador óptico 17 con el fin de seleccionar un sólo impulso 13 que proviene del oscilador, que lo envía al amplificador, y que lo extrae una vez de la amplificación efectuada; y • un rotador óptico que verifica que el impulso 13 que proviene del oscilador y que va al amplificador, y el impulso que proviene del amplificador, no sigan el mismo camino. En esta configuración típica, el amplificador acepta de forma directa un impulso del oscilador, es decir, un impulso no extendido de manera temporal en un ensanchador de impulso 15. El diseño del láser amplificado, que permite una amplificación directa sin la necesidad de la amplificación de impulsos con modulación temporal de la frecuencia, se apoya en tres puntos: • minimizar el número de componentes ópticos en el camino óptico del haz, los únicos componentes que contribuyen de forma significativa en la SPM son las células de Pockels y el cristal láser en la realización descrita anteriormente; • minimizar la longitud óptica del sistema, por ejemplo al seleccionar los componentes con una longitud tanto reducida como viable;. • maximizar el tamaño del haz en los componentes ópticos. Estas etapas no son evidentes y requieren de un diseño especial, por ejemplo: la reducción de la longitud del cristal es compensada por la eficacia del sistema. De acuerdo con la invención, el láser 1 es entonces un láser de femtosegundo bombeado por diodo que pueden ser, en función de las aplicaciones, un oscilador, un amplificador que utilice la amplificación de impulsos con modulación temporal de la frecuencia, o un amplificador que no utilice la amplificación de impulsos con modulación temporal de la frecuencia. El método para la marcación interna por láser en materiales transparentes se ilustra en la figura 1. La marcación 5 bajo la forma de un diseño o de un código lo da el ordenador de control 8 o a través de una interfaz unida a una base de datos o a un sistema ERP 9. El láser 1 completa el diseño (datamatrix, número de serie, logo) como se representa en las figuras 7 y 8, con una serie de puntos 23 o líneas 24, respectivamente, o por figuras o formas repetitivas, mediante el enfoque del haz 4 en el interior del material 6, cuando la profundidad es seleccionada por el operador o por el mismo sistema gracias a un dispositivo de medición de distancia. Los puntos 23 se definen mediante uno o más impulsos del láser, las características de las líneas 24 se definen por la velocidad (en un índice de repetición establecido) del láser 1, por lo tanto, por un número de impulsos por línea 24. La distancia entre los puntos 23 es controlada en el objetivo de obtener códigos visibles o invisibles, pero con un fuerte contraste para un sistema de lectura o de visión 7. En función de la longitud de onda y de la difracción angular necesaria para el sistema de visión 7, se elige un paso en la gama del espectro de longitudes de onda del lector del sistema de visión que se sitúa, por lo general, entre 0.5 y 10 µm. Las marcaciones o códigos 5 pueden ser controlados después del tratamiento mediante un sistema de visión 7 con o sin iluminación especial. Las marcaciones 5 o códigos pueden volverse a leer por una cámara fija o un sistema de visión, o por un lector manual. El efecto del impulso láser es un cambio de índice localizado, que permite crear una estructura difractiva interna. La energía, la densidad de energía y el número de impulsos se optimizan para obtener Las marcaciones o códigos 5 permanentes. El tamaño del foco está comprendido entre 1 y µm, lo que permite una precisión extrema. Un sólo punto 23 es invisible, sin embargo, el conjunto de puntos o líneas, y el motivo repetitivo conlleva a un diseño absorbente o a una estructura difractiva. Para obtener un contraste fuerte, los puntos 23 o líneas 24 describen un motivo repetitivo y de preferencia están separados por una distancia entre 0.5 y 10 µm. En este caso, la luz será difractada, los códigos 5 tendrán diferentes colores de acuerdo con el ángulo de visión, y con la iluminación apropiada, los códigos estarán muy contrastados, llegando a más del 75% (Grado A AIM) . Los códigos 5 pueden ser tan pequeños que no son visibles al ojo sin microscopio. Asimismo, los códigos 5 pueden ser invisibles a la luz del día pero visibles a una longitud de onda apropiada con un sistema de visión 7 con una cámara sensible a esta longitud de onda, que proporciona una firma anti-fraude. Una matriz de dos dimensiones 16 x 16 no debe ser más grande de 60 x 60 µm, que proporciona una cantidad enorme de datos (16 caracteres alfanuméricos - 1024 referencias) y que pueden ser leídos. La alta frecuencia de láser bombeados por diodo permite hacer códigos legibles permanentes en menos de 0.05 segundos, la limitación se debe a los tiempos de cálculo de los ordenadores. De esta manera se puede grabar, por ejemplo, un identificador (5) en forma de una datamatrix de dos dimensiones legible de un tamaño inferior a 0.4 x 0.4 mm en menos de 0.2 segundos. Tal como se representa en la figura 9, las marcaciones 5 grabadas pueden ser logos, textos, números de serie, matrices de dos dimensiones, por ejemplo Datamatrices, códigos de barras, códigos especiales anti-fraude, como por ejemplo, los códigos Kezzler, o una combinación de decoración y códigos. El código puede incrementarse de forma automática por el sistema o unido a un sistema de control externo que le permita la administración de esos datos. La información decodificada puede permitir una información directamente utilizable, por ejemplo, una fecha de caducidad, o a través de una solicitud en la base de datos interna en la sociedad o en un banco de información centralizada general para los códigos anti-falsificación. Los códigos pueden tener dimensiones de sólo unas decenas de mieras. Pueden estar muy contrastados, por ejemplo, entre 60 y 80% de Grado A AIM para un sistema de visión . La extrema precisión del método permite tener diferentes niveles de seguridad: puede marcarse un código normativo visible y una datamatrix invisible al mismo tiempo. Tal como se representa en la figura 10, un código visible 25 de marcaciones por un método de acuerdo con la invención puede comprender otros datos destinados a la valoración anti-fraude, por ejemplo, utilizando un píxel 26 del código normativo como código datamatrix legible únicamente con un sistema de visión apropiado (evaluación óptica) o mediante la utilización de bits disponibles y no utilizados del código (evaluación por uso de un programa de descodificación dedicado) . Por ejemplo, las datamatrices anti-fraude 25 pueden ser insertadas en un logo o formar parte integrante de un nombre de marca o de una marca registrada. En el ejemplo de la figura 11 el código 27 es invisible y oculto en la decoración, por ejemplo, como contenido del punto en la "i" 28 del logo "Identificador" 29. Los códigos o logos pueden tener efectos sorprendentes como ser invisible excepto por un sólo ángulo de visión, cambiar de color en función del ángulo de visión, o ser visible solamente con una iluminación apropiada. Para incrementar aún más la seguridad, el ángulo de vista que permite la lectura del identificador puede ser modificado de forma clara. La información comprendida en una damatrix puede ser un código Kezzler bajo la forma de una serie de 16 caracteres alfanuméricos, que proporcionan una protección anti-fraude, óptica y numérica (mediante programa) . La información comprendida en una damatrix puede ser leída por un lector estándar y también comprende cierta información oculta para un lector estándar gracias a los bits no utilizados del datamatrix, esta información oculta no se lee más que combinada con una clave del programa apropiada . El aspecto de imitación puede ser obtenido por la presencia del logo o de la marca, el aspecto estético del identificador, la codificación, la información visible o invisible asociada o no a un programa especial de decodificación, o una combinación de las técnicas que permiten una copia económicamente no viable. El código normativo (visible) puede contener diferentes niveles de información, por ejemplo, la lectura del código de la figura 12 da el código 050904-33245656-3-4 que contiene: • los datos destinados a la utilización final, una fecha de caducidad por ejemplo, 4 de septiembre de 2005 (040905) ; • los datos destinados a la administración de la producción 33245656 pueden ser un código individual o un número de lote relacionado con un banco de datos que permiten controlar los diferentes parámetros utilizados para la producción del producto marcado; • los datos (3-4) destinados a la evaluación de imitación directamente explotable por los expertos ya sea por un programa apropiado, ya sea debido a que define la posición x=3, y=4 de un código anti-fraude invisible efectuado mediante el mismo método y destinado a la administración de la imitación o de los circuitos de distribución. Los identificadores 5 que pueden crearse en diferentes profundidades, diversos códigos pueden marcarse pero a diferentes profundidades, haciendo la posibilidad de suprimirlas casi imposible. Un ejemplo de un sistema de lectura 7 representado en las figuras 13 y 14 comprende una cámara 30, un objetivo 31 y una iluminación 32. La mejor elección para leer códigos grabados absorbentes es una iluminación 32 en campo claro en un fondo claro 33 (white field) como se representa en la figura 13, y la mejor elección para leer códigos difractivos 5 es una iluminación 32 con fondo oscuro 34 (dark field) como se representa en la figura 14. Es posible utilizar sistemas de lectura o de visión 7 fijos o manuales. Los códigos 5 pueden de igual manera ser detectados por una Webcam y analizados por un programa de visión más adelante. La lectura puede efectuarse en línea con el fin de verificar los códigos grabados 5, sin importar en que etapa de la producción o en que laboratorio, para una evaluación futura del producto. Gracias al método de acuerdo con la invención puede alcanzarse un contraste de 75% (grado A-AIM: Automatic Identification Manufacturers, estándar para las datamatrices definidas en ISO/IEC18022 ) . El código puede ser una serie especial de caracteres alfanuméricos a los que se hace referencia en una base de datos. Es evidente que la invención no está limitada en absoluto a los ejemplos descritos antes, sino que pueden efectuarse numerosas modificaciones al método y al láser descritos anteriormente sin salirse del marco de la invención que se define en las reivindicaciones siguientes.

Claims (39)

1. NOVEDAD DE LA INVENCIÓN Habiendo descrito la presente invención se considera como novedad y por lo tanto se reclama como propiedad lo descrito en las siguientes reivindicaciones.
2. REIVINDICACIONES 1. Un método para marcación interna por láser en materiales transparentes, por ejemplo para la marcación de un identificador para un objeto de material transparente, caracterizado porque una fuente láser de femtosegundo bombeada por diodos se utiliza para la marcación no agresiva con un alto contraste para generar impulsos láser que son enfocados de forma sucesiva en diferentes puntos de la marcación a efectuarse y que permite efectuar marcaciones a gran velocidad, por lo general, superior a 0.1 mm2 por segundo. 2. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la fuente láser utilizada permite una velocidad de marcación superior a 1 mm2 por segundo.
3. 3. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el láser de femtosegundo bombeado por diodos utiliza un cristal dopado con Iterbio.
4. 4. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el láser de femtosegundo bombeado por diodos es un láser de fibra, es decir, su núcleo activo es una fibra dopada.
5. 5. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el láser de femtosegundo bombeada por diodos es un oscilador de femtosegundo.
6. 6. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el láser de femtosegundo bombeado por diodos es un amplificador de femtosegundo.
7. 7. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque el láser de femtosegundo bombeado por diodos es un amplificador regenerativo de femtosegundo.
8. 8. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el láser de femtosegundo bombeado por diodos es un amplificador regenerativo de femtosegundo y no hace uso de la amplificación de impulsos con modulación temporal de la frecuencia .
9. 9. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el láser de femtosegundo bombeado por diodos tiene un índice de repetición superior a 10 kHz, de preferencia superior a 100 kHz.
10. 10. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el láser de femtosegundo bombeado por diodos tiene una duración de impulso inferior a 3 ps .
11. 11. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el láser de femtosegundo bombeado por diodos tiene una energía por impulso superior a 3 µJ.
12. 12. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el identificador es muy pequeño, generalmente, inferior a 120 µm, y, por lo tanto, invisible a simple vista.
13. 13. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la marcación es fácilmente legible por un sistema de lectura o de visión estándar.
14. 14. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el identificador, por ejemplo, una damatrix de dos dimensiones de 16 líneas x 16 columnas, es aún menor a 60 x 60 µm.
15. 15. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el identificador se graba en menos de 0.05 segundos.
16. 16. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el identificador, por ejemplo, una damatrix de dos dimensiones legible de un tamaño inferior a 0.4 x 0.4 mm se graba en menos de 0.2 segundos .
17. 17. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el identificador puede alcanzar un contraste de 70% (grado A-AIM) .
18. 18. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el impulso láser de femtosegundo crea una modificación local del índice de refracción del material transparente.
19. 19. El método de conformidad con la reivindicación 18, caracterizado porque las modulaciones de índices creados por el método son de amplitud fuertemente variable de acuerdo con la dirección longitudinal, es decir, de acuerdo con la dirección de propagación de los impulsos láser.
20. 20. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el llenado del identificador es una estructura difractiva.
21. 21. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el identificador es llenado mediante las figuras o formas repetitivas.
22. 22. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el identificador es llenado de líneas o de puntos separados entre sí por una distancia del orden del espectro de longitud de onda del lector, como un sistema de lectura o a la vista de un observador.
23. 23. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el identificador comprende una parte normativa y una parte anti-fraude.
24. 24. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el identificador se incluye en una figura decorativa.
25. 25. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque algunos bits de los códigos de identificación definen la posición de un código anti-fraude invisible efectuado mediante el mismo método.
26. 26. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el identificador es marcado en el interior de un sustrato de vidrio .
27. 27. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el identificador se marca en los frascos.
28. 28. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el identificador se marca en las botellas de perfume.
29. 29. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el identificador se marca en los cristales de un automóvil.
30. 30. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el identificador se marca en vidrio templado.
31. 31. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el identificador se incluye para formar parte integrante del nombre de una marca o de una marca registrada.
32. 32. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado además porque un identificador se coloca al lado de otro pero a diferentes profundidades.
33. 33. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el ángulo de vista que permite la lectura del identificador puede ser claramente modificado para incrementar aún más la seguridad.
34. 34. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el identificador se marca en el interior de un soporte de datos, como el CD, DVD,..., o en el interior de su embalaje.
35. 35. El dispositivo para la marcación interna de materiales transparentes, caracterizado porque comprende un láser bombeado por diodos que comprende un amplificador regenerativo de femtosegundo y que no utiliza la amplificación de impulsos con modulación temporal de la frecuencia; un cabezal galvanométrico; una óptica de enfoque y un sistema de control.
36. 36. El dispositivo de conformidad con la reivindicación 35, caracterizado porque el láser es un láser de femtosegundos bombeado por diodos con un índice de repetición superior a 10 kHz y energías por impulso comprendidas entre 1 y 100 µJ.
37. 37. El dispositivo de conformidad con la reivindicación 36, caracterizado porque comprende un sistema de visión con el fin de verificar los códigos y una iluminación adaptada.
38. 38. El código grabado de conformidad con el método de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 34, caracterizado porque se destina al combate antifalsificación.
39. 39. El código grabado de conformidad con el método de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 34, caracterizado porque se destina al control de los circuitos de distribución.