專利名稱：工件的標(biāo)記或標(biāo)注方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用高能輻射，更具體地用激光束標(biāo)記或標(biāo)注工件的方法，該工件具有
光散射表面，構(gòu)成該工件的材料可透過(guò)所述輻射波長(zhǎng)，聚合物基體設(shè)置在該工件上以使得 輻射在穿過(guò)工件及其光散射表面之后撞擊到聚合物基體上。
背景技術(shù)：
已知激光輻射用于工件材料的用途根本上是基于輻射的吸收和能量轉(zhuǎn)換，能量轉(zhuǎn) 換伴隨著隨后諸如蒸發(fā)、電離、顆粒去除和光化學(xué)事件等過(guò)程。這些過(guò)程可發(fā)生在工件自身 之中，從而產(chǎn)生例如刻痕形式的標(biāo)記或標(biāo)注或者另一種材料作為例如激光束蒸發(fā)的一部分 在工件上局部沉積(脈沖激光沉積，PLD)。特別是在工件材料可透過(guò)所用激光輻射的波長(zhǎng) 的情況下，發(fā)生各種脈沖激光沉積。 材料的光學(xué)性質(zhì)可通過(guò)視作波長(zhǎng)的函數(shù)的透光度T、反光度R和吸光度A來(lái)描述。 激光束通常穿過(guò)空氣介質(zhì)到達(dá)加工位置，在該位置撞擊工件表面。已知激光能量?jī)H以特定 的程度與工件耦合。損失主要是由激光輻射在待加工工件表面的反射和散射所造成的。因 此，僅有一部分激光束供所需操作之用，或者分別通過(guò)散射再次耦合出去或轉(zhuǎn)向不期望的 工件區(qū)域。 具體地，具有金屬特性的材料在大的波長(zhǎng)范圍內(nèi)具有高反光度，這使得加工更加 困難，且意味著為了能夠加工具有金屬特性的工件，必須以適當(dāng)?shù)木仍O(shè)定操作變量如功 率、波長(zhǎng)、脈沖寬度和照射時(shí)間。 在光學(xué)性質(zhì)方面，在兩種介質(zhì)之間的界面處的狀況和在介質(zhì)內(nèi)的狀況存在差異。 在兩種介質(zhì)之間的平界面處，激光可被透過(guò)和/或反射。在介質(zhì)本身之中，可能存在吸收或 完全透過(guò)(例如在工件是不吸收該光波的玻璃基體的情況下)。 然而，如果在微觀結(jié)構(gòu)中存在界面，界面在該微觀結(jié)構(gòu)中起到會(huì)聚透鏡或漫射透 鏡的作用，則激光可能經(jīng)歷路徑的變化。類似地，粗糙度在微米范圍內(nèi)的表面產(chǎn)生明顯的漫 反射。 總之，這些光學(xué)現(xiàn)象干擾光在材料中的耦合并因而可能明顯損害加工結(jié)果。特別
是具有高加工閾值的高反射性材料只能采用極強(qiáng)的激光來(lái)加工。然而，另外，激光經(jīng)過(guò)的材
料如光學(xué)透鏡改變激光束的品質(zhì)，從而在進(jìn)一步使用的過(guò)程中造成不良后果。 在工件由玻璃制成的情況下，通常使用抗反射涂層，以降低可見(jiàn)波長(zhǎng)的反射，這種
涂層可用于建筑中、玻璃片上，也可用在柔性焦距透鏡組上。 粗糙表面沿各個(gè)方向反射光是公知常識(shí)。如果粗糙度明顯小于入射光波長(zhǎng)A ，則 將表面稱作是光學(xué)平滑的。然而，如果粗糙度大于波長(zhǎng)A ，則將表面稱作是光學(xué)粗糙的。例 如，具有光學(xué)粗糙表面的玻璃表現(xiàn)為不透明的，但是基于其其它光學(xué)性質(zhì)該玻璃是透明的。
由于對(duì)借助激光輻射的玻璃加工而言應(yīng)使盡可能少的激光輻射透過(guò)玻璃，因而常 使用C02激光加工玻璃，這是因?yàn)椴Ａ?duì)于約10. 6 ii m的紅外波長(zhǎng)不是透明(translucent) 的。因此，激光輻射被吸收在玻璃之中并引起輻射能量的耦合而使工件升溫。這表明10. 6 m的波長(zhǎng)可用于玻璃的加工操作如切割和鉆孔。在使用波長(zhǎng)為1064nm的固態(tài)激光的情況下，玻璃確實(shí)具有極低的吸光度，因而該
激光輻射原則上穿過(guò)玻璃而對(duì)玻璃沒(méi)有結(jié)構(gòu)上的影響。然而，如果使用具有光學(xué)粗糙表面
的玻璃，則相當(dāng)一部分的激光束在粗糙界面處折射，僅有一定比例的激光束透過(guò)玻璃基體
并穿出。另外，可使用具有微結(jié)構(gòu)的玻璃以捕獲高能光或使高能光轉(zhuǎn)向。 特別是在太陽(yáng)能電池的情況下，使用玻璃結(jié)構(gòu)作為允許光耦合改善的太陽(yáng)能電池
外殼。將這種技術(shù)稱為"光陷阱"，因?yàn)槿肷涔庾涌山柚鼋Y(jié)構(gòu)通過(guò)反射最多8次而返回
并從而可原樣被"俘獲"。更近距離地觀察該結(jié)構(gòu)，根據(jù)幾何光學(xué)，所述結(jié)構(gòu)為作為漫射或
會(huì)聚透鏡的凹凸透鏡系統(tǒng)。然而，另外將微米粒子或納米粒子施用于表面，從而漫反射入射光。 反射定律則適用于光撞擊這種光學(xué)粗糙表面的各個(gè)位置。對(duì)于1064nm的激光波 長(zhǎng)同樣如此，因而平行激光束以不受控制的方式折射。因此，如果使用波長(zhǎng)為1064nm的激 光束標(biāo)注具有這種光學(xué)粗糙表面的工件，則與具有光學(xué)平滑表面的工件相比需采用較高的 激光功率，這首先使得該方法的效率較低，其次可能因?yàn)闊狁詈隙鴮?duì)工件具有不利影響。

發(fā)明內(nèi)容
因而，本發(fā)明的目的是提供用高能輻射，更具體地用激光束標(biāo)記或標(biāo)注工件的方
法和設(shè)備，其中激光經(jīng)過(guò)光散射粗糙表面后的耦合更加有效。 本發(fā)明包括 1. —種用高能輻射，更具體地用激光束1標(biāo)記或標(biāo)注工件3的方法，所述工件3具
有光散射表面9且構(gòu)成所述工件3的材料可透過(guò)所述輻射的波長(zhǎng)，聚合物基體7設(shè)置在所
述工件3上，使得輻射在穿過(guò)所述工件及其光散射表面9之后撞擊到所述聚合物基體7上，
其特征在于所述工件3的光散射表面9用液體或粘彈性介質(zhì)11潤(rùn)濕。 2.第l項(xiàng)的方法，其中所述液體或粘彈性介質(zhì)11具有與構(gòu)成所述工件3的材料的
折射率相近的折射率。 3.第1或2項(xiàng)的方法，其中所述液體或粘彈性介質(zhì)11在600nm至1500nm的波長(zhǎng) 范圍內(nèi)表現(xiàn)為沒(méi)有吸收或具有小于10%的吸光度，并使用波長(zhǎng)范圍為600nm至1500nm的輻射。 4.前述任一項(xiàng)的方法，其中所述光散射表面9用250nm至10mm的液體或粘彈性介 質(zhì)11的層潤(rùn)濕。 5.前述任一項(xiàng)的方法，其中構(gòu)成所述工件3的材料為玻璃基體，該玻璃基體在 600nm至1500nm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)表現(xiàn)為沒(méi)有吸收或具有小于10%的吸光度，并使用波長(zhǎng)范圍 為600nm至1500nm的輻射。 6.前述任一項(xiàng)的方法，其中將所述聚合物基體7設(shè)置為接觸所述工件3的與光散 射表面9相對(duì)的表面5。 7.前述任一項(xiàng)的方法，其中所述輻射致使材料從所述聚合物基體7上去除，且得 到的產(chǎn)物以標(biāo)記或標(biāo)注的形式沉積在所述工件3上。 8.前述任一項(xiàng)的方法，其中在標(biāo)記或標(biāo)注之后將所述液體或粘彈性介質(zhì)11從光 散射表面9上除去。
9. —種用激光束1標(biāo)記或標(biāo)注工件3的設(shè)備，所述設(shè)備具有激光束源和經(jīng)設(shè)計(jì)用 于夾持工件3的工件支架，所述工件具有光散射表面9，構(gòu)成所述工件的材料可透過(guò)所述激 光束1的波長(zhǎng)并且所述工件在所述激光束1的路徑中與聚合物基體7接觸，使得所述輻射 穿過(guò)所述工件3及其光散射表面9之后撞擊到聚合物基體7上，其特征在于所述設(shè)備還具 有配送裝置13，所述配送裝置13經(jīng)設(shè)計(jì)用來(lái)用液體或粘彈性介質(zhì)11潤(rùn)濕所述工件的光散 射表面9。 10.第9項(xiàng)的設(shè)備，其中所述設(shè)備還具有去除裝置，所述去除裝置經(jīng)設(shè)計(jì)用于將所
述液體或粘彈性介質(zhì)11從所述材料的光散射表面上除去。 11.第10項(xiàng)的設(shè)備，其中所述去除裝置為擦拭器和/或干燥器。 本發(fā)明首先提供用高能輻射，更具體地用激光束標(biāo)記或標(biāo)注工件的方法。在本文
中工件具有光散射表面且構(gòu)成工件的材料可透過(guò)輻射波長(zhǎng)。另外，將聚合物基體設(shè)置在工
件上，以使輻射在穿過(guò)工件及其光散射表面之后撞擊到聚合物基體上。該方法的特征在于
用液體或粘彈性介質(zhì)潤(rùn)濕工件的光散射表面。 用于實(shí)現(xiàn)該目的的聚合物基體是基于聚合物成分的任意基體。除了聚合物成分以 外，基體還可包括任意所需的非聚合物成分，僅主要成分應(yīng)在性質(zhì)上為聚合的。具體地，術(shù) 語(yǔ)"聚合物基體"還表示基礎(chǔ)聚合物的混合物。在特別優(yōu)選的實(shí)施方案中，聚合物基體為熱 固性聚合物基體。已證實(shí)熱固性材料特別適用于標(biāo)記或標(biāo)注工件。 由于用液體或粘彈性介質(zhì)潤(rùn)濕工件的光散射表面，填充了光散射表面的結(jié)構(gòu)，因 而光散射粗糙表面變得光學(xué)平滑。結(jié)果，表面的反射和散射特性以一定的方式改變，使得激 光束能夠通過(guò)工件而沒(méi)有破壞性的全反射并具有明顯降低的反光度。粘彈性介質(zhì)例如可以 是具有彈性膜載體的粘結(jié)劑，彈性膜載體可構(gòu)成聚合物基體。 為了使工件和介質(zhì)之間界面處的反射最小化，有利的是液體或粘彈性介質(zhì)具有與 工件材料的折射率相近(相似)的折射率，更優(yōu)選液體或粘彈性介質(zhì)與工件材料的折射率 相同。 所使用的輻射源優(yōu)選為適用于標(biāo)記、標(biāo)注或刻印工件的激光器。其為例如光纖耦 合固態(tài)二極管激光器，如波長(zhǎng)為1064nm及平均功率為12W至15W的FAYb光纖激光器(光 纖放大鏡激光器)。由于使用波長(zhǎng)范圍為600nm至1500nm的輻射，因而有利的是液體或粘 彈性介質(zhì)在600nm至1500nm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)表現(xiàn)為沒(méi)有吸收或者具有小于10%的吸光度。 這同樣適用于優(yōu)選為玻璃基體的工件材料。 應(yīng)有利地以極薄的液體或粘彈性介質(zhì)層潤(rùn)濕光散射表面，該介質(zhì)層剛好足以賦予 光散射粗糙表面光學(xué)平滑性。然而，由于可能存在介質(zhì)的蒸發(fā)和揮發(fā)，因而需要保證光散射 表面在輻射過(guò)程中充分潤(rùn)濕。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，實(shí)際上，根據(jù)應(yīng)用和表面粗糙度，當(dāng)所述液體或粘 彈性介質(zhì)層層厚為250nm至10mm時(shí)即可保證光散射表面在輻射過(guò)程中充分潤(rùn)濕?？赡芡?樣有利的是潤(rùn)濕光散射表面兩次或更多次或者進(jìn)行連續(xù)的潤(rùn)濕。 在該方法的一種優(yōu)選實(shí)施方案中，將聚合物基體設(shè)置為接觸工件的與光散射表面 相對(duì)的表面。穿過(guò)潤(rùn)濕表面和工件的輻射隨后可引起材料從相鄰聚合物基體的去除，從而 允許聚合物基體的成分或得到的產(chǎn)物以標(biāo)記或標(biāo)注的形式沉積在工件上。對(duì)于標(biāo)記或標(biāo) 注，優(yōu)選的是使產(chǎn)物沉積，所述產(chǎn)物是指反應(yīng)物的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物，所述反應(yīng)物由聚合物基體 提供并通過(guò)輻射引發(fā)的材料去除而能夠用于該反應(yīng)。隨后，還可進(jìn)一步利用輻射促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)或使化學(xué)反應(yīng)準(zhǔn)備就緒。 聚合物基體例如可具有鈦供體以及碳供體?？墒褂玫拟伖w有純鈦或含鈦化 合物，所述含鈦化合物具有經(jīng)受能量作用時(shí)在短時(shí)間內(nèi)提供游離鈦?zhàn)鳛榉磻?yīng)物的能力 (affinity)。在適當(dāng)?shù)那闆r下，還可經(jīng)由含鈦中間體的途徑提供游離鈦。碳供體提供游離 碳(特別是在能量輻射下)。碳供體可以是含碳化合物和/或未結(jié)合的游離碳?？赏ㄟ^(guò)聚 合物基體本身提供碳供體，或者可存在例如炭黑形式的附加碳組分。另外，聚合物基體還可
包括諸如聚合物、吸收劑等其它組分。由于輻射的作用，例如通過(guò)破壞含鈦化合物和含碳化 合物來(lái)提供鈦和碳反應(yīng)物，這些反應(yīng)物在經(jīng)受進(jìn)一步輻射的作用時(shí)，形成所需的碳化鈦產(chǎn) 物。在170(TC至220(TC的局部溫度下，優(yōu)選地，用炭黑或超純石墨還原二氧化鈦，形成碳化 鈦和一氧化碳。是輻射產(chǎn)生了反應(yīng)所需的溫度。 形成聚合物基體，使得聚合物基體主要通過(guò)粉化(pulverization)響應(yīng)激光輻
射，從而釋放出各反應(yīng)物(更具體的鈦和碳)，并使所述反應(yīng)物可進(jìn)行反應(yīng)而形成碳化鈦。
然后，沉積在工件上在可見(jiàn)波長(zhǎng)范圍內(nèi)不透明的碳化鈦用作工件上的標(biāo)記或標(biāo)注。 在標(biāo)記或標(biāo)注之后，優(yōu)選將液體或粘彈性介質(zhì)又從光散射表面上除去，因?yàn)閷?duì)于
工件的后續(xù)使用而言光散射粗糙表面的光學(xué)平滑性可能是不期望的。例如為了獲得改善的
光耦合，可精密地結(jié)構(gòu)化或粗糙化太陽(yáng)能電池外殼的玻璃表面。 其次，本發(fā)明提供用激光束標(biāo)記或標(biāo)注工件的設(shè)備，該設(shè)備具有激光束源和經(jīng)設(shè) 計(jì)用于夾持工件的工件支架，所述工件具有光散射表面，構(gòu)成工件的材料可透過(guò)激光束的 波長(zhǎng)，并且所述工件在所述激光束的路徑中與聚合物基體接觸，使得所述輻射在穿過(guò)工件 及其光散射表面之后撞擊到聚合物基體上，其特征在于該設(shè)備還具有配送裝置，所述配送 裝置經(jīng)設(shè)計(jì)用來(lái)用液體或粘彈性介質(zhì)潤(rùn)濕材料的光散射表面。 經(jīng)設(shè)計(jì)用來(lái)用液體或粘彈性介質(zhì)潤(rùn)濕材料的光散射表面的配送裝置可因此保證 光散射表面在標(biāo)記或標(biāo)注過(guò)程中充分潤(rùn)濕。 該設(shè)備優(yōu)選還具有去除裝置例如擦拭器、干燥器或抽吸裝置，以將液體或粘彈性 介質(zhì)從材料的光散射表面上除去。
以下參照附圖更詳細(xì)地說(shuō)明本發(fā)明方法的有利實(shí)施方案。


圖1示出激光束在工件的光散射粗糙表面上的漫反射。
圖2示出通過(guò)潤(rùn)濕光散射粗糙表面漫反射的減少。
具體實(shí)施例方式
圖1示出了激光束1如何射在表面5待標(biāo)記或標(biāo)注的工件3上。設(shè)置在工件3的 表面5上的是與表面5接觸的聚合物基體7。工件3可透過(guò)激光束1的波長(zhǎng)，而聚合物基 體7主要吸收激光束1。激光束1經(jīng)由工件3的與待標(biāo)記表面5相對(duì)的粗糙光散射表面9 進(jìn)入工件3，穿過(guò)工件3并撞擊吸收激光束1的聚合物基體7。然而，相當(dāng)一部分的激光束 1沒(méi)有透過(guò)工件3的粗糙光散射表面9，而是如圖1中徑向箭頭所示由于漫反射而返回。因 而，僅一部分激光束1到達(dá)聚合物基體7。激光束1的功率密度可能以這種方式在工件3內(nèi) 降至一定程度，使得不能夠?qū)崿F(xiàn)向聚合物基體7提供足以進(jìn)行標(biāo)記或標(biāo)注的能量傳遞。在這種情況下，粉化或解聚不可能在聚合物基體7中發(fā)生，因而沒(méi)有聚合物基體成分或所得 產(chǎn)物能夠作為標(biāo)記或標(biāo)注沉積在工件3表面5上。在這種情況下，需要提高激光的功率，這 會(huì)使得該方法效率較低，并會(huì)導(dǎo)致工件不必要的、甚至可能是破壞性的較高升溫。
圖2示出了潤(rùn)濕工件3的粗糙光散射表面9的液體11例如水的作用。在標(biāo)記或 標(biāo)注之前或在此過(guò)程中，使用噴嘴、滴管或其它液體出口形式的配送裝置13，將液體11施 用于粗糙光散射表面9。由于液體11的折射率近似于構(gòu)成工件3的材料(玻璃基體)的折 射率，因而使表面9光學(xué)平滑化。在這種情況下，在工件3和液體11之間的邊界層處不存 在漫反射。 因此，較大比例的激光束1進(jìn)入工件3，因而該方法效率較高，即使不提高激光功 率，也可實(shí)現(xiàn)向聚合物基體7提供足以進(jìn)行標(biāo)記或標(biāo)注的能量傳遞。在這種情況下，實(shí)際 上，暴露于激光束1使得在聚合物基體7中產(chǎn)生局部粉化和解聚，隨之聚合物基體的成分或 由其形成的產(chǎn)物以標(biāo)記或標(biāo)注的形式沉積在工件3的表面5上。
權(quán)利要求
一種用高能輻射，更具體地用激光束(1)標(biāo)記或標(biāo)注工件(3)的方法，所述工件(3)具有光散射表面(9)且構(gòu)成所述工件(3)的材料可透過(guò)所述輻射的波長(zhǎng)，聚合物基體(7)設(shè)置在所述工件(3)上，使得輻射在穿過(guò)所述工件及其光散射表面(9)之后撞擊到所述聚合物基體(7)上，其特征在于所述工件(3)的光散射表面(9)用液體或粘彈性介質(zhì)(11)潤(rùn)濕。
2. 權(quán)利要求l的方法，其中所述液體或粘彈性介質(zhì)(11)具有與構(gòu)成所述工件(3)的材 料的折射率相近的折射率。
3. 權(quán)利要求1或2的方法，其中所述液體或粘彈性介質(zhì)(11)在600nm至1500nm的波 長(zhǎng)范圍內(nèi)表現(xiàn)為沒(méi)有吸收或具有小于10%的吸光度，并使用波長(zhǎng)范圍為600nm至1500nm的輻射。
4. 前述任一項(xiàng)權(quán)利要求的方法，其中所述光散射表面(9)用250nm至lOmm的液體或粘 彈性介質(zhì)(11)的層潤(rùn)濕。
5. 前述任一項(xiàng)權(quán)利要求的方法，其中構(gòu)成所述工件(3)的材料為玻璃基體，該玻璃基 體在600nm至1500nm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)表現(xiàn)為沒(méi)有吸收或具有小于10%的吸光度，并使用波長(zhǎng) 范圍為600nm至1500nm的輻射。
6. 前述任一項(xiàng)權(quán)利要求的方法，其中將所述聚合物基體(7)設(shè)置為接觸所述工件(3) 的與光散射表面(9)相對(duì)的表面(5)。
7. 前述任一項(xiàng)權(quán)利要求的方法，其中所述輻射致使材料從所述聚合物基體(7)上去 除，且得到的產(chǎn)物以標(biāo)記或標(biāo)注的形式沉積在所述工件(3)上。
8. 前述任一項(xiàng)權(quán)利要求的方法，其中在標(biāo)記或標(biāo)注之后將所述液體或粘彈性介質(zhì) (11)從光散射表面(9)上除去。
9. 一種用激光束(1)標(biāo)記或標(biāo)注工件(3)的設(shè)備，所述設(shè)備具有激光束源和經(jīng)設(shè)計(jì)用 于夾持工件(3)的工件支架，所述工件具有光散射表面(9)，構(gòu)成所述工件的材料可透過(guò)所 述激光束(1)的波長(zhǎng)并且所述工件在所述激光束(1)的路徑中與聚合物基體(7)接觸，使 得所述輻射穿過(guò)所述工件(3)及其光散射表面(9)之后撞擊到聚合物基體(7)上，其特征 在于所述設(shè)備還具有配送裝置(13)，所述配送裝置(13)經(jīng)設(shè)計(jì)用來(lái)用液體或粘彈性介質(zhì) (11)潤(rùn)濕所述工件的光散射表面(9)。
10. 權(quán)利要求9的設(shè)備，其中所述設(shè)備還具有去除裝置，所述去除裝置經(jīng)設(shè)計(jì)用于將所 述液體或粘彈性介質(zhì)(11)從所述材料的光散射表面上除去。
11. 權(quán)利要求10的設(shè)備，其中所述去除裝置為擦拭器和/或干燥器。
全文摘要
本發(fā)明提供用高能輻射，更具體地用激光束(1)標(biāo)記或標(biāo)注工件(3)的方法和設(shè)備，工件(3)具有光散射表面(9)，構(gòu)成工件(3)的材料可透過(guò)輻射波長(zhǎng)，聚合物基體(7)設(shè)置在工件(3)上，使得輻射在穿過(guò)工件(3)及其光散射表面(9)之后撞擊在聚合物基體(7)上，其特征在于工件(3)的光散射表面(9)用液體或粘彈性介質(zhì)(11)潤(rùn)濕。
文檔編號(hào)B23K26/18GK101745742SQ20091022527
公開(kāi)日2010年6月23日 申請(qǐng)日期2009年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月1日
發(fā)明者伯恩德·呂曼, 斯文·賴特, 阿恩·庫(kù)普斯 申請(qǐng)人:蒂薩公司