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，該工件可透
過所述輻射波長，聚合物基體鄰近該工件設(shè)置，使得輻射在穿過工件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加工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)事件等過程。這些過程可發(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所用激光輻射的波長的情況下，發(fā)生各種脈沖激光沉積。 吸光聚合物基體例如設(shè)置成與透明工件直接接觸，使得激光束穿過工件，在激光束撞擊到工件和聚合物基體之間的界面上時構(gòu)成聚合物基體的材料蒸發(fā)并以標(biāo)記或標(biāo)注的形式沉積在工件表面上。 在這方面已知的方法具有很多不足。首先，就標(biāo)記或標(biāo)注的最大分辨率而言，工件和聚合物基體之間的距離必須盡可能小，以使蒸發(fā)材料沉積在盡可能小的工件區(qū)域上。為此，例如可將轉(zhuǎn)印膜形式的聚合物基體粘結(jié)在工件上。然而，如果待標(biāo)注的工件表面粗糙、潮濕、不平整或被污染，則聚合物基體和工件常常至少在局部沒有直接接觸。這可能是由于含有氣泡或其它液體或固體雜質(zhì)或者由于不平整而引起的。因而，聚合物基體和工件之間的間隔為其帶來很多不利之處。首先，存在兩個附加界面，一個位于工件(光密)和空氣(光疏)之間，另一個位于空氣(光疏)和聚合物基體(光密)之間。由此通過散射和反射造成不期望的損失， 一部分激光輻射功率不能夠用于所需的蒸發(fā)過程，而是不期望地或甚至破壞性地加熱工件和/或聚合物基體的區(qū)域。其次，從聚合物基體去除的材料分布在大小與聚合物基體和工件之間距離成正比地更大的區(qū)域上。因此，標(biāo)記或標(biāo)注的分辨率變差。另外，聚合物基體和工件之間的距離越大，沉積在工件上的材料百分率越小，沉積在工件上的材料百分率與從聚合物基體去除的材料量成比例。另外，為了產(chǎn)生作為標(biāo)記或標(biāo)注的特定反應(yīng)產(chǎn)物，可能需要在于聚合物基體中提供的反應(yīng)物在封閉的反應(yīng)空間內(nèi)反應(yīng)以形成產(chǎn)物。由于對聚合物基體和工件之間空隙開放的開口，可能無法形成這種反應(yīng)空間。最終，從聚合物基體除去材料引起所謂的煙塵，所述煙塵包含同樣源于聚合物基體的不良副產(chǎn)物。盡可能少的這種煙塵應(yīng)以堆積物的形式在工件上混合于標(biāo)記或標(biāo)注之中或周圍。當(dāng)聚合物基體和工件之間包含有空氣時，產(chǎn)生更多的煙塵，煙塵的產(chǎn)生是造成雜亂結(jié)果的原因。 除了使用固態(tài)聚合物基體的方法以外，還存在一些已知的激光方法，這些方法基于提高穿過液體的激光輻射的近表面吸收。在這種情況下，有意使用吸收介質(zhì)，通常是有機液體。在該方法中，透明工件以其待加工的背面接觸液體，激光輻射穿過正面進(jìn)入。液體吸收激光輻射并通過受熱液體的熱傳遞使溫度快速上升而超過玻璃基體的熔點和氣化溫度。這禾中稱作激光誘導(dǎo)背面濕法燭亥lj (laser—induced back side wet etching) (LIBWE)的方法致使材料從玻璃表面除去，并用于玻璃的微結(jié)構(gòu)化或微刻印。 在選擇潤濕吸收液體的情況下，確實可避免液體和工件之間包含空氣(鑒于上述原因包含空氣是不期望的)。然而，液態(tài)吸收體的不足在于不能夠?qū)崿F(xiàn)材料的局部去除及隨后在工件上的局部沉積，而是通過熱傳遞僅僅將材料從工件上除去，換言之，例如僅僅是刻印。

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)注工件的改進(jìn)方法，該方法克服已知方法的不足并可以高的質(zhì)量和分辨率實現(xiàn)即使是粗糙、潮濕、不平整或受污染的工件表面的標(biāo)記或標(biāo)注。 本發(fā)明提供用高能輻射，更具體地用激光束標(biāo)記或標(biāo)注工件的方法。所述工件可透過輻射波長，聚合物基體鄰近該工件設(shè)置，使得輻射在穿過所述工件之后撞擊到聚合物基體上。該方法的特征在于液體膜設(shè)置在聚合物基體和工件之間并與聚合物基體和工件接觸。 用于實現(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。更具體地，術(shù)語"聚合物基體"還表示基礎(chǔ)聚合物的混合物。在特別優(yōu)選的實施方案中，聚合物基體為熱固性聚合物基體。已證實熱固性材料特別適用于標(biāo)記或標(biāo)注工件。 在本發(fā)明中液體膜的設(shè)置克服了現(xiàn)有技術(shù)的許多缺點。 一方面，在待標(biāo)記或標(biāo)注的工件表面粗糙、潮濕、不平整或受污染的情況下，工件和聚合物基體之間的間隔被液體填滿。當(dāng)優(yōu)選潤濕的液體膜與工件的折射率相近時，光學(xué)粗糙的表面變得平滑，因而當(dāng)激光束離開工件時，激光束能夠通過工件而沒有光學(xué)粗糙表面引起的破壞性全反射和散射并具有明顯降低的反光度。另外，液體膜限制了聚合物基體材料沉積區(qū)域的擴大。事實上，由于高能輸入的作用，存在液體膜的局部蒸發(fā)，并伴隨形成隧道狀氣泡，被去除的材料穿過所述隧道狀氣泡沿橫向邊界向工件移動。因而，不論工件和聚合物基體之間的距離如何，分辨率基本不受影響。另外，液體膜避免了煙塵的形成，或者煙塵溶解或懸浮在液體膜中。由此顯著提高了標(biāo)記和標(biāo)注的質(zhì)量和結(jié)凈度。與工件和聚合物基體之間直接接觸相比，本發(fā)明的方法具有優(yōu)勢，即液體膜起到絕熱層或散熱層的作用，從而使不期望的工件升溫最小化。液體膜優(yōu)選在非常寬的范圍內(nèi)可透過激光輻射，因而其本身幾乎不吸收任何激光輻射能，而僅僅吸收受熱聚合物基體的熱量。隨著分子的移動，通過傳導(dǎo)和對流，并通過液體的局部蒸發(fā)，熱量進(jìn)行傳輸，而不是以局部集中的方式傳遞至工件。 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的折射率。已證實以小于0. 5的折射率差獲得了足夠好的結(jié)果。
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的波長范圍內(nèi)表現(xiàn)為沒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。與上述LIBWE方法相對，本申請所用的液體對于所使用的波長具有極小的吸收能力或沒有吸收能力。
在本發(fā)明方法的一種優(yōu)選實施方案中，輻射引起材料從聚合物基體的去除，液體膜容納聚合物基體的去除成分和/或由其形成的產(chǎn)物。 聚合物基體例如可具有鈦供體以及碳供體。鈦供體是純鈦或含鈦化合物，所述含鈦化合物具有經(jīng)受能量作用時在短時間內(nèi)提供游離鈦作為反應(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^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，例如通過破壞含鈦化合物和含碳化合物來提供鈦和碳反應(yīng)物，并在輻射的作用下形成所需的碳化鈦產(chǎn)物。優(yōu)選地，在170(TC至220(TC的局部溫度下，用炭黑或超純石墨還原二氧化鈦，形成碳化鈦和一氧化碳。在本文中是輻射產(chǎn)生了反應(yīng)空間中的反應(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。
另外，有利的是，對于液體膜，選擇在600nm至1500nm的波長范圍內(nèi)表現(xiàn)為沒有吸收或吸光度小于10%的液體，并使用波長范圍為600nm至1500nm的輻射。對于液體膜，可選擇溶膠、凝膠或粘彈性物質(zhì)，且液體膜可具有250nm至10mm的厚度。
液體本身還可包含作為所需反應(yīng)的反應(yīng)物或催化劑提供的成分。為此，在適當(dāng)?shù)那闆r下，離子可溶于液體膜中，作為所需反應(yīng)的反應(yīng)物或催化劑，以便形成產(chǎn)物，進(jìn)而在經(jīng)受高能輻射作用時產(chǎn)物可沉積在工件上。 優(yōu)選地，液體膜在聚集狀態(tài)時在經(jīng)受輻射作用時經(jīng)歷局部變化，具體地變?yōu)闅鈶B(tài)。由此形成空間受限的隧道狀空間，而使被去除的材料或其產(chǎn)物沉積在非常小的工件區(qū)域上。 本發(fā)明包括以下實施方式 實施方式1. 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)可透過所述輻射的波長，聚合物基體(7)鄰近所述工件(3)設(shè)置，使得輻射在穿過所述工件(3)之后撞擊到所述聚合物基體(7)上，其特征在于液體膜(15)設(shè)置在所述聚合物基體(7)和工件(3)之間并與所述聚合物基體(7)和工件(3)接觸。
實施方式2.實施方式1的方法，其中所述輻射引起材料從聚合物基體(7)的去除，且所述液體膜(15)容納被除去的聚合物基體(7)的成分和/或由其形成的產(chǎn)物。
實施方式3.實施方式1或2的方法，其中對于所述液體膜(15)，選擇在600nm至1500nm的波長范圍內(nèi)表現(xiàn)為沒有吸收或吸光度小于10%的液體，并使用波長范圍為600nm至1500nm的輻射。 實施方式4.前述實施方式中任一項的方法，其中對于所述液體膜(15)，選擇溶膠、凝膠或粘彈性物質(zhì)。 實施方式5.前述實施方式中任一項的方法，其中所述液體膜(15)具有250nm至10mm的厚度。 實施方式6.前述實施方式中任一項的方法，其中離子溶于所述液體膜(15)中作為所需反應(yīng)的反應(yīng)物以形成產(chǎn)物，在經(jīng)受高能輻射，更具體的激光束(1)的作用時所述產(chǎn)物沉積在工件(3)上。
實施方式7.前述實施方式中任一項的方法，其中在經(jīng)受輻射作用時所述液體膜
(15)的聚集狀態(tài)局部改變，更具體地變?yōu)闅鈶B(tài)。 以下參照附圖更詳細(xì)地說明本發(fā)明方法的優(yōu)選實施方案。


圖1示出工件和聚合物基體之間存在空氣層的不利方法。
圖2示出工件和聚合物基體之間存在液體膜的有利方法。
具體實施例方式
圖1示出了激光束1如何射在表面5待標(biāo)記或標(biāo)注的玻璃基體形式的工件3上。 以一定的距離鄰近工件3的表面5設(shè)置的是聚合物基體7。因而聚合物基體7和工件3之 間存在空隙?？障犊梢允怯幸庠O(shè)置的或是由于工件表面5或聚合物基體7的粗糙、不平整、 潮濕或受污染而無意設(shè)置的。工件3可透過激光束1的波長，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相對的表面9進(jìn)入工件3，穿過工件3并撞 擊聚合物基體7，聚合物基體7吸收激光束1并升溫，直至熱能大到致使聚合物基體7粉化。
由于粉化，在聚合物基體7內(nèi)形成對空隙開放的反應(yīng)空間ll，該反應(yīng)空間11容納 待進(jìn)行所需反應(yīng)的粉化材料形式的反應(yīng)物。在該實施方案中反應(yīng)物為二氧化鈦和炭黑形 式的純碳，意圖在通過輻射形成的170(TC至220(TC的局部溫度下將二氧化鈦還原，形成以 標(biāo)記或標(biāo)注形式沉積的碳化鈦產(chǎn)物。然而，由于反應(yīng)空間ll對空隙開放，因而粉化引起煙 塵13和其它不良副產(chǎn)物的劇烈形成。被去除的材料過早地隨煙塵13和其它副產(chǎn)物從反應(yīng) 空間11逸出到空隙中，而沒有發(fā)生任何反應(yīng)來形成碳化鈦并且沒有沉積在工件3的表面5 上。工件3的表面5僅僅被煙塵和其它不良副產(chǎn)物污染。 圖2示出了本發(fā)明方法的有利實施方案，其中液體膜15設(shè)置在工件3的表面5 和聚合物基體7之間。為此，通過移液管將0. lml的液體噴灑于工件3的表面5或聚合物 基體7上，使液體分布在5cmX5cm的區(qū)域內(nèi)。由于表面張力的作用，可能需要通過移動玻 璃板或利用空氣噴射或借助添加劑使液體潤濕來形成均勻的液體膜。所述液體為常用于 化工和制藥行業(yè)的軟水。隨后，將膜材料形式的聚合物基體施用于液體膜15上，從而形成 厚度為20iim至100iim的液體膜15，為此，還可將液體施用于聚合物基體7上，將尺寸為 48mmX 14mm的工件3放置在由于表面張力而形成的液滴上以實現(xiàn)液體的均勻分布。膜厚可 由聚合物膜7和玻璃3之間的間隔限定?？赡苄枰ＷC膜層均勻分布且在界面處沒有空氣 聚積。 使用發(fā)射波長為1064nm的固態(tài)激光器(未示出)產(chǎn)生激光輻射。優(yōu)選使用纖維 耦合二極管激光器，例如以商品名"SunX LP-V10"購自德國Panasonic Electric Works Europe AG公司的激光器。因而，所采用的激光輻射具有玻璃和水可透過的1064nm的波長。
由于玻璃具有小的吸收系數(shù)，因而激光束1穿過該介質(zhì)并與玻璃3和水15之間的 界面相交。在所述波長下，水同樣沒有吸收能力并允許激光束在基本沒有損失的情況下撞 擊在聚合物基體7上。 在激光束與聚合物基體7相互作用時，與圖1的方法相同，基體通過粉化作出響 應(yīng)。由于額外氣體膨脹而形成的沖擊波使煙塵13和副產(chǎn)物彈射到液體層15中并溶解和/或懸浮于其中。聚合物基體7中形成的反應(yīng)空間11起初在上方與液體膜15鄰接，因而聚 合物基體7的粉化材料在經(jīng)受激光束1作用時在反應(yīng)空間11內(nèi)升溫至170(TC至2200°C， 能夠形成粉化聚合物基體7提供的二氧化鈦與碳反應(yīng)物的反應(yīng)產(chǎn)物碳化鈦。在此過程中還 存在液體膜15的局部蒸發(fā)，由此形成隧道狀氣泡，所述氣泡蔓延直至到達(dá)工件3的表面5。 爆炸性沖擊波將碳化鈦推至工件3的表面5上，碳化鈦于其上經(jīng)歷局部受限沉積。由于激 光束1或工件3與聚合物基體7和液體膜15 —起橫向移動，因而，基本上為二維的碳化鈦 結(jié)構(gòu)可沉積在玻璃表面5上。 在此操作之后，使聚合物基體7與玻璃板3分離，并除去包含煙塵和顆粒的液體膜 15，留下以標(biāo)記或標(biāo)注17形式永久性沉積在玻璃表面5上的碳化鈦。
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)可透過所述輻射的波長，聚合物基體(7)鄰近所述工件(3)設(shè)置，使得輻射在穿過所述工件(3)之后撞擊到所述聚合物基體(7)上，其特征在于液體膜(15)設(shè)置在所述聚合物基體(7)和工件(3)之間并與所述聚合物基體(7)和工件(3)接觸。
2. 權(quán)利要求1的方法，其中所述輻射引起材料從聚合物基體(7)的去除，且所述液體膜(15)容納被除去的聚合物基體(7)的成分和/或由其形成的產(chǎn)物。
3. 權(quán)利要求1或2的方法，其中對于所述液體膜(15)，選擇在600nm至1500nm的波長范圍內(nèi)表現(xiàn)為沒有吸收或吸光度小于10%的液體，并使用波長范圍為600nm至1500nm的輻射。
4. 前述權(quán)利要求中任一項的方法，其中對于所述液體膜(15)，選擇溶膠、凝膠或粘彈性物質(zhì)。
5. 前述權(quán)利要求中任一項的方法，其中所述液體膜(15)具有250nm至10mm的厚度。
6. 前述權(quán)利要求中任一項的方法，其中離子溶于所述液體膜(15)中作為所需反應(yīng)的反應(yīng)物以形成產(chǎn)物，在經(jīng)受高能輻射，更具體的激光束(1)的作用時所述產(chǎn)物沉積在工件(3)上。
7. 前述權(quán)利要求中任一項的方法，其中在經(jīng)受輻射作用時所述液體膜(15)的聚集狀態(tài)局部改變，更具體地變?yōu)闅鈶B(tài)。
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，工件(3)可透過輻射波長，聚合物基體(7)鄰近工件(3)設(shè)置，使得輻射在穿過工件(3)之后撞擊在聚合物基體(7)上，其特征在于液體膜(15)設(shè)置在聚合物基體(7)和工件(3)之間并與聚合物基體(7)和工件(3)接觸。
文檔編號B41J2/455GK101746154SQ200910222860
公開日2010年6月23日 申請日期2009年11月19日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月1日
發(fā)明者斯文·賴特, 阿恩·庫普斯 申請人:蒂薩公司