專利名稱：一種利用超短脈沖激光改變金屬表面色澤的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用超短脈沖激光改變金屬表面色澤的方法，利用該方 法可以改變金屬表面的色澤，屬于金屬材料表面處理領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
改變金屬表面顏色的技術(shù)很多，如通過火焰、激光束表面處理進(jìn)行氧化 而獲得不同的顏色，也可以通過表面生長、涂鍍各種色層實現(xiàn)，還可以通過 去除某些表面色層形成某種的顏色。這些方法中金屬表面涂鍍顏料的方法色 層容易脫落，其他的方法則難以實現(xiàn)顏色的多樣性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出了的一種利用超短脈沖激光改變金屬表面色澤的方法，該方 法通過超短脈沖激光制備表面亞微米結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)對光的選擇性反射形成 了 "結(jié)構(gòu)色"，從而改變了金屬表面色澤。
本發(fā)明利用超短脈沖激光束直接輻照金屬表面，通過控制脈沖激光的能 量、偏振等參數(shù)在金屬表面形成不同的微米甚至納米結(jié)構(gòu)，這種由于納米結(jié) 構(gòu)的形成使得金屬表面能夠?qū)崿F(xiàn)對光在不同角度的選擇性反射現(xiàn)象，使得金 屬表面看起來具有多種不同的金屬顏色。該技術(shù)可以應(yīng)用于金屬首飾的表面 改色、防偽商標(biāo)的制作等，可獲得類似蝴蝶翅膀一樣絢麗多彩的顏色。
本發(fā)明釆取的技術(shù)方案如下。本方法包括以下步驟首先對金屬表面進(jìn) 行拋光處理，然后利用超短脈沖激光輻照金屬表面，在金屬表面形成波紋、 洼坑或者小珠狀等亞微米級的周期性結(jié)構(gòu)，通過控制激光束與金屬位置的相 對運動使得金屬表面上待加工區(qū)域內(nèi)的金屬色澤改變。所述的超短脈沖激光 的脈寬為2飛秒 100皮秒。
所述的金屬包括薄板、厚板，其厚度從1微米到10米。
所述的金屬材料為金、銀、銅、鐵、鋁、鎳、鈦、不銹鋼或鎂或它們的
合金材料或者主要成分為前述材料的復(fù)合金屬材料。
所述的超短脈沖激光為橢圓偏振激光束或線偏振激光束。
所述的超短脈沖激光的中心波長為200納米 1微米。
所述超短脈沖激光在金屬表面預(yù)定改變金屬色澤的位置的脈沖個數(shù)為1 個脈沖 1億個脈沖。
所述的超短脈沖激光能量密度在10mJ/cm2 10J/Cm2。
金屬表面可以為圓形、橢圓形、方形或不規(guī)則的形狀。金屬可以為各種 球體、環(huán)形體、錐體和空間不規(guī)則體等空間結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明也可以通過改變超短脈沖激光束對金屬材料表面的入射角度以控 制其表面的亞微米結(jié)構(gòu)的形成。
本發(fā)明中用于控制激光束與金屬位置的相對運動的方法包括控制光斑運 動和控制金屬移動兩個方法。
本發(fā)明主要是利用飛秒激光誘導(dǎo)金屬表面形成周期性結(jié)構(gòu)，通過脈寬為2 飛秒到100皮秒的超短脈沖激光照射在金屬板材上形成周期間隔小于波長的 精細(xì)周期性結(jié)構(gòu)。
在本發(fā)明中，當(dāng)使用線偏振光時，該金屬表面結(jié)構(gòu)的特征在于形成垂直 偏振方向的上延伸的周期性波紋結(jié)構(gòu)，或者平行于偏振方向的周期性波紋結(jié) 構(gòu)。當(dāng)利用橢圓偏振光束作為輻照光源時，該精密周期性結(jié)構(gòu)的特征在于形 成垂直于主軸偏振方向的周期性波紋結(jié)構(gòu)。周期間隔定義為周期性結(jié)構(gòu)相鄰 凹陷結(jié)構(gòu)中間的平均距離。
本發(fā)明通過這種超短脈沖誘導(dǎo)金屬表面亞微米的周期性結(jié)構(gòu)，除了可以 獲得從400mn到700nm這種周期間隔與可見光的波段重合的周期性結(jié)構(gòu)外， 還存在更小的周期性間隔，這些結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)客觀存在了類似于蛋白石、蝴蝶 翅膀等的周期性結(jié)構(gòu)對光的選擇性反射和吸收，從而可以在處理后的金屬表 面形成獨特的視覺效果。


圖1金屬表面固定位置激光輻照形成的表面周期結(jié)構(gòu)的掃描電鏡圖
圖2超短脈沖激光誘導(dǎo)表面結(jié)構(gòu)改變金屬色澤的方法示意圖
圖中1、超短脈沖激光器，2、快門，3、光強(qiáng)調(diào)節(jié)器，4、空間光強(qiáng)整 形器，5、光偏振調(diào)節(jié)器，6、光學(xué)聚焦系統(tǒng)(透鏡聚焦、物鏡聚焦或者振鏡 與場鏡聚焦)，7、金屬樣品，8、平移臺。
具體實施例方式
下面對本發(fā)明作進(jìn)一步說明
選用的金屬材料應(yīng)該先通過拋光方式獲得光亮潔凈的表面，根據(jù)樣品不 同可以選用機(jī)械拋光、化學(xué)拋光以及振動拋光等各種拋光工藝。拋光后的金
屬樣品置于平移臺8上，如圖2所示。超短脈沖激光器l發(fā)出的脈沖激光依 次經(jīng)過快門2、光強(qiáng)調(diào)節(jié)器3、空間光強(qiáng)整形器4、光偏振調(diào)節(jié)器5、光學(xué)聚 焦系統(tǒng)6后作用在金屬樣品7上。
本實施例中的金屬樣品為鈦，將鈦樣品置于飛秒脈沖激光下，本實施例 選用的飛秒脈沖激光中心波長為800nm，帶寬為80nm，脈寬為15fs,垂直線 偏振，通過焦距為200mm的聚焦鏡聚焦到厚度為2mm的方形金屬鈦表面。金 屬鈦固定于三維平移臺，通過移動三維平移臺，在脈沖能量密度為0. 18J/cm2， 激光輻照下金屬鈦表面20個脈沖后可以形成650nm左右周期性波紋(如圖 一)，隨著平移臺垂直以偏振方向運動周期性結(jié)構(gòu)能在金屬鈦表面延伸，這樣 周期性結(jié)構(gòu)可以覆蓋輻照區(qū)，從而表面形成了一大片的光柵結(jié)構(gòu)，而這種結(jié) 構(gòu)對于不同波長的光反射不同，從而形成了結(jié)構(gòu)色的金屬表面。
使用本方法改變金屬表面光澤時，脈沖激光能量密度可以優(yōu)先選在該金 屬材料的燒蝕閾值的0. 6 1. 4倍。鈦在飛秒脈沖下的單脈沖燒蝕閾值為0. 25 J/cm2，本實施例中的脈沖激光能量密度選為0.72倍的燒蝕閾值，為0.18 J/cm2。
本發(fā)明是一種物理現(xiàn)象，幾乎可以出現(xiàn)在各種金屬材料上，雖然每種金 屬材料的周期性結(jié)構(gòu)略有區(qū)別。上述的金屬材料可以優(yōu)選金、銀、銅、鐵、
鋁、鎳、鈦、不銹鋼、鎂以及它們的合金材料或者主要成分為前述材料的復(fù) 合金屬材料。這些材料經(jīng)過通常的表面拋光清洗，主要是為了得到清潔表面， 表面沒有明顯的大尺寸缺陷。飛秒激光輻照下可以獲得周期性結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu) 周期通常小于激光波長，通過選擇不同的金屬厚度、激光偏振和入射角度可 以控制獲得的表面結(jié)構(gòu)的周期。
在使用本發(fā)明改變金屬表面色澤時，超短脈沖激光激光束的能量優(yōu)選在
各種金屬的燒蝕閾值附近，10mJ/cm2 10J/cm2之間，隨著輻照脈沖個數(shù)的增 加，相應(yīng)金屬的燒蝕閾值會越小。
目前，利用飛秒激光進(jìn)行金屬薄膜的表面處理形成周期性結(jié)構(gòu)主要是用 于減少激光的反射率、提高光的透過率，或者提高金屬表面對光的吸收率。 本發(fā)明中的金屬相對于金屬薄膜要厚，側(cè)重于表面結(jié)構(gòu)顏色的產(chǎn)生。
本發(fā)明提出的改變金屬表面色澤的方法，不同于前述方法之處在于其中 的顏色的起源不同，本發(fā)明提出的金屬表面結(jié)構(gòu)顏色是一種自然界中非常絢 麗多姿的顏色，如蛋白石、蝴蝶翅膀以及孔雀羽毛等，它們在不同的角度和 光源照射下顯示出不同的顏色和亮度，這種絢麗多姿的顏色起源于其這些物 質(zhì)內(nèi)部或者表面存在光子晶體結(jié)構(gòu)，其特征在于存在小于可見光波長(如 700nm)的周期性或者準(zhǔn)周期性的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)在某一角度吸收特定的波長， 反射其他的特定波長從而形成了顏色多樣性。
權(quán)利要求
1.一種利用超短脈沖激光改變金屬表面色澤的方法，其特征在于該方法包括以下步驟首先對金屬表面進(jìn)行拋光處理，然后利用超短脈沖激光輻照金屬表面，在金屬表面形成亞微米級周期性結(jié)構(gòu)，通過控制激光束與金屬位置的相對運動使得金屬表面上某個區(qū)域面積內(nèi)的金屬色澤改變；所述的超短脈沖激光的脈寬為2飛秒～100皮秒。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用超短脈沖激光改變金屬表面色澤的方法， 其特征在于所述的金屬的厚度為1微米 10米。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用超短脈沖激光改變金屬表面色澤的方法，其特征在于所述的金屬材料為金、銀、銅、鐵、鋁、鎳、鈦、不銹鋼或鎂 或它們的合金材料或者主要成分為前述材料的復(fù)合金屬材料。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用超短脈沖激光改變金屬表面色澤的方法， 其特征在于所述的超短脈沖激光為橢圓偏振激光束或線偏振激光束。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用超短脈沖激光改變金屬表面色澤的方法， 其特征在于所述的超短脈沖激光的中心波長為200納米 1微米。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用超短脈沖激光改變金屬表面色澤的方法，其特征在于所述超短脈沖激光在金屬表面預(yù)定改變金屬色澤的位置的脈沖 個數(shù)為1個脈沖 1億個脈沖。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用超短脈沖激光改變金屬表面色澤的方法， 其特征在于所述的超短脈沖激光的能量密度為10mJ/Cm2 10J/cm2。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種利用超短脈沖激光改變金屬表面色澤的方法，涉及金屬材料表面處理領(lǐng)域。本發(fā)明利用脈寬為2飛秒到100皮秒的超短脈沖激光束直接輻照金屬表面，通過控制脈沖激光的能量、偏振等參數(shù)在金屬表面形成不同的微米甚至納米結(jié)構(gòu)，這種由于納米結(jié)構(gòu)的形成使得金屬表面能夠?qū)崿F(xiàn)對光在不同角度的選擇性反射現(xiàn)象，使得金屬表面看起來具有多種不同的金屬顏色。該技術(shù)可以應(yīng)用于金屬首飾的表面改色、防偽商標(biāo)的制作等，可獲得類似蝴蝶翅膀一樣絢麗多彩的顏色。
文檔編號B23K26/00GK101368256SQ20081022450
公開日2009年2月18日 申請日期2008年10月17日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月17日
發(fā)明者劉世炳, 劉院省, 黃永光 申請人:北京工業(yè)大學(xué)