專利名稱：在鉆石上加工標(biāo)記的方法
本申請是1990年10月11日提出的申請?zhí)枮?7/595861申請的接續(xù)申請。
本發(fā)明涉及在鉆石上產(chǎn)生可見的或不可見的(但是可以檢測出的)標(biāo)志記號的方法，其目的是為了滿足質(zhì)量控制、消費者的商標(biāo)標(biāo)志、安全或任何其它的需對寶石進行識別等需要。
本發(fā)明還涉及為了若干目的用受激準(zhǔn)分子激光器或其它紫外激光能源加工高硬度材料組成的物體，特別是鉆石材料的方法。本發(fā)明的一個目的是制造由鉆石或其它類似的硬質(zhì)材料組成的、且具有一個精確的擠壓孔橫截面的壓模嵌入件例如用在噴絲嘴中的壓模嵌入件，供擠壓金屬絲，玻璃纖維或合成纖維用的壓模組件。
本發(fā)明的另一個目的是涉及產(chǎn)生一個電路圖形，這個圖形可以是一個刻在鉆石或類似硬質(zhì)材料上的微電路圖形，而在鉆石或類似硬材料上用化學(xué)蝕刻的方法加工微電路圖形是困難的或者在實踐上是不可能的。
本發(fā)明包括加工或處理不同類型的物體，即用在寶石生產(chǎn)中的鉆石或其它硬材料，以及由鉆石等制成的壓模嵌入件，后者用在擠壓模具中，與這兩種類型物體有關(guān)的技術(shù)工藝和激光工藝將分開討論。
對例如寶石和類似的消費奢侈品，往往需提供鑒別標(biāo)記，以便根據(jù)這個記號來鑒別出這個商品的產(chǎn)地。這對于質(zhì)量和價值僅由專門的熟練工人確定的產(chǎn)品來說是特別重要的，這樣的鑒定標(biāo)記必須能永久地保持在商品上。另一方面這個標(biāo)志決不能有損商品的價值。
對于例如鉆石這樣的貴重寶石，長久以來就需要有一種能夠唯一確定寶石的可靠的鑒別方法。這種方法將有助于尋找或恢復(fù)丟失的或被盜竊的寶石的各個特殊部分。此外，對于短期貸出的寶石，與通常情況一樣，根據(jù)在該寶石上的永久性標(biāo)記來確保還回的寶石就是原來貸出的那個寶石。
此外，這樣的檢測手段或標(biāo)記可以用作指示定石質(zhì)量以及刻面、切割和拋光工藝的等級。實際上，在寶石上的一個永久標(biāo)記或可檢測的標(biāo)記在很多通常的場合可以作為一個純度的表示或商標(biāo)，即做為產(chǎn)地的標(biāo)志。這樣的標(biāo)記可以用于消除通常的誤解對任何給定的重量、顏色、或透明度的鉆石實際上是可互換的。事實上，寶石的質(zhì)量明顯地可以受加工寶石工人的細心程度和技藝，如在選擇、鋸、研磨、切割和拋光工藝過程中的細心與技藝的影響。
現(xiàn)已創(chuàng)造出一些在鉆石上作標(biāo)記的工藝，例如在美國專利4467172和4392476中公開的方法。這兩份專利的完整說明書作為本申請的參考文件。在其中的每一個專利中，都公開了使激光能量在待加工標(biāo)記的鉆石上或其中形成聚焦斑點的激光器，其中利用這樣的能量的聚焦斑點所產(chǎn)生的一系列斑點或一些斑點圖形來構(gòu)成所需的標(biāo)記。
上述的激光加工標(biāo)記系統(tǒng)采用工作在1.06μm波長的單獨或同倍頻器相結(jié)合使用的YAG或NdYAG激光器，于是所公開的入射到鉆石上的激光輻射波長為1.06μm或0.532μm。正如美國專利4467172中所述的那樣，0.532μm波長的激光除了作用于鉆石的表面上外，還能穿過鉆石表面并因加熱而使在鉆石表面下面的部分材料變成蒸汽。這種能量穿透是不希望有的，它會由于對寶石內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)的加熱而帶來寶石破碎的嚴(yán)重危險。為了防止對用這種方法加工標(biāo)記的鉆石造成損壞，在已有技術(shù)系統(tǒng)中要包括能精確控制輸出的激光能量大小的裝置。
此外，由于鉆石對上述的波長基本上是透明的即能透射過的，所以這些先前鉆石加工標(biāo)記工藝通常包括有能量吸收涂層，這些涂層例如可以是涂到待加工標(biāo)記表面的碳黑，這樣又使加工程序進一步復(fù)雜化。
而且，因為標(biāo)記是通過眾多的重疊斑點形成的，所以為了使鉆石相對于下一個到來的激光能量的聚焦斑點精確的定位，在上述先有技術(shù)中需要提供復(fù)雜而昂貴的計算機控制的X-Y移動臺，為了形成單一標(biāo)記而需要產(chǎn)生大量斑點，這又使先前加工標(biāo)記工藝的操作相當(dāng)?shù)鼐徛?br> 當(dāng)在貴重和半貴重的寶石、珍珠和其它貴重奢侈品等商品上加工標(biāo)記時，人們認(rèn)為盡管可采用上述的先前工藝方法在鉆石上加工標(biāo)記并取得一些成功，但是NdYAG激光器聚焦斑點的能量強度被認(rèn)為會在寶石、珍珠或其它被加工標(biāo)記的材料上引起微裂紋。
在名稱為“用于在柔性焦距透鏡組上加工標(biāo)記的方法”的美國4912298號專利中公開了一個在玻璃柔性焦距透鏡組中加工標(biāo)記或商標(biāo)的方法，這篇專利的整個說明書作為本申請的參考文件。
用激光加工用在擠壓模具組件中的壓模嵌入件中的擠壓孔也是公知的。利用激光加工擠壓孔已在美國專利4703672和4534934中所公開。
本發(fā)明的目的是提供一種在鉆石上加工鑒別標(biāo)記的改進方法，本發(fā)明更具體的目的是提供一種不需昂貴的計算機控制的X-Y移動臺就能相當(dāng)迅速地在鉆石上加工標(biāo)記的方法。
本發(fā)明的進一步目的是提供一種在鉆石上加工標(biāo)記的方法，它能明顯地減少損壞寶石的危險。
本發(fā)明的另一個目的是把光刻技術(shù)利用到鉆石標(biāo)記加工工藝上，以便獲得灰度梯度變化的標(biāo)記，而不同于只是黑與白的標(biāo)記。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種帶有“優(yōu)質(zhì)”標(biāo)記的鉆石，該鉆石的產(chǎn)地、加工質(zhì)量可以根據(jù)檢驗很容易地確定。
本發(fā)明的另一個目的是在鉆石上提供線反差比目前傳統(tǒng)工藝可能得到的優(yōu)良得多的鑒別標(biāo)記。
本發(fā)明的目的還在于提供用于保密目的而在鉆石上加工可見的或非可見標(biāo)志的比較完善的裝置。
另一個目的是提供一種在珍珠或貴重或半貴重寶石上加工標(biāo)記地方法，這種方法能顯著降低對這些被加工物品的損壞危險。
更進一步，本發(fā)明的目的是提供一種生產(chǎn)擠壓孔帶有復(fù)雜橫截面的壓模嵌入件的方法。
還有一個目的是提供一種生產(chǎn)壓模嵌入件的方法，該方法能省去或顯著地減少例如修整、拋光、去毛刺等處理擠壓通道的繁鎖操作。
本發(fā)明的一個方法包括用一個工作于紫外光譜區(qū)的脈沖激光能源在鉆石上加工標(biāo)記。比較可取的能源是一個受激準(zhǔn)分子激光器。
受激準(zhǔn)分子激光器是脈沖氣體放電式激光器。在這些激光器中，使一種氣體混合物(例如氬和氟的混合物)充電，由于足夠地充電而產(chǎn)生脈沖激光能量的強發(fā)射，受激準(zhǔn)分子激光器通常用來產(chǎn)生一個脈沖或多個脈沖，其波長范圍從約193nm(即0.193μm)到約351nm，取決于所產(chǎn)生的具體的惰性氣體-鹵化物激發(fā)物。
氬氟激發(fā)物產(chǎn)生的波長為193nm激光能量，對純鉆石的穿透深度是很小的。雖然鉆石在一個寬的波譜范圍內(nèi)的能量透射率很高，但是純鉆石對193nm左右波長的激光具有特別低的透射率，低反射率和高的吸水率，這個波長靠近晶體的截止頻率。由于這個原因，受激準(zhǔn)分子激光的能量被一特別薄的表面層吸收，該表面層的溫度迅速升到很高，借助于每個脈沖使從幾個埃到幾個微米厚的薄層材料以這種方式從表面汽化，或者借助受激準(zhǔn)分子激光的每個脈沖使這個薄層材料部分石墨化。材料的汽化避免了鉆石由于供鉆石中的碳升華的高能引起的寶石過熱。
本專業(yè)人員都認(rèn)為鉆石很少是“純凈”的晶體而幾乎每個寶石晶體都存在有以氮原子取代晶體結(jié)構(gòu)形式的雜質(zhì)。對于一給定的鉆石，其截止頻率隨著氮雜質(zhì)的含量的增加而增加，增加幅度可以高到300nm。因此，雖然較可取的實施例是通過采用ArF受激準(zhǔn)分子激光器來說明的，但是其它的激光器也適合利用，這些激光器可以提供波長從200nm到約300nm的激光能量。這些激光器包括波長在紫外范圍的氪氟受激準(zhǔn)分子激光器(248nm)氙氯受激準(zhǔn)分子激光器(308nm)和氙氟受激準(zhǔn)分子激光器(351nm)，對于一個給定的寶石來說最有效的激光波長最終取決于那種鉆石的純度。
不難理解，在這里的“約193nm”是意味著足以包括任何給定寶石的截止頻率的一個范圍即從約190nm到約350nm。
在對珍珠貴重或半貴重寶石加工標(biāo)記的方法中，本專業(yè)人員不難理解有關(guān)截止頻率的上述討論是不能直接使用的。
通過一個檔板照射鉆石是具有顯著優(yōu)越性的，該檔板包括一個商標(biāo)形狀或標(biāo)記形狀的作為一個挖空區(qū)域或者其它可使光高度透射過的區(qū)域。這些擋板可以安裝在鉆石的上面或前方。擋板和鉆石表面的間隔不是關(guān)鍵因素，這是因為受激準(zhǔn)分子激光器產(chǎn)生的是平行輻射。但是如果利用衰減光源時，則擋板的位量是重要的。擋板也可以根據(jù)在所希望波長的激光能量處各區(qū)域具有不同的透射率的要求來組裝，以便得到按照所產(chǎn)生的灰度標(biāo)準(zhǔn)，各區(qū)域具有不同反差的標(biāo)記。
本發(fā)明的另一個優(yōu)點在于能夠改進或改變在激光脈沖之間或脈沖群之間的擋板圖形，以便賦予被照射材料上的一系列圖樣以活力。在照射鉆石的情況下，由于激光能量借助每個脈沖或脈沖群使某一厚度材料汽化，而得到一個具有橫截面軸向變化的孔的擠壓模具。
例如已經(jīng)加工出穿過鉆石截面的角錐式孔，除了能加工數(shù)目不限的不同形狀的孔以外，還能輕易地加工出螺旋形孔。采用適合的光學(xué)元件，還可以在鉆石晶體上加工出其它的高度復(fù)雜的三錐形狀的孔。
通過光學(xué)裝置使擋板在鉆石表面或象具有很多優(yōu)點，這些光學(xué)裝置能使紫外輻射通過藍寶石，熔凝石英或熔凝硅石。如果所形成的象是顯著縮小的，則可以在鉆石表面上獲得高能密度，因此需要減少激光器的輸出激光脈沖數(shù)目或輸出功率。
本發(fā)明的另一個實施例的方法，包括利用受激準(zhǔn)分子激光將各種可檢測的物質(zhì)注入到鉆石的表面。而將對一個鉆石加工肉眼不可見的標(biāo)記，即主要是為了保密的目的，顯然后來為了識別驗證的目的要尋找出這個標(biāo)志是困難的。受激準(zhǔn)分子激光能量可以“強迫”或把某些材料(例如在紫外范圍內(nèi)熒光的熒光染料和其它無機化合物)注入到鉆石晶體結(jié)構(gòu)表面中。在事先涂有這樣染料或材料的鉆石上產(chǎn)生的標(biāo)記在適宜的光照射下將產(chǎn)生熒光，這樣使得尋找出通常肉眼不可見的標(biāo)記變得容易。
此外，也可以把例如導(dǎo)電或?qū)Т诺钠渌蓹z測的物質(zhì)用這種方法沉積到鉆石上或鉆石里面，以供以后檢測。
下面參考附圖來進一步描述本發(fā)明

圖1為一個用受激準(zhǔn)分子激光在鉆石上加工標(biāo)記裝置的局部示意圖;
圖2為一個朝向鑒別標(biāo)記的鉆石的平面圖;
圖3為一個朝向鑒別標(biāo)記的鉆石的側(cè)視圖;
圖4為用于在由硬質(zhì)材料制成的壓模嵌入件中加工出一個復(fù)雜橫截面形狀擠壓孔的裝置的局部示意圖;
圖5a-5c為表明出擠壓孔各個復(fù)雜橫截面的硬質(zhì)材料的壓模嵌入件的平面圖;
圖6a-6c為用于生產(chǎn)圖5a-5c中所示的擠壓孔的擋板的平面圖。
這里將對本發(fā)明的方法中用于在鉆石和其它硬質(zhì)材料上加工標(biāo)志的方法，以及隨后用于在壓模嵌入件中形成擠壓孔的方法分別進行描述。
圖1示出了一個在鉆石15上加工標(biāo)記的裝置10。在本發(fā)明的方法中使用一個通用的氬氟受激準(zhǔn)分子激光器11產(chǎn)生脈沖激光能量，這樣的受激準(zhǔn)分子激光器可以從一些廠商購買到。Lambda Physik Inc就是其中的一個提供者，該公司是在馬薩諸塞州的Acton有辦事處的西德公司，銷售型號為“LPX100”和“LPX200”系列的激光器。另一個這樣的激光器提供者是馬薩諸塞州Questek的Inc.of.Billerica，該公司銷售“2000”系列的受激準(zhǔn)分子激光器。
氬氟受激準(zhǔn)分子激光器11產(chǎn)生一個波長為193nm的具有平頂束分布(在水平截面上)的激光輸出口。當(dāng)這種激光器裝有適合的通用公知的諧振腔光學(xué)裝置時，激光輸出光束將沿著平行的束徑傳輸。輸出光束12直射通過擋板23，以便產(chǎn)生一個具有一定形狀的光束而形成一個特殊的標(biāo)記，這同普通的矩形截面的受激準(zhǔn)分子激光束的情況相反。一部分激光輻射被擋板23擋住，而只有在相應(yīng)于要求有標(biāo)記的那些區(qū)域才是允許通過擋板的激光輻射區(qū)域。
在光束通過擋板23后(比較詳細的情況將在后面描述)射向縮小光學(xué)組件24，它可以是適合于用193nm波長激光能量的按10∶1縮小的透鏡例如由熔凝硅石或藍寶石制成的透鏡。任何具有所要求的其它縮小倍數(shù)數(shù)值的例如30∶1的曲面透鏡都可以采用。
縮小透鏡24用作把光束聚焦成一個足夠小的尺寸，以便使在鉆石的邊緣或與鑲嵌底板接觸的邊緣17處產(chǎn)生的標(biāo)記不明顯地?fù)p害寶石的價值。按照本發(fā)明所產(chǎn)生的標(biāo)記最好是小到肉眼基本上看不見的程度。聚焦的光束沖擊在鉆石15的表面上而按所要求標(biāo)記的形狀移去少量材料。低波長的激光輸出能量可以使非常高的線分辨率的標(biāo)記按所描述的方法形成。當(dāng)然，分辨率是細到甚至可以使標(biāo)記在寶石的碎片上形成的程度。在實際的產(chǎn)品上，已實現(xiàn)了1μm左右的分辨率的表面細節(jié)。
因為鉆石對193nm波長的激光輻射基本上是不透明的。所以激光能量只被吸收在寶石的外表面區(qū)域。由于能量被迅速吸收使得只用一個或相當(dāng)少量的(如幾個或幾個)能量脈沖就可以產(chǎn)生一個完整的象。需要輸出的受激準(zhǔn)分子激光束的輸出能量(即能流)的范圍可以從幾個到幾十個或更多毫焦?fàn)?平方厘米，對于特定用途所必需用的精確能量取決于要產(chǎn)生的標(biāo)記的尺寸，光束的光學(xué)縮小倍數(shù)和要產(chǎn)生標(biāo)記的要求的深度(即汽化材料的數(shù)量)。
對于鉆石所需的“損壞閾值”能量為在寶石的平面上的每平方厘米6-16焦?fàn)柕姆秶?。對于任一給定的鉆石，在這個范圍內(nèi)的具體的損壞閾值主要取決于寶石中的氮含量，并同氮含量成反比關(guān)系變化。
在整個加工標(biāo)記工藝過程中，鉆石可以保持在一個唯一的固定位置，因此在本發(fā)明的實施例中不需要復(fù)雜而昂貴的計算機控制的X-Y移動平臺或者任何其它的昂貴的或復(fù)雜的定位裝置，例如在美國專利4392476或4467172中所描述的那些裝置。這些先有技術(shù)中的系統(tǒng)必須用單個脈沖對待標(biāo)記的表面進行掃描，每個脈沖在任一給定時刻只產(chǎn)生象中的一個微小部分。
如已指出的那樣，少量的材料可以通過汽化從鉆石表面上移去。此外留下部分的鉆石材料也可以被加熱到產(chǎn)生石墨化的程度，即經(jīng)歷一個從元素碳的一種結(jié)構(gòu)(即金剛石)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N結(jié)構(gòu)(即石墨)。眾所周知，在足夠高的溫度即約900℃下金剛石將轉(zhuǎn)變或石墨，全部金剛石晶格將瓦解。然而，在這種瓦解發(fā)生之前，可能會出現(xiàn)材料轉(zhuǎn)變或部分轉(zhuǎn)變成石墨。而同時保持金剛石晶格特定結(jié)構(gòu)強度和耐久性。
據(jù)認(rèn)為金剛石的內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)或表面可能經(jīng)歷這樣的轉(zhuǎn)變，正如業(yè)已發(fā)現(xiàn)的那樣，“變暗”即“石墨化”的區(qū)域不能用通常的酸洗方法除掉，這樣的酸洗方法能除掉在正常情況下的金剛石上的石墨。這樣就徹底形成了一個永久的標(biāo)記。事實上，按照本發(fā)明的原理，鉆石是作為一種光敏材料被加工的。
對于表面損傷與束能量密度的曲線，據(jù)認(rèn)為這個曲線對于金剛石在理論上是一個階躍函數(shù)，在某一下限閾值之下沒有損傷發(fā)生，而在某一上限閾值之上損傷不會進一步嚴(yán)重，而與供給的能量無關(guān)。在實際上，業(yè)已觀察到有一個很窄的轉(zhuǎn)變區(qū)域，在這個區(qū)域上表面的損傷(即石墨化)可以通過仔細精確地調(diào)整受激準(zhǔn)分子激光器能量輸出來選擇控制。通過這樣控制激光器，可以產(chǎn)生具有不同暗度即“灰度”的標(biāo)記。
另一個優(yōu)點是193μm附近波長的激光能量不能穿透金剛石晶體結(jié)構(gòu)中，這樣就防止晶體出現(xiàn)內(nèi)部加熱，這種加熱是先前采用激光能量在鉆石上加工標(biāo)記的方案引起鉆石產(chǎn)生裂紋的重要原因。
至少有一種先有技術(shù)方法，在進行激光加工標(biāo)記之前，需要在鉆石表面施加一個吸收能量材料(例如石墨)涂層的步驟。這種先有技術(shù)的成功至少部分取決于金剛石表面上的吸收能量涂層的均勻性和致密度，而在本發(fā)明中這種依賴性完全被擺脫。實際上涂一個吸收能量涂層可以僅僅是為了引發(fā)在寶石表面上的汽化，一旦汽化開始，材料的移去就會繼續(xù)進行，該涂層不再參與作用。
按照本發(fā)明的上述實施例，在鉆石表面上加工出永久的標(biāo)記。用1至10個ArF受激準(zhǔn)分子激光脈沖可以加工出以英文字母、日本假名以及各種幾何和非幾何圖形，其尺寸的寬和高分別為幾百個μm數(shù)量級。
本發(fā)明者進一步發(fā)現(xiàn)，上述這種工藝適合應(yīng)用于其它的精密的和半精密寶石等物品上，而與這些材料的物理性質(zhì)無關(guān)，特別是可以在綠寶石、紅寶石、藍寶石乃至珍珠上加工標(biāo)記而不會損傷這些材料，或者降低這些材料作為寶石的價值。
象紅寶石和綠寶石這樣的材料至少在一點上是與鉆石有重要區(qū)別的。在用NdYAG或CO2激光進行局部劇烈加熱時，這個熱量不能迅速地從加熱部分傳導(dǎo)到材料的其它部分，其結(jié)果是在寶石的標(biāo)記上或附近處引起微裂紋。這些微裂紋可能嚴(yán)重到對寶石來說不能允許的程度。
當(dāng)把按照本發(fā)明的受激準(zhǔn)分子激光加工標(biāo)記工藝用在紅寶石、藍寶石乃至珍珠等類似的物品上時，會令人驚奇地發(fā)現(xiàn)微裂紋基本上減少或沒有出現(xiàn)。同在鉆石上加工標(biāo)記的情況下一樣，材料被移掉，但對在這些其它材料中沒有發(fā)現(xiàn)變暗的現(xiàn)象。某些碎片還留下來，而使標(biāo)記用視覺發(fā)現(xiàn)比在鉆石上更加困難。不過還是為在帶顏色寶石及珍珠等物上加工鑒別標(biāo)記提供了一個很有用的方法。
應(yīng)該指出，下述的詳細說明通常是切實可用的。
圖2示出了按照本發(fā)明用于在鉆石上形成具體象的擋板33。檔板可由具有能夠足以耐得住受激準(zhǔn)分子激光能量的照射，而其本身不產(chǎn)生汽化的材料制成。檔板33包括在所需要標(biāo)記的圖樣中的挖空區(qū)域32。
在另一個實施例中，擋板是由一個熔凝石英板，熔凝硅石板或藍寶石板制成，在該板上涂上一層適宜的不透明的和耐熱的材料，例如一種光敏或刻蝕鉻涂層。擋板可以按有一個不涂不透明材料的區(qū)域，或者僅僅是彌散式地涂一下的要求制成。通過控制在擋板上選擇的區(qū)域上的涂層密實度，就可產(chǎn)生一個各區(qū)域透射率不同的標(biāo)記。利用這樣的擋板可以有效地產(chǎn)生具有不同對比度(即如上所釋的不同灰度)的預(yù)先確定的區(qū)域。
圖3示出了一個在邊緣處42的一個特定圓形區(qū)43處已經(jīng)加工標(biāo)記的鉆石40。邊緣42通常包括為數(shù)眾多的小平面(例如在邊緣42中的放大圖50所示的小平面44)。這些小平面中的任何一個都適于精心安排標(biāo)記。不難理解本發(fā)明的方法同樣適合拋光的和非拋光的(即粗加工的)鉆石表面等。雖然標(biāo)記可以在鉆石的任何位置上加工出，但是從美學(xué)上看最好是只在寶石的不重要的表面上加工這些標(biāo)記。利用本發(fā)明的方法甚至于可以有助于把一個標(biāo)記安排在寶石40的底面48上。
如圖3所示，激光加工出的標(biāo)記包括一個字母“H”46和一鉆石的一個小記號47。如上所述，就是在同時間用同樣的受激準(zhǔn)分子激光脈沖加工時，這些標(biāo)記的深度和/或反差可以相同，也可以不同。
在本發(fā)明的另一個實施例中，除了使用相同的裝置和重復(fù)上述的工藝步驟外，還首先用具有特殊性質(zhì)(例如熒光或光敏性)的物質(zhì)在待加工標(biāo)記的位置涂一層涂層。當(dāng)把一個標(biāo)記，特別是一個小到肉眼看不到的標(biāo)記加工到鉆石上時，則以后要在最初的位置找到這個標(biāo)記通常是困難的。這樣會降低上述標(biāo)記作為一種輔助的保密手段而必須相當(dāng)迅速地對鉆石進行鑒別時的價值。利用一個適合的光照條件(紫外光)，可以很容易尋找到熒光標(biāo)記并進行驗證，這樣熒光標(biāo)記就成為標(biāo)記鉆石方法的一個可取優(yōu)點。
當(dāng)受激準(zhǔn)分子激光能量射到寶石的被涂過的表面上時，涂層中的可觀數(shù)目的分子仍然留在標(biāo)記的區(qū)域中，并粘結(jié)到鉆石的表面上或滲入到鉆石的表面以下，并不發(fā)生汽化。目前尚不清楚這個作用的機理。不過，當(dāng)象硫化鋅或二乙基鋅同氣態(tài)硫化物組合使用即沉積為按照本發(fā)明所產(chǎn)生標(biāo)記上的涂層時，這些材料只能在光照的條件下(用紫外光)才能被發(fā)現(xiàn)。這樣使得該標(biāo)記只能在預(yù)先選定的非常窄的頻帶內(nèi)熒光，因而還可以防止未經(jīng)許可的檢驗。
此外這個沉積層和使金屬或易揮發(fā)的金屬化合物(例如砷化氫、磷化氫、鐵或羰基鐵、鎳或羰基鎳)同鉆石的碳在鉆石的表面結(jié)合而成的合金或者二者之一可以形成在磁學(xué)上可檢驗的標(biāo)記，也就是說，激光引發(fā)了金屬和/或金屬碳化物在標(biāo)記區(qū)域擴散或分解，其它物質(zhì)的這種沉積層(例如碳化鈦或碳化鉬沉積層)可以產(chǎn)生可通過電學(xué)手段檢測的標(biāo)記。與此類似，乙硼烷或任何其它的氣態(tài)或固態(tài)化合物的成分可以使很多物質(zhì)形成電子結(jié)，從而引起在電學(xué)性能的變化，即類似于在硅中摻雜而形成npn或pnp半導(dǎo)體。
這樣可引起一系列光學(xué)，磁學(xué)或電學(xué)性質(zhì)的變化。
在某些情況下，按照本發(fā)明的這個另外的實施例產(chǎn)生一系列有精確間隔圓環(huán)標(biāo)記是有利的，其上面的一個可用電子學(xué)檢測的唯一的“簽名”可以被確定用于鑒別寶石。例如，可以使該寶石以預(yù)先確定的速度旋轉(zhuǎn)，利用一個固定的計數(shù)器或類似的裝置借助于電子學(xué)檢測出這個磁標(biāo)記。計數(shù)器的輸出將提供一鑒別信號圖形，這個圖形可以作為秘密為該金剛石持有者保存。即使采用現(xiàn)存的足夠精確的測量系統(tǒng)，對于一個冒充者竊賊來說，在一個有差別的寶石上偽造正確的標(biāo)志圖形也是特別困難的。
這樣的改進標(biāo)記鉆石的方法是全新的，對于這些標(biāo)記的使用范圍也不限于在這個簡短說明書中所包括的范圍，它只是作為一個說明。
通過薄膜化學(xué)氣相沉積(CVD)技術(shù)可以“形成”金剛石是公知的，在某些情況下，為了增加保密性能，把鑒別標(biāo)記夾在天然寶石和金剛石的表面CVD層之間是有利的。
不難理解，上述的描述是本發(fā)明可取實施例的說明，而在不違背本發(fā)明的權(quán)利要求所限定的內(nèi)容的情況下，還可以作出各種變化或改型。例如在圖1中的擋板23是在激光器11和縮小透鏡24間，然而，雖然圖1中所示的位置比較可取，擋板23也可以放在透鏡24和待作標(biāo)記的鉆石15之間。如果不用縮小透鏡24時，擋板23的位置范圍可以從正好在激光器11的輸出端到鄰近寶石15處，這樣對完成操作沒有任何顯著的影響。
此外，在擋板之前用一個光束均化器也可以獲得另一個重要的改進。這也是本專業(yè)人員所熟知的。
如上所述，按照本發(fā)明，對某些鉆石，利用KrF、XeCl或XeF激光器加工標(biāo)記可能更有利。此外，任何能夠在適宜的波長發(fā)射出足夠能量的激光源都可滿足需要。
如上面指出的那樣，受激準(zhǔn)分子激光器也可以用于在金剛石板上擠壓模具生產(chǎn)中加工特別精細的復(fù)雜圖樣，例如用在擠壓金屬絲，玻璃纖維或合成纖維上的模具。使受激準(zhǔn)分子激光器重復(fù)發(fā)射激光，再將光束縮小，借助于在擋板上形成的組合孔可以完善地在將薄金剛石板上“鉆孔”。
這可以制造出質(zhì)量尚未受到欣賞的新的纖維。例如可以生產(chǎn)具有特別高的起毛纖維，然后編織成用作過濾器、墊托物或絕熱體等方面的材料。本發(fā)明一個特別有利的用途是生產(chǎn)纖維，例如擠壓的玻璃纖維，其橫截面具有很高的重量比強度。例如可以生產(chǎn)出高分辨率Ⅰ型束橫截面纖維。當(dāng)該纖維被用吹鑄或用其它方式加工成固體形狀時，這些纖維將具有特別高的長度比強度和重量比強度特性。幾乎可以把被擠壓的材料加工成任意形狀的橫截面，其表面特征的分辨率特別高。
此外，可以在金剛石強度最大方向上對模具“鉆孔”。強度特別高的和耐用的模具就可以這樣按照本發(fā)明的基本方案來獲得。
當(dāng)然壓模嵌入件可以用與金剛石不同的硬質(zhì)材料制成，即例如用上述的紅寶石等材料制成。
用于加工壓模嵌入件的裝置示在圖4中，所示的這個裝置大體上類似于圖1中用于加工保密標(biāo)記的裝置。在圖4中類似的元件和圖1中的數(shù)字相同，但帶有一個“′”。在圖4中的裝置10中，包括一個受激準(zhǔn)分子激光器11′，它可以是和圖1中所示的受激準(zhǔn)分子激光器11相同，它的輸出12′在射過具有一個相應(yīng)于壓模嵌入件的擠壓孔的橫截面的擋板23′。只有相應(yīng)于擠壓孔形狀的一部分輻射才能通過擋板。
激光束通過擋板后，射向縮小光學(xué)器件24′，該縮小光學(xué)器件24′可以是一個保證獲得一預(yù)定尺寸擠壓孔的適合的縮小透鏡?？s小透鏡24′使光束聚焦在可以類似于作為參考文件的美國專利3114966中所示的壓模嵌入件(5)的壓模嵌入件51上，壓模嵌入件51被固定在一個適宜的固定裝置52上。
利用數(shù)目適當(dāng)?shù)哪芰棵}沖在壓模嵌入件51上加工出擠壓孔，這個能量脈沖數(shù)目取決于選擇的受激準(zhǔn)分子激光器的輸出能量和壓模嵌入件本身的厚度。
圖5a-5e示出了幾個利用本發(fā)明的裝置所可能加工的一些擠壓孔的二維橫截面的例子，圖6a-6c示出了為獲得在圖5a-5c中示出形狀的擠壓孔而用在圖4中示出的設(shè)備上的擋板。圖6a-6c的挖空區(qū)域相應(yīng)于在圖5a-5c中示出壓模嵌入件的擠壓孔橫截面。
雖然列舉的是上述例子，但是擠壓孔的形狀不一定需要具有單一的幾何形狀，即有規(guī)則的圓形。任何可以在擋板上加工出的不規(guī)則形狀都可以用于形成相應(yīng)的平面擠壓孔。
此外，按照本發(fā)明可以加工出復(fù)雜的三維擠壓孔。通過用至少在一個方向上逐漸變小的連續(xù)挖空區(qū)域或作擋光區(qū)域加工出的一組將要定位在激光能源和工件之間的檔板，可以生產(chǎn)出一個橫截面沿擠壓方向改變的孔。盡管由各種材料的實際擠壓所可能獲得的結(jié)果只受到加工一系列或一批標(biāo)記的個人的創(chuàng)造力的限制，發(fā)明者期望利用在此描述的方法按這種方式制成任何數(shù)目不限的擠壓壓模。
權(quán)利要求
1.一種在鉆石上加工標(biāo)記的方法，該方法包括在一個波長位于紫外范圍的激光能源的輸出和待標(biāo)記的鉆石的表面部分之間固定一個擋板；使該激光能源通過擋板直接照射鉆石的表面部分，以使該激光輻射本身產(chǎn)生一個由擋板所限定的圖形的標(biāo)記。
2.如權(quán)利要求1的方法，其特征在于該激光能源以一個波長約193nm的至少一個能量脈沖照射該鉆石。
3.如權(quán)利要求1的方法，其特征在于該照射步驟包括使激光輻射通過擋板上的挖空區(qū)域。
4.如權(quán)利要求1的方法，其特征在于該輻射步驟包括使激光輻射通過在擋板上具有不同透射率的區(qū)域。
5.如權(quán)利要求1的方法，其特征在于該擋板和鉆石表面相隔開放置。
6.如權(quán)利要求1的方法，其特征在于擋板是直接置在或靠在鉆石的表面上。
7.如權(quán)利要求1的方法，該標(biāo)記經(jīng)把標(biāo)記圖樣縮小的光學(xué)組件以縮小的尺寸成象在鉆石的表面。
8.如權(quán)利要求3的方法，進一步包括下列步驟把一個第二擋板固定在激光能源的輸出端和待加工標(biāo)記鉆石表面的第二部分之間，該第二部分是待加工標(biāo)記鉆石表面的第一部分的子集;使激光能源經(jīng)第二擋板后直接照射鉆石表面的第二部分，以便使激光輻射本身產(chǎn)生一個由第二擋板所限定圖形的第二標(biāo)記。
9.如權(quán)利要求4的方法，該擋板是由一組基本上可透射受激準(zhǔn)分子激光波長輻射的材料中的一個制成的，這組材料包括熔凝石英，熔凝硅石和熔凝藍寶石。
10.如權(quán)利要求1的方法，其特征在于激光源的能量可以調(diào)節(jié)，以便只從鉆石表面移去一個薄層。
11.如權(quán)利要求10的方法，其特征在于從該表面移去的薄層厚度范圍約從幾個埃到幾個μm之間。
12.如權(quán)利要求1的方法，其特征在于，在加工整個標(biāo)記的過程中保持鉆石在一個唯一的固定位置。
13.如權(quán)利要求1的方法，包括在照射鉆石之前，把一種涂層材料涂到待加工標(biāo)記的表面上，這種材料只能在預(yù)先規(guī)定的光照條件下才能檢測出來。
14.如權(quán)利要求13的方法，其特征在于，該材料是熒光材料。
15.如權(quán)利要求13的方法，其特征在于，該材料是光敏材料。
16.如權(quán)利要求1的方法，包括在照射鉆石之前，把一種涂層材料涂到待標(biāo)記的表面上，該材料可以用光學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)檢測出來。
17.如權(quán)利要求16的方法，其特征在于該材料是碳化鉬、碳化鎳、碳化鈦或碳化鐵。
18.如權(quán)利要求16的方法，還包括至少對鉆石的第二部分進行類似的直接照射，以便形成至少一個第二標(biāo)記。
19.如權(quán)利要求1的方法，其特征在于，可以調(diào)節(jié)激光源的能量，以便使鉆石部分地從元素碳的一種形式轉(zhuǎn)變到元素碳的另一種形式。
20.如權(quán)利要求1的方法，其特征在于，可以調(diào)節(jié)激光源的能量，以便使鉆石在被標(biāo)記的部分發(fā)生部分石墨化。
21.如權(quán)利要求21的方法，其特征在于使產(chǎn)生的標(biāo)記暗度隨著激光輻射引起的石墨化的程度改變。
22.一種制造用在擠壓模中的壓模嵌入件的方法該壓模嵌入件有一個擠壓通孔，包括提供一個有一個輸出端的紫外激光能源;把一個有一個挖去部分與模具擠壓孔橫截面相對應(yīng)的擋板固定在該紫外激光能源的輸出端和壓模嵌入件之間;使來自激光能源輸出端的光束透過該擋板照射到該壓模嵌入件上，以便在其中加工出擠壓孔。
23.如權(quán)利要求22的方法，還包括把一縮小透鏡裝在該擋板和壓模嵌入件之間。
24.如權(quán)利要求22的方法，還包括把一個具有對應(yīng)模具擠壓孔的第二橫截面的不同挖空區(qū)域的第二擋板固定在該紫外激光能源的輸出端和壓模嵌入件之間;使輸出端的激光束經(jīng)過第二擋板照射到該壓模嵌入件上，以便在其中加工擠壓孔，其特征在于該模具擠壓孔的橫截面在要擠壓出材料的方向上是變化的。
25.一種加工由鉆石制成的物體的方法，包括提供一具有輸出端的紫外激光器;把一個具有對應(yīng)在物體上面要獲得的圖樣的挖空區(qū)域的擋板固定在該激光器輸出端和物體之間;把一個縮小透鏡放在該擋板和物體之間;使激光器有光束經(jīng)過該擋板后再經(jīng)過該縮小透鏡照射到物體上，以便在該物體上面產(chǎn)生預(yù)定圖樣。
26.一個用于擠壓纖維、金屬絲、燈絲等具有復(fù)雜橫截面的模具，包括一個由鉆石制成的壓模嵌入件，該嵌入件具有一個相應(yīng)于纖維、金屬絲、燈絲等橫截面形狀的橫截面的擠壓孔，壓模嵌入件是用紫外激光束經(jīng)過一個具有一相應(yīng)于擠壓孔橫截面形狀的挖空區(qū)域的擋板照射到該壓模嵌入件上制成的。該擋板固定在受激準(zhǔn)分子激光器和該壓模嵌入組之間。
27.一種在珍珠、貴重或半貴重寶石上加工標(biāo)記的方法，該方法包括把一擋板固定在一個波長在紫外范圍的激光能源的輸出端和待加工標(biāo)記的珍珠、貴重的或半貴重寶石的一部分表面之間。使激光能源經(jīng)過擋板直接照射珍珠、貴重的或半貴重寶石的表面上，以便使激光輻射本身形成一個由擋板所限定的圖樣的標(biāo)記，而同時不會在珍珠，精密或半精密寶石上引起微裂紋。
全文摘要
一種在鉆石、珍珠、貴重或半貴重寶石上加工標(biāo)記的方法。為了加工標(biāo)記，用ArF受激準(zhǔn)分子激光照射到待加工的表面的區(qū)域上，激光的光束經(jīng)過限定標(biāo)記的擋板可以加工出鑒別用的或保密的標(biāo)記，同樣的工藝可以用于加工高強度和耐用的具有不規(guī)則橫截面的擠壓模具，且橫截面可以隨著深入到壓模材料的深度而變化。
文檔編號B23K26/00GK1061929SQ9111084
公開日1992年6月17日 申請日期1991年10月11日 優(yōu)先權(quán)日1990年10月11日
發(fā)明者羅納德·H·溫斯頓, 奈西普·阿來伍 申請人:哈里·溫斯頓公司