專(zhuān)利名稱(chēng)：用高能輻射加工材料的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用高能輻射加工材料的方法，其中用高能輻射，具體地用激光束照射
聚合物基體。
背景技術(shù)：
用激光束加工材料是工業(yè)上現(xiàn)有的方法并特別用于焊接、切割、鉆孔和去除各種 材料。用激光束加工材料所涉及的作用機(jī)理的多樣性和復(fù)雜性是以已試驗(yàn)確定或模擬確定 的工藝參數(shù)使用激光束的原因。在參數(shù)與所用激光的可調(diào)變量和所得加工產(chǎn)物如何關(guān)聯(lián)方 面，激光強(qiáng)度和經(jīng)受輻射作用的時(shí)間特別重要。 已知在借助激光加工材料時(shí)將聚焦激光束射在待加工工件的表面上。通常對(duì)聚 焦位置進(jìn)行選擇，以便聚焦透鏡相對(duì)于工件表面的距離使獲得最小激光束徑向范圍成為可 能。由此在工件表面上提供最大的激光強(qiáng)度。 由于激光功率與焦點(diǎn)范圍的特定比例，傳遞給工件的能量密度急劇增加。激光能 量的耦合在工件表面引起相變過(guò)程，進(jìn)而可獲得特定的加工結(jié)果。 在表面處理領(lǐng)域中，將借助脈沖激光束通過(guò)轟擊從工件表面除去材料稱(chēng)為激光燒 蝕。 傳遞給工件的激光光子能量可造成化學(xué)鍵斷開(kāi)，在非金屬的情況下短激光脈沖還 可引起庫(kù)侖爆炸。這意味著電子離開(kāi)固體(solid body)，庫(kù)侖斥力使一部分剩余的正離子 加速離開(kāi)表面。 使用納秒范圍的激光脈沖時(shí)，在激光脈沖持續(xù)過(guò)程中激光能量致使表面升溫(在 原子熱運(yùn)動(dòng)的意義上)。由于有限的熱傳導(dǎo)僅允許向體內(nèi)緩慢地傳遞能量，因而輻射能量集 中于非常小的區(qū)域。因而，工件在該區(qū)域達(dá)到非常高的溫度，可能出現(xiàn)材料的急劇氣化。使 用大功率密度的激光時(shí)，通過(guò)熱電離或直接由激光光子引起的電離，可產(chǎn)生被去除材料的 電子和離子的等離子體，等離子體離子可加速達(dá)到超過(guò)100eV的能量。 將可實(shí)現(xiàn)燒蝕的最小功率或能量密度(在給定的波長(zhǎng)和脈沖寬度下)稱(chēng)為燒蝕閾 值。采用高于該閾值的能量密度時(shí)，燒蝕速度明顯提高。 因而，激光燒蝕例如可代替硬質(zhì)材料的機(jī)械刻印用于材料的目標(biāo)去除或用于鉆出 極小的孔洞。作為選擇，被去除的材料還可用于涂覆另一工件的表面，這些技術(shù)稱(chēng)為脈沖激 光沉積(Pulsed Laser D印osition) (PU))或激光轉(zhuǎn)印膜(Laser Transfer Film) (LTF)。
激光燒蝕的缺點(diǎn)在于在激光燒蝕過(guò)程中以及之后不久，被拋起的熔體、飛濺物和 冷卻凝固產(chǎn)生的物質(zhì)的細(xì)小顆粒常常作為堆積物沉積在加工區(qū)周?chē)??？赏ㄟ^(guò)工藝氣體將這 些分解產(chǎn)物從加工位置除去。然而，通常，在采用激光工藝進(jìn)行加工的過(guò)程中這些分解產(chǎn)物 表現(xiàn)出負(fù)面效應(yīng)并構(gòu)成加工結(jié)果質(zhì)量的決定性因素。 通常，通過(guò)設(shè)定激光參數(shù)以及與工藝氣體反應(yīng)努力使這些效應(yīng)最小化。在多種材 料待加工的情況下，可利用吸收特性，在短時(shí)間內(nèi)采用高的激光強(qiáng)度照射所述材料。通常， 通過(guò)將激光聚焦于工件表面，來(lái)實(shí)現(xiàn)激光能量的最大耦合。輻射向熱量的能量轉(zhuǎn)換具有在那里形成熱影響區(qū)的效應(yīng)，其中熱效應(yīng)造成所需的加工結(jié)果。然而，由此，熱傳導(dǎo)和對(duì)流造
成的強(qiáng)烈熱過(guò)程以及氣化和等離子體的形成可能對(duì)周?chē)鷧^(qū)域造成負(fù)面效應(yīng)。 在材料的比導(dǎo)熱系數(shù)小而導(dǎo)致熱量分布不佳的情況下，在邊界面和/或周?chē)鷧^(qū)域
可能出現(xiàn)過(guò)熱，結(jié)果使得材料經(jīng)歷不期望的結(jié)構(gòu)變化。特別是在非晶態(tài)和結(jié)晶材料(例如
玻璃、陶瓷和結(jié)晶金屬如硅)的情況下，問(wèn)題在于這種高能輸入可造成負(fù)面效應(yīng)例如應(yīng)力
和開(kāi)裂，從而損害待加工材料的質(zhì)量。 如果激光束以基諧模式(TEM00模式)振蕩，則激光束可以最佳的可行方式聚焦，且其能量分布遵循高斯曲線。通過(guò)借助聚焦透鏡適當(dāng)?shù)卦O(shè)定焦距，可實(shí)現(xiàn)40ym至120ym的最小光束直徑并使光束射向工件表面。按照常規(guī)，當(dāng)焦點(diǎn)設(shè)置在工件表面上時(shí)，最大激光束脈沖功率密度(J/cm2)作用于工件。如果激光束的焦平面沒(méi)有位于工件表面上，則脈沖功率密度可能過(guò)低，結(jié)果激光束僅僅使表面升溫，而沒(méi)有在材料中引起任何永久性的變化。
如果在聚焦于表面時(shí)吸收能超過(guò)閾值，則能量輸入引起材料的相變。盡管由此引起的變化不一定伴隨材料聚集狀態(tài)的改變，但材料表面的升溫導(dǎo)致在工件中形成溫度場(chǎng)。大的溫度梯度引起熱應(yīng)力，冷卻階段之后熱應(yīng)力常常作為殘余應(yīng)力保留在工件中。然而，由于升溫階段熱膨脹引起的塑性變形(低于450°C的溫度下)，機(jī)械應(yīng)力也可能保留在固體中。然而，熱影響區(qū)中形成的結(jié)構(gòu)變化還可留下光學(xué)可見(jiàn)的缺陷，例如形成弧坑、空腔和微裂紋。 所有用激光束加工材料的已知方法的共同特征在于使激光束射在材料表面上，所述材料吸收激光波長(zhǎng)并允許盡可能少的光穿過(guò)。由此產(chǎn)生的效果是光僅僅透過(guò)材料到達(dá)較小的深度且熱影響區(qū)由受輻照表面決定。熱影響區(qū)的局部限定還具有限制向材料進(jìn)行絕對(duì)能量傳遞的作用。另外，單位時(shí)間可去除的材料量取決于熱影響區(qū)的大小。另一方面，通常不期望增大受輻照表面并且不期望通過(guò)提高激光功率對(duì)此進(jìn)行補(bǔ)償來(lái)獲得所需的脈沖功率密度。原因在于當(dāng)將要獲得特別精密的加工結(jié)果時(shí)，例如在極精細(xì)或微觀切口、孔洞、標(biāo)記等的情況下，用激光束加工材料通常精確地進(jìn)行。

發(fā)明內(nèi)容
因而，本發(fā)明的目的是提供用高能輻射加工材料的改進(jìn)方法，其中在不明顯損害加工結(jié)果的情況增大熱影響區(qū)。 根據(jù)本發(fā)明，提供用高能輻射加工材料的方法，其中用高能輻射，具體地用激光束照射聚合物基體，其中輻射聚焦在焦點(diǎn)上，設(shè)置所述焦點(diǎn)以使其位于面向輻射的聚合物基體表面之后，并在聚合物基體上引起材料的去除，從而在聚合物基體內(nèi)形成反應(yīng)空間。
在這種情況下，待加工材料可以是聚合物基體本身或與聚合物基體接觸且可透過(guò)輻射波長(zhǎng)的工件，優(yōu)選玻璃基材。 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，僅要求主要成分應(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形成反應(yīng)空間。 本發(fā)明的方法引起聚合物基體的材料去除，進(jìn)而形成反應(yīng)空間。本申請(qǐng)中的術(shù)語(yǔ)"反應(yīng)空間"是適于容納可能在該反應(yīng)空間中發(fā)生的所需反應(yīng)的反應(yīng)物的空腔。在反應(yīng)空間形成過(guò)程中這些反應(yīng)物優(yōu)選由形成反應(yīng)空間的聚合物基體區(qū)域的材料形成。
反應(yīng)空間的形成具有增大熱影響區(qū)的作用，而加工沒(méi)有因此明顯受損。這是因?yàn)?輻射射入反應(yīng)空間區(qū)域的深度大于射入不含反應(yīng)空間的聚合物基體的深度。優(yōu)選地，在形 成反應(yīng)空間之后，粉狀反應(yīng)物存在于反應(yīng)空間內(nèi)，反應(yīng)空間內(nèi)粉狀反應(yīng)物與聚合物基體中 的結(jié)合形式的(bound form)反應(yīng)物相比更大程度地吸收輻射。 出于多種原因，有利的是反應(yīng)空間在空間上由聚合物基體和接觸聚合物基體并可 透過(guò)輻射波長(zhǎng)的工件(優(yōu)選玻璃基材)兩者限定。 一方面，工件可以是待加工例如待標(biāo)記 或標(biāo)注的實(shí)際材料。另一方面，反應(yīng)空間因此在空間上完全封閉，沒(méi)有對(duì)聚合物基體的表面 開(kāi)放。因而，反應(yīng)物不能夠離開(kāi)反應(yīng)空間，從而在反應(yīng)空間形成之后可全部用于在反應(yīng)空間 內(nèi)進(jìn)行所需的反應(yīng)?？赡芷谕诓牧先コ蠓磻?yīng)物存在于反應(yīng)空間內(nèi)，且反應(yīng)空間內(nèi)的 反應(yīng)物在用高能輻射(具體地用激光束)照射反應(yīng)空間的條件下反應(yīng)形成產(chǎn)物。
聚合物基體例如可具有鈦供體以及碳供體。適宜的鈦供體有純鈦或含鈦化 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)物當(dāng)在反應(yīng)空間內(nèi)經(jīng)受輻射作用時(shí)形成所需的碳化鈦產(chǎn)物。優(yōu) 選地，在70(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。是輻射產(chǎn)生了在反應(yīng)空間中進(jìn)行反應(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。
例如，對(duì)于標(biāo)記諸如玻璃基材等工件而言，優(yōu)選的是，當(dāng)用高能輻射，具體地用激 光束照射反應(yīng)空間時(shí)，由反應(yīng)物產(chǎn)生的產(chǎn)物例如碳化鈦沉積在與聚合物基體接觸的工件例 如玻璃基材上。因而，輻射在穿過(guò)可透過(guò)輻射波長(zhǎng)的工件之后撞擊在聚合物基體或反應(yīng)空 間上。 反應(yīng)空間優(yōu)選具有直徑為20-200 y m及深度為10-100 y m的空間范圍。已證實(shí)在 反應(yīng)空間具有直徑為約70 ii m及深度為約40 ii m的空間范圍時(shí)獲得最佳結(jié)果。用作輻射源 的是波長(zhǎng)為1060nm或1064nm的纖維耦合二極管端泵浦激光器(f ibre-coupled diode end pumped laser)，該激光器具有12W的輸出功率。 在該方法的優(yōu)選實(shí)施方案中，通過(guò)第一激光脈沖形成反應(yīng)空間，然后用第二激光 脈沖照射該反應(yīng)空間。因而，第一激光脈沖形成反應(yīng)空間和優(yōu)選存在于反應(yīng)空間內(nèi)的粉 狀反應(yīng)物，并通過(guò)第二激光脈沖輔助反應(yīng)物反應(yīng)生成所需的產(chǎn)物，優(yōu)選地通過(guò)爆炸性氣化 (explosive vaporization)將產(chǎn)物推至鄰接反應(yīng)空間的透明工件的表面上。
此外，有利的是，通過(guò)用高能輻射(具體地用激光束)照射聚合物基體，在聚合物 基體內(nèi)形成在局部彼此相鄰排列的多個(gè)反應(yīng)空間。在這種情況下，輻射優(yōu)選為脈沖束，在輻 射過(guò)程中使脈沖束相對(duì)于聚合物基體橫向移動(dòng)或者使聚合物基體相對(duì)于脈沖束橫向移動(dòng)。 在本文中，有利的是相鄰的反應(yīng)空間的空間范圍重疊至少25% 。在這種情況下，脈沖頻率以 及脈沖束和聚合物基體之間的相對(duì)移動(dòng)速度即標(biāo)注速度相應(yīng)地相互配合。因此，可形成反應(yīng)空間的鄰接結(jié)構(gòu)，例如線或表面區(qū)域。這可能是有利的，特別是在標(biāo)記或標(biāo)注工件的情況下。 優(yōu)選用脈沖激光器并以10kHz-300kHz的脈沖頻率(pulse rate)產(chǎn)生輻射。例如
為了在工件上獲得線狀或二維標(biāo)記或標(biāo)注，高脈沖頻率是有利的，無(wú)論是使激光束相對(duì)于
工件和聚合物基體橫向移動(dòng)還是使工件和聚合物基體相對(duì)于激光束橫向移動(dòng)。因而甚至以
高的標(biāo)注速度實(shí)現(xiàn)激光脈沖的重疊，以形成具有最高可能質(zhì)量的線狀或二維結(jié)構(gòu)。另外，在
較高的脈沖頻率下，使反應(yīng)空間反復(fù)經(jīng)受激光脈沖的作用，以便可耦合更多的輻射能量。 在本發(fā)明的方法中，輻射聚焦于焦點(diǎn)，設(shè)置輻射的焦點(diǎn)以使其位于面向輻射的聚
合物基體表面之后。在這種情況下，優(yōu)選在焦點(diǎn)區(qū)域內(nèi)形成反應(yīng)空間。然而，焦點(diǎn)還可位于
聚合物基體中更深的位置或甚至位于聚合物基體之后。具體地，在材料層限定反應(yīng)空間的
情況下，可能有利的是，設(shè)置焦點(diǎn)以使聚合物基體表面處的輻射功率密度小于3J/cm2。在本
文中表面相應(yīng)于在形成反應(yīng)空間之前沿聚合物基體表面的平面。在工件與聚合物基體接觸
的情況下，表面相應(yīng)于由工件形成的反應(yīng)空間邊界。這使得工件免受不良熱效應(yīng)，即不存在
工件質(zhì)量的永久損害而僅僅是熱效應(yīng)。為了同時(shí)實(shí)現(xiàn)反應(yīng)空間的有效形成和所需的反應(yīng)，
有利的是設(shè)置焦點(diǎn)以使反應(yīng)空間內(nèi)的最大輻射功率密度為至少5J/cm2，優(yōu)選至少10J/cm2。
因而，與已知方法相比，本發(fā)明方法的優(yōu)勢(shì)在于有意設(shè)置離焦(defocusing)，即特別地不
將焦點(diǎn)設(shè)置于工件表面而是設(shè)置于更深的聚合物層面或設(shè)置于聚合物基體之后。 從而激光束焦點(diǎn)處的最大脈沖功率密度沒(méi)有位于邊界層。由此保證最大能量輸入
引入與邊界層相距一定距離的材料且不良熱效應(yīng)不會(huì)影響鄰接的工件。 另外，離焦還使激光能量引起空腔內(nèi)反應(yīng)物的有效轉(zhuǎn)變，因?yàn)槟芰哭D(zhuǎn)化直接發(fā)生
在粉狀反應(yīng)物處。 實(shí)現(xiàn)具有最大可能局部分辨率的材料加工的常規(guī)方法通常將輻射聚焦于工件表面或設(shè)置最小可能的離焦。如果焦點(diǎn)位置位于工件表面的前面則稱(chēng)為負(fù)離焦，如果焦點(diǎn)位置位于工件表面之后則稱(chēng)為正離焦。因而，為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，應(yīng)設(shè)置正離焦。
盡管離焦使得聚合物基體表面或與其接觸的工件中的光束直徑增大，但本發(fā)明方法沒(méi)有常規(guī)方法的輸入材料的能量過(guò)低的效應(yīng)，而是形成反應(yīng)空間，從而允許輻射將能量引入更深的平面。由于在邊界層處沒(méi)有產(chǎn)生可能有害于相鄰工件的最大熱效應(yīng)，因而是有利的。 采用設(shè)定的光束截面時(shí)，產(chǎn)生在層上部的區(qū)域引起受控解聚的脈沖能量密度。只有在基體中形成的空腔深度較大時(shí)才能夠獲得最大脈沖功率密度。因而，最大能量輸入僅引入較深的平面。 空腔中產(chǎn)生的顆粒大部分在較深的弧坑區(qū)域中直接從固相轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀?。解聚產(chǎn)生的反應(yīng)物由于受熱而反應(yīng)形成所需的產(chǎn)物，產(chǎn)物由于爆炸和/或氣體噴射而被高速吹離該相互作用區(qū)域并撞擊在玻璃表面上。因而，該相互作用區(qū)域作為局部限定的反應(yīng)空間，在該反應(yīng)空間中激光束基本上完全轉(zhuǎn)化為熱能。 采用本發(fā)明的方法可消除對(duì)玻璃基材的任意有害作用，例如應(yīng)力、開(kāi)裂和熱效應(yīng)引起的氣化。將該方法用于標(biāo)記或標(biāo)注玻璃基材時(shí)，離焦引起的沉積標(biāo)記或標(biāo)注的邊緣銳度的降低可忽略不計(jì)。
因此，本發(fā)明包括以下實(shí)施方式
實(shí)施方式1. 一種用高能輻射加工材料的方法，其中用高能輻射，具體地用激光束 (9)照射聚合物基體(l)，其中所述輻射聚焦于焦點(diǎn)(ll)，設(shè)置所述焦點(diǎn)(11)以使其位于面 向所述輻射的聚合物基體表面(3)之后，并引起所述聚合物基體(1)的材料去除，從而在所 述聚合物基體(1)內(nèi)形成反應(yīng)空間(13)。 實(shí)施方式2.實(shí)施方式1的方法，其中在材料去除之后反應(yīng)物(15， 17)出現(xiàn)在所述 反應(yīng)空間(13)中，所述反應(yīng)空間(13)內(nèi)的反應(yīng)物(15， 17)在用高能輻射，具體地用激光束 (9)照射反應(yīng)空間(13)時(shí)反應(yīng)，從而形成產(chǎn)物(19)。 實(shí)施方式3.實(shí)施方式1或2的方法，其中所述反應(yīng)空間(13)空間上由所述聚合 物基體(1)和工件(7)限定，所述工件(7)與所述聚合物基體(1)接觸并可透過(guò)所述輻射 的波長(zhǎng)，優(yōu)選玻璃基材(7)，所述輻射在穿過(guò)工件(7)之后撞擊到聚合物基體(1)上。
實(shí)施方式4.實(shí)施方式2或3的方法，其中當(dāng)用高能輻射，具體地用激光束(9)照 射所述反應(yīng)空間(13)時(shí)，所述產(chǎn)物(19)沉積在所述工件(7)上，所述工件(7)與聚合物基 體(1)接觸并可透過(guò)所述輻射的波長(zhǎng)。 實(shí)施方式5.前述任一項(xiàng)實(shí)施方式的方法，其中形成所述反應(yīng)空間(13)，以使所述 反應(yīng)空間(13)具有直徑為20-200 ii m，優(yōu)選約70 y m且深度為10-100 y m，優(yōu)選約40 y m的
空間范圍。 實(shí)施方式6.前述任一項(xiàng)實(shí)施方式的方法，其中通過(guò)脈沖激光束(9)的第一脈沖形 成所述反應(yīng)空間(13)，并用脈沖激光束(9)的第二脈沖照射所述反應(yīng)空間(13)。
實(shí)施方式7.前述任一項(xiàng)實(shí)施方式的方法，其中通過(guò)用高能輻射，具體地用激光束 (9)照射所述聚合物基體(l)，在所述聚合物基體(1)內(nèi)形成在局部相鄰排列的多個(gè)反應(yīng)空 間(13)。 實(shí)施方式8.實(shí)施方式7的方法，其中所述輻射為脈沖激光束(9)，在照射過(guò)程中使 所述脈沖束(9)相對(duì)于所述聚合物基體(1)橫向移動(dòng)或使所述聚合物基體(1)相對(duì)于所述 脈沖束(9)橫向移動(dòng)。 實(shí)施方式9.實(shí)施方式7或8的方法，其中形成所述反應(yīng)空間(13)，以使相鄰反應(yīng) 空間(13)的空間范圍重疊至少25%。 實(shí)施方式10.前述任一項(xiàng)實(shí)施方式的方法，其中所述輻射用脈沖激光(9)并以 10kHz至300kHz的脈沖頻率產(chǎn)生。 實(shí)施方式11.前述任一項(xiàng)實(shí)施方式的方法，其中所述焦點(diǎn)(11)位于反應(yīng)空間(13) 內(nèi)、位于聚合物基體(1)內(nèi)或位于聚合物基體(1)之后。 實(shí)施方式12.前述任一項(xiàng)實(shí)施方式的方法，其中設(shè)置所述焦點(diǎn)(11)，以使所述聚 合物基體(1)的表面(3)處的輻射功率密度小于3J/cm2。 實(shí)施方式13.前述任一項(xiàng)實(shí)施方式的方法，其中設(shè)置所述焦點(diǎn)(11)，以使所述反 應(yīng)空間(13)內(nèi)的最大輻射功率密度為至少5J/cm2，優(yōu)選至少10J/cm2。
實(shí)施方式14.實(shí)施方式4至13中任一項(xiàng)的方法用于標(biāo)記或標(biāo)注工件(17)的用途， 所述工件(7)可透過(guò)所述輻射的波長(zhǎng)。 以下參照附圖更詳細(xì)地說(shuō)明有利的示例性實(shí)施方案。


圖la至ld示出根據(jù)本發(fā)明的方法在與玻璃基材接觸的聚合物基體中形成反應(yīng)空 間的各個(gè)階段。
具體實(shí)施例方式
圖la示出了聚合物基體1，該聚合物基體1的表面3與玻璃基材7的表面5直接 接觸。聚焦脈沖激光束9形式的高能輻射穿過(guò)玻璃基材7射到聚合物基體1的表面3上。 玻璃基材7可透過(guò)輻射波長(zhǎng)，而聚合物基體1幾乎完全吸收輻射。設(shè)定圖la中激光束9的 虛焦點(diǎn)11，以使該焦點(diǎn)11精確地在聚合物基體1的內(nèi)部在聚合物基體1的表面3之后與聚 合物基體1的表面3或玻璃基材7的表面5相距一定距離，從而實(shí)現(xiàn)正離焦。出于示例的 目的，在圖la中由虛線表示虛焦點(diǎn)ll。出于示例的目的，放大激光束9的聚焦強(qiáng)度。因而， 不是最大脈沖功率密度而僅是小于3J/cm2的脈沖功率密度撞擊在表面3上，這是因?yàn)橛捎?正離焦受輻照表面的面積大于焦點(diǎn)11處的面積。小于3J/cm2的脈沖功率密度具有如下效 果相鄰的玻璃基材7及其表面5免受負(fù)面影響且沒(méi)有遭受任何有害的熱影響。另一方面， 聚合物基體1的表面區(qū)域3吸收高能輻射并升溫，直至熱能大到使聚合物基體1粉化。聚 合物基體1的粉化區(qū)域至少部分地可透過(guò)輻射。在表面區(qū)域3粉化過(guò)程中，激光束9到達(dá) 較大的穿透深度，從而到達(dá)較深的區(qū)域。由于正離焦，激光束9在這種情況下更強(qiáng)烈地聚焦 于更深的區(qū)域，從而具有較大的脈沖功率密度并傳遞給構(gòu)成聚合物基體l的材料。在經(jīng)受 激光束9作用時(shí)，該過(guò)程持續(xù)進(jìn)行直至焦點(diǎn)11并超出，從而形成反應(yīng)空間13。形成反應(yīng)空 間13所需的作用時(shí)間可相應(yīng)于激光束9的第一脈沖的持續(xù)時(shí)間。 在圖lb中，反應(yīng)空間13達(dá)到其所需的尺寸，在反應(yīng)空間13內(nèi)實(shí)現(xiàn)超過(guò)10J/cm2的 最大脈沖功率密度。圖la中的虛焦點(diǎn)9變?yōu)閳Dlb中反應(yīng)空間13內(nèi)的實(shí)焦點(diǎn)9。這并不 是必需的，因?yàn)榭赏ㄟ^(guò)經(jīng)受激光束作用的時(shí)間設(shè)定反應(yīng)空間13的尺寸。焦點(diǎn)9可在整個(gè)方 法過(guò)程中保持為虛焦點(diǎn)，甚至位于聚合物基體1以外或聚合物基體1之后。在反應(yīng)空間13 內(nèi)，反應(yīng)物15、 17以粉狀物質(zhì)的形式存在并提供所需的反應(yīng)。在該實(shí)施方案中，反應(yīng)物15、 17為二氧化鈦15和炭黑形式的純碳17。 圖lc示出了優(yōu)選示例性實(shí)施方案的下述階段例如由于激光束9的第二脈沖的作
用，反應(yīng)物15、17發(fā)生反應(yīng)，形成產(chǎn)物19。在這種情況下，在輻射引起的70(TC至220(TC的
局部溫度下在反應(yīng)空間13內(nèi)用純碳17還原二氧化鈦15，形成產(chǎn)物碳化鈦19。 如圖ld所示，進(jìn)一步經(jīng)受激光束9的第二脈沖形式的輻射具有在反應(yīng)空間13內(nèi)
引起粉化物質(zhì)爆炸性氣化的效果。在這種情況下，所產(chǎn)生的碳化鈦19被推至玻璃基材7的
表面5并沉積于其上。沉積于玻璃基材7上的碳化鈦19例如可作為玻璃基材7的標(biāo)記或標(biāo)注。
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權(quán)利要求
一種用高能輻射加工材料的方法，其中用高能輻射，具體地用激光束(9)照射聚合物基體(1)，其中所述輻射聚焦于焦點(diǎn)(11)，設(shè)置所述焦點(diǎn)(11)以使其位于面向所述輻射的聚合物基體表面(3)之后，并引起所述聚合物基體(1)的材料去除，從而在所述聚合物基體(1)內(nèi)形成反應(yīng)空間(13)。
2. 權(quán)利要求l的方法，其中在材料去除之后反應(yīng)物(15， 17)出現(xiàn)在所述反應(yīng)空間(13) 中，所述反應(yīng)空間(13)內(nèi)的反應(yīng)物(15， 17)在用高能輻射，具體地用激光束(9)照射反應(yīng) 空間(13)時(shí)反應(yīng)，從而形成產(chǎn)物(19)。
3. 權(quán)利要求1或2的方法，其中所述反應(yīng)空間(13)空間上由所述聚合物基體(1)和工 件(7)限定，所述工件(7)與所述聚合物基體(1)接觸并可透過(guò)所述輻射的波長(zhǎng)，優(yōu)選玻璃 基材(7)，所述輻射在穿過(guò)工件(7)之后撞擊到聚合物基體(1)上。
4. 權(quán)利要求2或3的方法，其中當(dāng)用高能輻射，具體地用激光束(9)照射所述反應(yīng)空間 (13)時(shí)，所述產(chǎn)物(19)沉積在所述工件(7)上，所述工件(7)與聚合物基體(1)接觸并可 透過(guò)所述輻射的波長(zhǎng)。
5. 前述任一項(xiàng)權(quán)利要求的方法，其中形成所述反應(yīng)空間(13)，以使所述反應(yīng)空間(13) 具有直徑為20-200 ii m，優(yōu)選約70 ii m且深度為10-100 y m，優(yōu)選約40 y m的空間范圍。
6. 前述任一項(xiàng)權(quán)利要求的方法，其中通過(guò)脈沖激光束(9)的第一脈沖形成所述反應(yīng)空 間(13)，并用脈沖激光束(9)的第二脈沖照射所述反應(yīng)空間(13)。
7. 前述任一項(xiàng)權(quán)利要求的方法，其中通過(guò)用高能輻射，具體地用激光束(9)照射所述 聚合物基體(l)，在所述聚合物基體(1)內(nèi)形成在局部相鄰排列的多個(gè)反應(yīng)空間(13)。
8. 權(quán)利要求7的方法，其中所述輻射為脈沖激光束(9)，在照射過(guò)程中使所述脈沖束 (9)相對(duì)于所述聚合物基體(1)橫向移動(dòng)或使所述聚合物基體(1)相對(duì)于所述脈沖束(9) 橫向移動(dòng)。
9. 權(quán)利要求7或8的方法，其中形成所述反應(yīng)空間(13)，以使相鄰反應(yīng)空間(13)的空 間范圍重疊至少25%。
10. 前述任一項(xiàng)權(quán)利要求的方法，其中所述輻射用脈沖激光(9)并以10kHz至300kHz 的脈沖頻率產(chǎn)生。
11. 前述任一項(xiàng)權(quán)利要求的方法，其中所述焦點(diǎn)(11)位于反應(yīng)空間(13)內(nèi)、位于聚合 物基體(1)內(nèi)或位于聚合物基體(1)之后。
12. 前述任一項(xiàng)權(quán)利要求的方法，其中設(shè)置所述焦點(diǎn)(ll)，以使所述聚合物基體(1)的 表面(3)處的輻射功率密度小于3J/cm2。
13. 前述任一項(xiàng)權(quán)利要求的方法，其中設(shè)置所述焦點(diǎn)(ll)，以使所述反應(yīng)空間(13)內(nèi) 的最大輻射功率密度為至少5J/cm2，優(yōu)選至少10J/cm2。
14. 權(quán)利要求4至13中任一項(xiàng)的方法用于標(biāo)記或標(biāo)注工件(17)的用途，所述工件(7) 可透過(guò)所述輻射的波長(zhǎng)。
全文摘要
本發(fā)明提供用高能輻射加工材料的方法，其中用高能輻射，具體地用激光束(9)照射聚合物基體(1)，其中輻射聚焦于焦點(diǎn)(11)，設(shè)置焦點(diǎn)(11)以使其位于面向輻射的聚合物基體表面之后，并引起聚合物基體(1)的材料去除，從而在聚合物基體(1)內(nèi)形成反應(yīng)空間(13)。
文檔編號(hào)B23K26/18GK101733547SQ20091022527
公開(kāi)日2010年6月16日 申請(qǐng)日期2009年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月21日
發(fā)明者斯文·雷特, 阿恩·庫(kù)普斯 申請(qǐng)人:蒂薩公司