激光誘導(dǎo)金屬表面著色技術(shù)研究進(jìn)展

劉忠民++張慶茂

文章編號(hào)：2095-6835（2017）10-0039-03

摘 要：闡述了當(dāng)前納秒級(jí)激光加工、飛秒級(jí)激光加工2種比較典型的激光金屬表面著色技術(shù)的加工特點(diǎn)和成色機(jī)理，總結(jié)了激光誘導(dǎo)金屬表面著色技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，展望了激光標(biāo)記技術(shù)的發(fā)展前景，以期為日后的相關(guān)工作提供參考。

關(guān)鍵詞：激光表面處理；著色技術(shù)；金屬；激光標(biāo)記技術(shù)

中圖分類號(hào)：TN249 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.10.039

2 激光誘導(dǎo)金屬著色的彩色特點(diǎn)

顏色是有色物體產(chǎn)生的光或者光照在物體上反射出的光，這些光作用于人的視覺(jué)器官所產(chǎn)生的一種心理感受。從物理學(xué)和化學(xué)的角度來(lái)分析，顏色的來(lái)源有15種，可以從以下幾個(gè)方面概述：①與光源相關(guān)的振動(dòng)和激發(fā)的顏色來(lái)源，包括白熾光源、氣體激發(fā)、振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)；②涉及配位場(chǎng)效應(yīng)的躍遷的顏色來(lái)源，包括過(guò)渡金屬化合物、過(guò)渡金屬雜質(zhì)；③涉及分子軌道電子躍遷的顏色來(lái)源，包括有機(jī)化合物、電荷轉(zhuǎn)移；④涉及能帶躍遷的顏色來(lái)源，包括金屬、純半導(dǎo)體、摻雜或激發(fā)半導(dǎo)體、色心；⑤涉及幾何光學(xué)和物理光學(xué)的顏色來(lái)源，包括散射、干涉、衍射、色散的折射和偏振作用。

無(wú)論是納秒級(jí)激光，還是飛秒級(jí)激光誘導(dǎo)金屬表面產(chǎn)生的顏色，都具有共同特點(diǎn)，即產(chǎn)生的各種顏色色譜基本涵蓋整個(gè)可見(jiàn)光譜，同時(shí)，顏色受觀察角度的不同也會(huì)有一定的變化，具體如圖3所示。因此，可以推斷激光誘導(dǎo)金屬表面的顏色原因涉及過(guò)渡金屬化合物內(nèi)屬顏色，以及表面物質(zhì)涉及幾何和物理光學(xué)的結(jié)構(gòu)色。

圖3 激光誘導(dǎo)金屬表面產(chǎn)生的彩色

3 激光誘導(dǎo)金屬著色的成色機(jī)理

3.1 納秒級(jí)激光加工成色機(jī)理

納秒級(jí)激光脈沖在金屬表面的作用過(guò)程中起到一個(gè)加熱熱源的作用，金屬物質(zhì)在激光作用下會(huì)與空氣或液相中的氧發(fā)生氧化反應(yīng)，形成金屬氧化物薄膜，這層薄膜顯示出顏色。

如圖4所示，分析激光誘導(dǎo)不銹鋼表面產(chǎn)生的氧化層，這層氧化膜以Fe氧化物、Cr氧化物為主要組成成分。Fe氧化物、Cr氧化物具有一定的本征色，但不能說(shuō)明激光誘導(dǎo)不銹鋼表面涵蓋幾乎整個(gè)可見(jiàn)光譜顏色，同時(shí)，這些顏色會(huì)隨觀察角度的變化而變化。

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)產(chǎn)生的氧化物薄膜厚度在100 nm以內(nèi)時(shí)，氧化膜具備整體均勻、平整的特性，如圖5所示。經(jīng)過(guò)橢偏儀測(cè)定，其符合單層薄膜干涉的原理，薄膜的干涉效應(yīng)是產(chǎn)生不同顏色的主要原因。當(dāng)氧化物薄膜厚度超過(guò)100 nm時(shí)，氧化膜符合雙層或者多層薄膜的特征，光的干涉效應(yīng)仍是產(chǎn)生不同顏色的主要原因。

然而，在一些特定的激光加工方式下，在不銹鋼表面也能形成有周期性微結(jié)構(gòu)的氧化物薄膜層，這些薄膜層也能產(chǎn)生顏色，這些結(jié)構(gòu)不具備嚴(yán)格的幾何或者物理光學(xué)特征，但與光的干涉、衍射有很大的關(guān)系。

3.2 飛秒級(jí)激光加工成色機(jī)理

飛秒級(jí)激光脈沖在金屬表面產(chǎn)生顏色是近年的熱點(diǎn)研究問(wèn)題之一。飛秒激光脈沖能在不銹鋼等很多金屬表面產(chǎn)生納米級(jí)的周期性結(jié)構(gòu)，如圖6所示，這些周期性結(jié)構(gòu)使得金屬表面獲得彩色。飛秒級(jí)激光脈沖在金屬表面作用需要用雙溫模型來(lái)描述激光與金屬的相互作用過(guò)程。當(dāng)使用激光急劇加熱電子亞系統(tǒng)時(shí)，在電子亞系統(tǒng)和離子亞系統(tǒng)達(dá)到熱平衡之前，激光停止作用，電子亞系統(tǒng)與離子亞系統(tǒng)之間存在巨大的溫度差，電子亞系統(tǒng)與離子亞系統(tǒng)相互作用使2個(gè)相同最終達(dá)到熱平衡。在飛秒的作用過(guò)程中，電吸光過(guò)程、電聲作用占主導(dǎo)地位。

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，飛秒激光處理的金屬表面元素成分沒(méi)有明顯的氧含量，仍是一些合金化合物。這些周期性結(jié)構(gòu)符合光衍射效應(yīng)的特征，飛秒激光作用的金屬表面的顏色主要由光的衍射產(chǎn)生。但是，控制激光參數(shù)，精確產(chǎn)生相應(yīng)的微結(jié)構(gòu)是一個(gè)難題。這些納米級(jí)結(jié)構(gòu)的特性不僅與材料的種類、不同物質(zhì)的反應(yīng)有關(guān)，還與激光的波長(zhǎng)、頻率、脈沖能量、入射角和偏振等特性有關(guān)。

4 結(jié)束語(yǔ)

由一系列的探討發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是納秒級(jí)激光，還是飛秒級(jí)激光在金屬表面著色，產(chǎn)生的顏色主要是加工的表面金屬化合物的幾何和物理光學(xué)效應(yīng)造成的。而由于納秒級(jí)激光或是飛秒級(jí)激光與金屬的作用過(guò)程極為復(fù)雜，產(chǎn)生的表面物質(zhì)成分和結(jié)構(gòu)受到很多因素的影響，對(duì)工藝加工環(huán)境的要求高，重復(fù)性差，使其成為了激光彩色著色技術(shù)應(yīng)用發(fā)展的瓶頸所在。隨著激光技術(shù)的發(fā)展，研究激光著色工藝和機(jī)理，可以優(yōu)化得到輸入和輸出的定量關(guān)系，而激光著色技術(shù)必將能發(fā)揮它的優(yōu)勢(shì)，并得到廣泛的應(yīng)用。

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作者簡(jiǎn)介：劉忠民（1988—），男，碩士，實(shí)驗(yàn)員，研究方向?yàn)楣こ坦鈱W(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)應(yīng)用、激光表面處理。

〔編輯：白潔〕