激光誘導金屬表面著色技術研究進展

劉忠民++張慶茂

文章編號：2095-6835（2017）10-0039-03

摘 要：闡述了當前納秒級激光加工、飛秒級激光加工2種比較典型的激光金屬表面著色技術的加工特點和成色機理，總結了激光誘導金屬表面著色技術的發展現狀，展望了激光標記技術的發展前景，以期為日后的相關工作提供參考。

關鍵詞：激光表面處理；著色技術；金屬；激光標記技術

中圖分類號：TN249 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.10.039

2 激光誘導金屬著色的彩色特點

顏色是有色物體產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器官所產生的一種心理感受。從物理學和化學的角度來分析，顏色的來源有15種，可以從以下幾個方面概述：①與光源相關的振動和激發的顏色來源，包括白熾光源、氣體激發、振動和轉動；②涉及配位場效應的躍遷的顏色來源，包括過渡金屬化合物、過渡金屬雜質；③涉及分子軌道電子躍遷的顏色來源，包括有機化合物、電荷轉移；④涉及能帶躍遷的顏色來源，包括金屬、純半導體、摻雜或激發半導體、色心；⑤涉及幾何光學和物理光學的顏色來源，包括散射、干涉、衍射、色散的折射和偏振作用。

無論是納秒級激光，還是飛秒級激光誘導金屬表面產生的顏色，都具有共同特點，即產生的各種顏色色譜基本涵蓋整個可見光譜，同時，顏色受觀察角度的不同也會有一定的變化，具體如圖3所示。因此，可以推斷激光誘導金屬表面的顏色原因涉及過渡金屬化合物內屬顏色，以及表面物質涉及幾何和物理光學的結構色。

圖3 激光誘導金屬表面產生的彩色

3 激光誘導金屬著色的成色機理

3.1 納秒級激光加工成色機理

納秒級激光脈沖在金屬表面的作用過程中起到一個加熱熱源的作用，金屬物質在激光作用下會與空氣或液相中的氧發生氧化反應，形成金屬氧化物薄膜，這層薄膜顯示出顏色。

如圖4所示，分析激光誘導不銹鋼表面產生的氧化層，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，但不能說明激光誘導不銹鋼表面涵蓋幾乎整個可見光譜顏色，同時，這些顏色會隨觀察角度的變化而變化。

經研究發現，當產生的氧化物薄膜厚度在100 nm以內時，氧化膜具備整體均勻、平整的特性，如圖5所示。經過橢偏儀測定，其符合單層薄膜干涉的原理，薄膜的干涉效應是產生不同顏色的主要原因。當氧化物薄膜厚度超過100 nm時，氧化膜符合雙層或者多層薄膜的特征，光的干涉效應仍是產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構的氧化物薄膜層，這些薄膜層也能產生顏色，這些結構不具備嚴格的幾何或者物理光學特征，但與光的干涉、衍射有很大的關系。

3.2 飛秒級激光加工成色機理

飛秒級激光脈沖在金屬表面產生顏色是近年的熱點研究問題之一。飛秒激光脈沖能在不銹鋼等很多金屬表面產生納米級的周期性結構，如圖6所示，這些周期性結構使得金屬表面獲得彩色。飛秒級激光脈沖在金屬表面作用需要用雙溫模型來描述激光與金屬的相互作用過程。當使用激光急劇加熱電子亞系統時，在電子亞系統和離子亞系統達到熱平衡之前，激光停止作用，電子亞系統與離子亞系統之間存在巨大的溫度差，電子亞系統與離子亞系統相互作用使2個相同最終達到熱平衡。在飛秒的作用過程中，電吸光過程、電聲作用占主導地位。

經研究發現，飛秒激光處理的金屬表面元素成分沒有明顯的氧含量，仍是一些合金化合物。這些周期性結構符合光衍射效應的特征，飛秒激光作用的金屬表面的顏色主要由光的衍射產生。但是，控制激光參數，精確產生相應的微結構是一個難題。這些納米級結構的特性不僅與材料的種類、不同物質的反應有關，還與激光的波長、頻率、脈沖能量、入射角和偏振等特性有關。

4 結束語

由一系列的探討發現，無論是納秒級激光，還是飛秒級激光在金屬表面著色，產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效應造成的。而由于納秒級激光或是飛秒級激光與金屬的作用過程極為復雜，產生的表面物質成分和結構受到很多因素的影響，對工藝加工環境的要求高，重復性差，使其成為了激光彩色著色技術應用發展的瓶頸所在。隨著激光技術的發展，研究激光著色工藝和機理，可以優化得到輸入和輸出的定量關系，而激光著色技術必將能發揮它的優勢，并得到廣泛的應用。

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作者簡介：劉忠民（1988—），男，碩士，實驗員，研究方向為工程光學實驗技術應用、激光表面處理。

〔編輯：白潔〕