Способ маркировки поверхности контролируемыми периодическими структурами
METHOD OF SURFACE MARKING WITH CONTROLLED PERIODIC STRUCTURES

Изобретение относится к средствам, предназначенным для маркировки изделий, выпускаемых в промышленности или получаемых в результате иной хозяйственной деятельности с возможностью проверки подлинности изделия или легальности их изготовления.
Известен способ защиты объекта от подделки путем нанесения информационной идентифицирующей метки с ее фиксацией посредством клеевого слоя к поверхности (патент РФ №2202821, МПК G03H 1/04, дата приоритета 12.04.2001, дата публикации 20.04.2003).
Однако в таком способе нанесения метка может непрочно связываться с различными типами материалов изделия (например, металлами), в связи с чем метка может быть достаточно легко отделена от поверхности материала, что делает возможным подмену информационной идентифицирующей метки.
Известен способ защиты изделий из металлов от подделки, (патент РФ №2077071, МПК G07D 5/00, дата приоритета 14.05.1996, дата публикации 10.04.1998). Способ включает нанесение метки путем формирования голографического микрорельефа двумя способами: электроискровым и интерференционным методами.
Недостатком этого способа является невысокая производительность электроискрового метода маркировки, сложность изготовления знаков-электродов и их значительный износ, зависящий от глубины маркировки. В случае реализации интерференционного метода маркировки необходимо наличие нескольких опорных пучков от когерентных точечных источников для формирования рельефа метки и восстанавливающего пучка определенной частоты в ходе визуальной идентификации метки, что значительно усложняет процессы идентификации и контроля.
Известен способ маркировки поверхности периодическими наноструктурами, совпадающий с заявляемым техническим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип (патент РФ №2494035, МПК В82В 3/00, дата приоритета 15.09.2008, дата публикации 27.09.2013). Способ маркировки включает в себя этап кодирования информации в виде изображения, содержащего значения, представляющие кодированную информацию, этап точечной маркировки участка указанной поверхности перемещением поляризованного пучка импульсного лазера для формирования ориентированных наноструктур на этой поверхности посредством модулирования поляризации лазерного пучка; этап маркировки контрольного участка, ориентация наноструктур которого, используется на этапе чтения указанной маркировки. При этом на этапе маркировки по меньшей мере половина поверхности маркируемого участка подвергается воздействию только одного лазерного импульса, и для формирования ориентированных наноструктур используется поляризованное лазерное излучение с фиксированной длиной волны (800 нм) и длительностью импульса менее 10 пс.
Недостатком данного способа является то, что для записи закодированной информации используется метод, в котором каждая совокупность точек должна состоять, по меньшей мере, из трех различных значений ориентации структур, что требует контроля поляризации лазерного излучения для каждой точки, что в свою очередь уменьшает скорость маркировки. Параметры сформированного рельефа (период и высота) сильно зависят от стабильности параметров лазерного излучения. В настоящее время для надежной работы лазеров ультракороткой длительности импульса (менее 10 пс) требуется стабильность параметров окружающей среды, что в свою очередь, затрудняет и удорожает использование данной технологии в промышленности.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является разработка способа маркировки металлических изделий, который обеспечит надежную защиту изделий от подделки с возможностью проверки подлинности изделия.
Поставленная задача решается за счет достижения технического результата, заключающегося в расширении визуально наблюдаемых эффектов и увеличении количества скрытых характерных признаков, получаемых в результате маркировки металлического изделия.
Указанный технический результат достигается за счет точечной маркировки участка указанной поверхности металлов перемещением поляризованного пучка импульсного лазера для формирования ориентированных структур на этой поверхности посредством модулирования поляризации лазерного пучка для каждой точки маркировки. Маркировку участка указанной поверхности осуществляют волоконным лазером наносекундной длительности импульсов (1-200 нс), с длиной волны 1,06 мкм, с частотой следования импульсов до 1 МГц. Лазерное пятно с диаметром в фокальной плоскости от 4 до 100 мкм, со скоростью сканирования до 8 м/с, перемещается методом построчного сканирования по всей площади обработки с/без перекрытия лазерных импульсов и с одновременным динамическим изменением направления вектора поляризации лазерного излучения (Фиг. 1).
Согласно отличительным признакам изобретения способ маркировки, изложенный выше, позволяет:
- Сформировать двумерную отражательную дифракционную решетку (поверхностную периодическую структуру (ППС)) на поверхности металла с периодом от 1 до 3 мкм в зависимости от угла падения лазерного излучения. Физическая сущность заявляемого способа заключается в периодическом (модулированном) поглощении поверхностью металлов энергии излучения лазера. Процесс формирования данной модуляции связан с интерференцией резонансно-возбужденных поверхностных электромагнитных волн (ПЭВ) с падающим излучением на реальной неоднородной поверхности. Периодическая модуляции интенсивности светового поля вызывает пространственно-неоднородный нагрев поверхности. Модуляция температуры вдоль поверхности материала, превышающая в своих максимумах температуру окисления/плавления, а затем испарения, приводит к застыванию интерференционного рельефа внутри лазерного отпечатка. Причем период ППС (Λ) согласуется с периодом распространения ПЭВ вдоль поверхности среды: , где λ - длина волны лазерного излучения; θ - угол падения лазерного излучения; n - показатель преломления границы воздух - металл для ПЭВ. При наблюдении невооруженным глазом заявленный способ маркировки обеспечивает формирование радужного изображения, состоящего из элементов, изменяющих цвет в зависимости от угла обзора или угла освещения.
- Динамически изменять направление вектора поляризации лазерного излучения непосредственно во время сканирования поверхности металла со скоростью до 4000 об/мин, что приводит к изменению ориентации ППС и движению отдельных частей маркировки при изменении угла обзора или угла освещения (Фиг. 1).
- Наносить равномерные ППС по всей площади обработки благодаря использованию режимов лазерного воздействия с перекрытием лазерных импульсов.
- Увеличить производительность процесса маркировки за счет лазерного воздействия в квазинепрерывном режиме (с высокой скоростью сканирования).
- Нанести маркировку на поверхность металлического изделия, которую можно считать (перевести ее в электронный цифровой вид) путем ее сканирования в поле белого света. В качестве сканирующего устройства может использоваться планшетный сканер.
Таким образом, предлагаемый способ маркировки повышает надежность защиты изделий из металла от подделки за счет визуальных и скрытых признаков подлинности наносимой маркировки.
11
2
В качестве примера реализации способа маркировки поверхности стали марки AISI 304 (температура плавления 1673 К) контролируемыми структурами с периодом порядка 1 мкм используют волоконный лазер наносекундной длительности импульсов, с длиной волны 1,06 мкм, перемещение лазерного пучка осуществляют методом построчного сканирования со скоростью до 8 м/с по всей площади обработки с одновременным динамическим изменением направления вектора поляризации лазерного излучения. Маркировку стали осуществляют при плотности мощности лазерного воздействия 1,68*10 Вт/м, которая позволяет нагреть поверхность материала до температуры плавления. Для обеспечения равномерной структуры по всей площади обработки лазерное пятно, с диаметром 50 мкм, перемещают методом построчного сканирования с шагом 1,8 мкм вдоль и 9 мкм перпендикулярно оси сканирования. Создание визуального эффекта движения отдельных частей изображения обеспечивает скорость поворота поляризации лазерного излучения 25 об/мин.
В результате получают маркировку на металлическом изделии, содержащую как визуальные, так и скрытые признаки подлинности (Фиг. 2): А) визуальные признаки при изменении угла обзора или угла освещения:
- плавное изменение цвета;
- эффект переключения цвета (изображение тигра /слона, область «А»);
- эффект движения отдельных элементов (полосы, двигающиеся параллельно оси сканирования, область «Б»);
Б) скрытые признаки:
- заданные структурные характеристики: ориентация, период и глубина структур (Фиг. 2А, Б);
- совпадение колориметрических координат при сравнении с заранее разработанным шаблоном в результате считывания изображений (Фиг. 2В).