[发明专利]在玻璃中形成表面下标记的方法及具有表面下标记的玻璃

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2008年11月10日提交的美国申请号12/267,754，题为“在玻璃中形成表面下标记的方法”的权益。

技术领域

本申请涉及在玻璃中，特别是用激光形成表面下标记。

背景技术

已被报道的用激光器制作的标记类型有表面标记和本体标记(bulk marking)。这两类标记利用线性或非线性过程吸收激光能量，在局部接合、烧蚀、熔融或分解物质。一种典型的表面标记法使用可见或近红外激光在工作部件表面加热一层标记材料，从而产生接合。然后除去该层的剩余部分。

在玻璃之类的物体内标记被广泛用于产生艺术三维影像。在该方法中，标记通常是激光产生的几十或几百微米，或更大的微裂缝。这些微裂缝是由激光脉冲瞬间加热材料而发生的微爆炸形成的。为了标记大物体，材料通常是透明的，或至少在激光波长下部分透明。代表性的激光标记是材料线性或非线性吸收激光的混合结果。比尔-朗伯吸收定律描述了线性吸收，其中吸收系数相对于光强是常数，而在非线性吸收的情况下吸收系数随光强而变。

对在玻璃体内标记具有良好对比度的细线有需要。例如，这些线在玻璃压实测定(compaction measurement)中能被用作基准。理想状态下，基准线宽几个微米，在玻璃表面下几十微米。此外在许多应用中，线条应当没有微裂缝。现有的方法用精确机械划线器在玻璃表面上产生线条。这些线条会由于加工或与邻近的材料摩擦而消失。

在一种为鉴定和装饰目的在玻璃体内形成标记的方法中，用单独的点形成接近连续的线条。激光波长维持在玻璃体的透光度为60-95％的范围内。当形成标记时，产生微裂缝，这在作为基准线等的应用中是不合要求的。因此，仍然需要一种形成具有鲜明边缘和高对比度，且窄和平滑，而且无微裂缝的标记的方法。

发明内容

本申请的第一个实施方式描述了一种在玻璃中形成表面下标记的方法，包括对玻璃施加一束辐照，辐照具有≤400nm(1nm＝10^-9米)的波长。用能有效改变玻璃密度和得到的折射指数的标记设备(例如激光器)的标记参数施加光束，以在玻璃中形成大小不大于50μm(1μm＝10^-6米)的表面下标记，而不在玻璃中形成微裂缝，也不在玻璃表面上形成标记。

对于第一实施方式的具体特征，标记可以是基准，已知的是测量玻璃改变的标记，例如由于加热或切割玻璃产生的那些。当垂直于玻璃表面测量时，可在玻璃表面下20-200微米的位置形成标记。玻璃可以是平板(例如显示器玻璃)，其特征是至少600℃的应变点和25到40×10^-7/℃的热膨胀系数。辐照波长可以是≤300nm，具体说，266nm。该方法可包括形成从顶视图看基本是圆形或椭圆的表面下线条，其在空间上彼此至少90％重叠。该线条的宽度小于10微米，具体说，是2-5微米。

当从作为标记设备的激光器施加光束时，该方法可包括步骤：选择作为激光标记参数的标记深度值z(在该值下光束可穿透玻璃而不破坏玻璃表面)和光束波长λ；和选择具有吸收系数α的玻璃。激光中使用的物镜的数值孔径NA用以下关系式计算：

NA≥(10·(0.4λ²)/z²·e^-αz)^1/4。

NA的计算值用作另一个激光标记参数。

在本申请激光标记的另一个变化形式中，该方法包括选择用于聚焦激光的物镜的数值孔径NA值和激光波长λ作为激光标记参数，玻璃在激光波长下具有吸收系数α。标记深度z(在该深度下光束可穿透玻璃而不破坏玻璃表面)用以下关系式计算：

z≥(10·(0.4λ²)/(NA⁴·e^-αz))^1/2。

z的计算值用作另一个激光标记参数。

此外，除了计算出的NA或z激光标记参数及与其对应的所选激光标记参数，激光标记参数还可包括至少1kHz的激光重复频率，不大于100ns的激光脉冲时间，小于2的光束质量(M²)，在焦点处小于20J/cm²的通量水平，和物镜具有在激光波长λ下防反射的涂层。

本申请的另一个实施方式是在其外表面下具有标记的玻璃。该标记位于在表面下20-200微米范围内，而在玻璃内不形成微裂缝，也不在玻璃表面形成标记。标记的大小不大于50微米。