刘忠民++张庆茂

文章編号：2095-6835（2017）10-0039-03

摘 要：阐述了当前纳秒级激光加工、飞秒级激光加工2种比较典型的激光金属表面着色技术的加工特点和成色机理，总结了激光诱导金属表面着色技术的发展现状，展望了激光标记技术的发展前景，以期为日后的相关工作提供参考。

关键词：激光表面处理；着色技术；金属；激光标记技术

中图分类号：TN249 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.10.039

2 激光诱导金属着色的彩色特点

颜色是有色物体产生的光或者光照在物体上反射出的光，这些光作用于人的视觉器官所产生的一种心理感受。从物理学和化学的角度来分析，颜色的来源有15种，可以从以下几个方面概述：①与光源相关的振动和激发的颜色来源，包括白炽光源、气体激发、振动和转动；②涉及配位场效应的跃迁的颜色来源，包括过渡金属化合物、过渡金属杂质；③涉及分子轨道电子跃迁的颜色来源，包括有机化合物、电荷转移；④涉及能带跃迁的颜色来源，包括金属、纯半导体、掺杂或激发半导体、色心；⑤涉及几何光学和物理光学的颜色来源，包括散射、干涉、衍射、色散的折射和偏振作用。

无论是纳秒级激光，还是飞秒级激光诱导金属表面产生的颜色，都具有共同特点，即产生的各种颜色色谱基本涵盖整个可见光谱，同时，颜色受观察角度的不同也会有一定的变化，具体如图3所示。因此，可以推断激光诱导金属表面的颜色原因涉及过渡金属化合物内属颜色，以及表面物质涉及几何和物理光学的结构色。

图3 激光诱导金属表面产生的彩色

3 激光诱导金属着色的成色机理

3.1 纳秒级激光加工成色机理

纳秒级激光脉冲在金属表面的作用过程中起到一个加热热源的作用，金属物质在激光作用下会与空气或液相中的氧发生氧化反应，形成金属氧化物薄膜，这层薄膜显示出颜色。

如图4所示，分析激光诱导不锈钢表面产生的氧化层，这层氧化膜以Fe氧化物、Cr氧化物为主要组成成分。Fe氧化物、Cr氧化物具有一定的本征色，但不能说明激光诱导不锈钢表面涵盖几乎整个可见光谱颜色，同时，这些颜色会随观察角度的变化而变化。

经研究发现，当产生的氧化物薄膜厚度在100 nm以内时，氧化膜具备整体均匀、平整的特性，如图5所示。经过椭偏仪测定，其符合单层薄膜干涉的原理，薄膜的干涉效应是产生不同颜色的主要原因。当氧化物薄膜厚度超过100 nm时，氧化膜符合双层或者多层薄膜的特征，光的干涉效应仍是产生不同颜色的主要原因。

然而，在一些特定的激光加工方式下，在不锈钢表面也能形成有周期性微结构的氧化物薄膜层，这些薄膜层也能产生颜色，这些结构不具备严格的几何或者物理光学特征，但与光的干涉、衍射有很大的关系。

3.2 飞秒级激光加工成色机理

飞秒级激光脉冲在金属表面产生颜色是近年的热点研究问题之一。飞秒激光脉冲能在不锈钢等很多金属表面产生纳米级的周期性结构，如图6所示，这些周期性结构使得金属表面获得彩色。飞秒级激光脉冲在金属表面作用需要用双温模型来描述激光与金属的相互作用过程。当使用激光急剧加热电子亚系统时，在电子亚系统和离子亚系统达到热平衡之前，激光停止作用，电子亚系统与离子亚系统之间存在巨大的温度差，电子亚系统与离子亚系统相互作用使2个相同最终达到热平衡。在飞秒的作用过程中，电吸光过程、电声作用占主导地位。

经研究发现，飞秒激光处理的金属表面元素成分没有明显的氧含量，仍是一些合金化合物。这些周期性结构符合光衍射效应的特征，飞秒激光作用的金属表面的颜色主要由光的衍射产生。但是，控制激光参数，精确产生相应的微结构是一个难题。这些纳米级结构的特性不仅与材料的种类、不同物质的反应有关，还与激光的波长、频率、脉冲能量、入射角和偏振等特性有关。

4 结束语

由一系列的探讨发现，无论是纳秒级激光，还是飞秒级激光在金属表面着色，产生的颜色主要是加工的表面金属化合物的几何和物理光学效应造成的。而由于纳秒级激光或是飞秒级激光与金属的作用过程极为复杂，产生的表面物质成分和结构受到很多因素的影响，对工艺加工环境的要求高，重复性差，使其成为了激光彩色着色技术应用发展的瓶颈所在。随着激光技术的发展，研究激光着色工艺和机理，可以优化得到输入和输出的定量关系，而激光着色技术必将能发挥它的优势，并得到广泛的应用。

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作者简介：刘忠民（1988—），男，硕士，实验员，研究方向为工程光学实验技术应用、激光表面处理。

〔编辑：白洁〕