在鑽石上加工標記的方法
2023-04-28 15:51:41
專利名稱：在鑽石上加工標記的方法
本申請是1990年10月11日提出的申請號為07/595861申請的接續申請。
本發明涉及在鑽石上產生可見的或不可見的(但是可以檢測出的)標誌記號的方法，其目的是為了滿足質量控制、消費者的商標標誌、安全或任何其它的需對寶石進行識別等需要。
本發明還涉及為了若干目的用受激準分子雷射器或其它紫外雷射能源加工高硬度材料組成的物體，特別是鑽石材料的方法。本發明的一個目的是製造由鑽石或其它類似的硬質材料組成的、且具有一個精確的擠壓孔橫截面的壓模嵌入件例如用在噴絲嘴中的壓模嵌入件，供擠壓金屬絲，玻璃纖維或合成纖維用的壓模組件。
本發明的另一個目的是涉及產生一個電路圖形，這個圖形可以是一個刻在鑽石或類似硬質材料上的微電路圖形，而在鑽石或類似硬材料上用化學蝕刻的方法加工微電路圖形是困難的或者在實踐上是不可能的。
本發明包括加工或處理不同類型的物體，即用在寶石生產中的鑽石或其它硬材料，以及由鑽石等製成的壓模嵌入件，後者用在擠壓模具中，與這兩種類型物體有關的技術工藝和雷射工藝將分開討論。
對例如寶石和類似的消費奢侈品，往往需提供鑑別標記，以便根據這個記號來鑑別出這個商品的產地。這對於質量和價值僅由專門的熟練工人確定的產品來說是特別重要的，這樣的鑑定標記必須能永久地保持在商品上。另一方面這個標誌決不能有損商品的價值。
對於例如鑽石這樣的貴重寶石，長久以來就需要有一種能夠唯一確定寶石的可靠的鑑別方法。這種方法將有助於尋找或恢復丟失的或被盜竊的寶石的各個特殊部分。此外，對於短期貸出的寶石，與通常情況一樣，根據在該寶石上的永久性標記來確保還回的寶石就是原來貸出的那個寶石。
此外，這樣的檢測手段或標記可以用作指示定石質量以及刻面、切割和拋光工藝的等級。實際上，在寶石上的一個永久標記或可檢測的標記在很多通常的場合可以作為一個純度的表示或商標，即做為產地的標誌。這樣的標記可以用於消除通常的誤解對任何給定的重量、顏色、或透明度的鑽石實際上是可互換的。事實上，寶石的質量明顯地可以受加工寶石工人的細心程度和技藝，如在選擇、鋸、研磨、切割和拋光工藝過程中的細心與技藝的影響。
現已創造出一些在鑽石上作標記的工藝，例如在美國專利4467172和4392476中公開的方法。這兩份專利的完整說明書作為本申請的參考文件。在其中的每一個專利中，都公開了使雷射能量在待加工標記的鑽石上或其中形成聚焦斑點的雷射器，其中利用這樣的能量的聚焦斑點所產生的一系列斑點或一些斑點圖形來構成所需的標記。
上述的雷射加工標記系統採用工作在1.06μm波長的單獨或同倍頻器相結合使用的YAG或NdYAG雷射器，於是所公開的入射到鑽石上的雷射輻射波長為1.06μm或0.532μm。正如美國專利4467172中所述的那樣，0.532μm波長的雷射除了作用於鑽石的表面上外，還能穿過鑽石表面並因加熱而使在鑽石表面下面的部分材料變成蒸汽。這種能量穿透是不希望有的，它會由於對寶石內部晶體結構的加熱而帶來寶石破碎的嚴重危險。為了防止對用這種方法加工標記的鑽石造成損壞，在已有技術系統中要包括能精確控制輸出的雷射能量大小的裝置。
此外，由於鑽石對上述的波長基本上是透明的即能透射過的，所以這些先前鑽石加工標記工藝通常包括有能量吸收塗層，這些塗層例如可以是塗到待加工標記表面的碳黑，這樣又使加工程序進一步複雜化。
而且，因為標記是通過眾多的重疊斑點形成的，所以為了使鑽石相對於下一個到來的雷射能量的聚焦斑點精確的定位，在上述先有技術中需要提供複雜而昂貴的計算機控制的X-Y移動臺，為了形成單一標記而需要產生大量斑點，這又使先前加工標記工藝的操作相當地緩慢。
當在貴重和半貴重的寶石、珍珠和其它貴重奢侈品等商品上加工標記時，人們認為儘管可採用上述的先前工藝方法在鑽石上加工標記並取得一些成功，但是NdYAG雷射器聚焦斑點的能量強度被認為會在寶石、珍珠或其它被加工標記的材料上引起微裂紋。
在名稱為「用於在柔性焦距透鏡組上加工標記的方法」的美國4912298號專利中公開了一個在玻璃柔性焦距透鏡組中加工標記或商標的方法，這篇專利的整個說明書作為本申請的參考文件。
用雷射加工用在擠壓模具組件中的壓模嵌入件中的擠壓孔也是公知的。利用雷射加工擠壓孔已在美國專利4703672和4534934中所公開。
本發明的目的是提供一種在鑽石上加工鑑別標記的改進方法，本發明更具體的目的是提供一種不需昂貴的計算機控制的X-Y移動臺就能相當迅速地在鑽石上加工標記的方法。
本發明的進一步目的是提供一種在鑽石上加工標記的方法，它能明顯地減少損壞寶石的危險。
本發明的另一個目的是把光刻技術利用到鑽石標記加工工藝上，以便獲得灰度梯度變化的標記，而不同於只是黑與白的標記。
本發明的另一個目的是提供一種帶有「優質」標記的鑽石，該鑽石的產地、加工質量可以根據檢驗很容易地確定。
本發明的另一個目的是在鑽石上提供線反差比目前傳統工藝可能得到的優良得多的鑑別標記。
本發明的目的還在於提供用於保密目的而在鑽石上加工可見的或非可見標誌的比較完善的裝置。
另一個目的是提供一種在珍珠或貴重或半貴重寶石上加工標記地方法，這種方法能顯著降低對這些被加工物品的損壞危險。
更進一步，本發明的目的是提供一種生產擠壓孔帶有複雜橫截面的壓模嵌入件的方法。
還有一個目的是提供一種生產壓模嵌入件的方法，該方法能省去或顯著地減少例如修整、拋光、去毛刺等處理擠壓通道的繁鎖操作。
本發明的一個方法包括用一個工作於紫外光譜區的脈衝雷射能源在鑽石上加工標記。比較可取的能源是一個受激準分子雷射器。
受激準分子雷射器是脈衝氣體放電式雷射器。在這些雷射器中，使一種氣體混合物(例如氬和氟的混合物)充電，由於足夠地充電而產生脈衝雷射能量的強發射，受激準分子雷射器通常用來產生一個脈衝或多個脈衝，其波長範圍從約193nm(即0.193μm)到約351nm，取決於所產生的具體的惰性氣體-滷化物激發物。
氬氟激發物產生的波長為193nm雷射能量，對純鑽石的穿透深度是很小的。雖然鑽石在一個寬的波譜範圍內的能量透射率很高，但是純鑽石對193nm左右波長的雷射具有特別低的透射率，低反射率和高的吸水率，這個波長靠近晶體的截止頻率。由於這個原因，受激準分子雷射的能量被一特別薄的表面層吸收，該表面層的溫度迅速升到很高，藉助於每個脈衝使從幾個埃到幾個微米厚的薄層材料以這種方式從表面汽化，或者藉助受激準分子雷射的每個脈衝使這個薄層材料部分石墨化。材料的汽化避免了鑽石由於供鑽石中的碳升華的高能引起的寶石過熱。
本專業人員都認為鑽石很少是「純淨」的晶體而幾乎每個寶石晶體都存在有以氮原子取代晶體結構形式的雜質。對於一給定的鑽石，其截止頻率隨著氮雜質的含量的增加而增加，增加幅度可以高到300nm。因此，雖然較可取的實施例是通過採用ArF受激準分子雷射器來說明的，但是其它的雷射器也適合利用，這些雷射器可以提供波長從200nm到約300nm的雷射能量。這些雷射器包括波長在紫外範圍的氪氟受激準分子雷射器(248nm)氙氯受激準分子雷射器(308nm)和氙氟受激準分子雷射器(351nm)，對於一個給定的寶石來說最有效的雷射波長最終取決於那種鑽石的純度。
不難理解，在這裡的「約193nm」是意味著足以包括任何給定寶石的截止頻率的一個範圍即從約190nm到約350nm。
在對珍珠貴重或半貴重寶石加工標記的方法中，本專業人員不難理解有關截止頻率的上述討論是不能直接使用的。
通過一個檔板照射鑽石是具有顯著優越性的，該檔板包括一個商標形狀或標記形狀的作為一個挖空區域或者其它可使光高度透射過的區域。這些擋板可以安裝在鑽石的上面或前方。擋板和鑽石表面的間隔不是關鍵因素，這是因為受激準分子雷射器產生的是平行輻射。但是如果利用衰減光源時，則擋板的位量是重要的。擋板也可以根據在所希望波長的雷射能量處各區域具有不同的透射率的要求來組裝，以便得到按照所產生的灰度標準，各區域具有不同反差的標記。
本發明的另一個優點在於能夠改進或改變在雷射脈衝之間或脈衝群之間的擋板圖形，以便賦予被照射材料上的一系列圖樣以活力。在照射鑽石的情況下，由於雷射能量藉助每個脈衝或脈衝群使某一厚度材料汽化，而得到一個具有橫截面軸向變化的孔的擠壓模具。
例如已經加工出穿過鑽石截面的角錐式孔，除了能加工數目不限的不同形狀的孔以外，還能輕易地加工出螺旋形孔。採用適合的光學元件，還可以在鑽石晶體上加工出其它的高度複雜的三錐形狀的孔。
通過光學裝置使擋板在鑽石表面或象具有很多優點，這些光學裝置能使紫外輻射通過藍寶石，熔凝石英或熔凝矽石。如果所形成的象是顯著縮小的，則可以在鑽石表面上獲得高能密度，因此需要減少雷射器的輸出雷射脈衝數目或輸出功率。
本發明的另一個實施例的方法，包括利用受激準分子雷射將各種可檢測的物質注入到鑽石的表面。而將對一個鑽石加工肉眼不可見的標記，即主要是為了保密的目的，顯然後來為了識別驗證的目的要尋找出這個標誌是困難的。受激準分子雷射能量可以「強迫」或把某些材料(例如在紫外範圍內螢光的螢光染料和其它無機化合物)注入到鑽石晶體結構表面中。在事先塗有這樣染料或材料的鑽石上產生的標記在適宜的光照射下將產生螢光，這樣使得尋找出通常肉眼不可見的標記變得容易。
此外，也可以把例如導電或導磁的其它可檢測的物質用這種方法沉積到鑽石上或鑽石裡面，以供以後檢測。
下面參考附圖來進一步描述本發明
圖1為一個用受激準分子雷射在鑽石上加工標記裝置的局部示意圖;
圖2為一個朝向鑑別標記的鑽石的平面圖;
圖3為一個朝向鑑別標記的鑽石的側視圖;
圖4為用於在由硬質材料製成的壓模嵌入件中加工出一個複雜橫截面形狀擠壓孔的裝置的局部示意圖;
圖5a-5c為表明出擠壓孔各個複雜橫截面的硬質材料的壓模嵌入件的平面圖;
圖6a-6c為用於生產圖5a-5c中所示的擠壓孔的擋板的平面圖。
這裡將對本發明的方法中用於在鑽石和其它硬質材料上加工標誌的方法，以及隨後用於在壓模嵌入件中形成擠壓孔的方法分別進行描述。
圖1示出了一個在鑽石15上加工標記的裝置10。在本發明的方法中使用一個通用的氬氟受激準分子雷射器11產生脈衝雷射能量，這樣的受激準分子雷射器可以從一些廠商購買到。Lambda Physik Inc就是其中的一個提供者，該公司是在麻薩諸塞州的Acton有辦事處的西德公司，銷售型號為「LPX100」和「LPX200」系列的雷射器。另一個這樣的雷射器提供者是麻薩諸塞州Questek的Inc.of.Billerica，該公司銷售「2000」系列的受激準分子雷射器。
氬氟受激準分子雷射器11產生一個波長為193nm的具有平頂束分布(在水平截面上)的雷射輸出口。當這種雷射器裝有適合的通用公知的諧振腔光學裝置時，雷射輸出光束將沿著平行的束徑傳輸。輸出光束12直射通過擋板23，以便產生一個具有一定形狀的光束而形成一個特殊的標記，這同普通的矩形截面的受激準分子雷射束的情況相反。一部分雷射輻射被擋板23擋住，而只有在相應於要求有標記的那些區域才是允許通過擋板的雷射輻射區域。
在光束通過擋板23後(比較詳細的情況將在後面描述)射向縮小光學組件24，它可以是適合於用193nm波長雷射能量的按10∶1縮小的透鏡例如由熔凝矽石或藍寶石製成的透鏡。任何具有所要求的其它縮小倍數數值的例如30∶1的曲面透鏡都可以採用。
縮小透鏡24用作把光束聚焦成一個足夠小的尺寸，以便使在鑽石的邊緣或與鑲嵌底板接觸的邊緣17處產生的標記不明顯地損害寶石的價值。按照本發明所產生的標記最好是小到肉眼基本上看不見的程度。聚焦的光束衝擊在鑽石15的表面上而按所要求標記的形狀移去少量材料。低波長的雷射輸出能量可以使非常高的線解析度的標記按所描述的方法形成。當然，解析度是細到甚至可以使標記在寶石的碎片上形成的程度。在實際的產品上，已實現了1μm左右的解析度的表面細節。
因為鑽石對193nm波長的雷射輻射基本上是不透明的。所以雷射能量只被吸收在寶石的外表面區域。由於能量被迅速吸收使得只用一個或相當少量的(如幾個或幾個)能量脈衝就可以產生一個完整的象。需要輸出的受激準分子雷射束的輸出能量(即能流)的範圍可以從幾個到幾十個或更多毫焦爾/平方釐米，對於特定用途所必需用的精確能量取決於要產生的標記的尺寸，光束的光學縮小倍數和要產生標記的要求的深度(即汽化材料的數量)。
對於鑽石所需的「損壞閾值」能量為在寶石的平面上的每平方釐米6-16焦爾的範圍。對於任一給定的鑽石，在這個範圍內的具體的損壞閾值主要取決於寶石中的氮含量，並同氮含量成反比關係變化。
在整個加工標記工藝過程中，鑽石可以保持在一個唯一的固定位置，因此在本發明的實施例中不需要複雜而昂貴的計算機控制的X-Y移動平臺或者任何其它的昂貴的或複雜的定位裝置，例如在美國專利4392476或4467172中所描述的那些裝置。這些先有技術中的系統必須用單個脈衝對待標記的表面進行掃描，每個脈衝在任一給定時刻只產生象中的一個微小部分。
如已指出的那樣，少量的材料可以通過汽化從鑽石表面上移去。此外留下部分的鑽石材料也可以被加熱到產生石墨化的程度，即經歷一個從元素碳的一種結構(即金剛石)轉變為另一種結構(即石墨)。眾所周知，在足夠高的溫度即約900℃下金剛石將轉變或石墨，全部金剛石晶格將瓦解。然而，在這種瓦解發生之前，可能會出現材料轉變或部分轉變成石墨。而同時保持金剛石晶格特定結構強度和耐久性。
據認為金剛石的內部晶體結構或表面可能經歷這樣的轉變，正如業已發現的那樣，「變暗」即「石墨化」的區域不能用通常的酸洗方法除掉，這樣的酸洗方法能除掉在正常情況下的金剛石上的石墨。這樣就徹底形成了一個永久的標記。事實上，按照本發明的原理，鑽石是作為一種光敏材料被加工的。
對於表面損傷與束能量密度的曲線，據認為這個曲線對於金剛石在理論上是一個階躍函數，在某一下限閾值之下沒有損傷發生，而在某一上限閾值之上損傷不會進一步嚴重，而與供給的能量無關。在實際上，業已觀察到有一個很窄的轉變區域，在這個區域上表面的損傷(即石墨化)可以通過仔細精確地調整受激準分子雷射器能量輸出來選擇控制。通過這樣控制雷射器，可以產生具有不同暗度即「灰度」的標記。
另一個優點是193μm附近波長的雷射能量不能穿透金剛石晶體結構中，這樣就防止晶體出現內部加熱，這種加熱是先前採用雷射能量在鑽石上加工標記的方案引起鑽石產生裂紋的重要原因。
至少有一種先有技術方法，在進行雷射加工標記之前，需要在鑽石表面施加一個吸收能量材料(例如石墨)塗層的步驟。這種先有技術的成功至少部分取決於金剛石表面上的吸收能量塗層的均勻性和緻密度，而在本發明中這種依賴性完全被擺脫。實際上塗一個吸收能量塗層可以僅僅是為了引發在寶石表面上的汽化，一旦汽化開始，材料的移去就會繼續進行，該塗層不再參與作用。
按照本發明的上述實施例，在鑽石表面上加工出永久的標記。用1至10個ArF受激準分子雷射脈衝可以加工出以英文字母、日本假名以及各種幾何和非幾何圖形，其尺寸的寬和高分別為幾百個μm數量級。
本發明者進一步發現，上述這種工藝適合應用於其它的精密的和半精密寶石等物品上，而與這些材料的物理性質無關，特別是可以在綠寶石、紅寶石、藍寶石乃至珍珠上加工標記而不會損傷這些材料，或者降低這些材料作為寶石的價值。
象紅寶石和綠寶石這樣的材料至少在一點上是與鑽石有重要區別的。在用NdYAG或CO2雷射進行局部劇烈加熱時，這個熱量不能迅速地從加熱部分傳導到材料的其它部分，其結果是在寶石的標記上或附近處引起微裂紋。這些微裂紋可能嚴重到對寶石來說不能允許的程度。
當把按照本發明的受激準分子雷射加工標記工藝用在紅寶石、藍寶石乃至珍珠等類似的物品上時，會令人驚奇地發現微裂紋基本上減少或沒有出現。同在鑽石上加工標記的情況下一樣，材料被移掉，但對在這些其它材料中沒有發現變暗的現象。某些碎片還留下來，而使標記用視覺發現比在鑽石上更加困難。不過還是為在帶顏色寶石及珍珠等物上加工鑑別標記提供了一個很有用的方法。
應該指出，下述的詳細說明通常是切實可用的。
圖2示出了按照本發明用於在鑽石上形成具體象的擋板33。檔板可由具有能夠足以耐得住受激準分子雷射能量的照射，而其本身不產生汽化的材料製成。檔板33包括在所需要標記的圖樣中的挖空區域32。
在另一個實施例中，擋板是由一個熔凝石英板，熔凝矽石板或藍寶石板製成，在該板上塗上一層適宜的不透明的和耐熱的材料，例如一種光敏或刻蝕鉻塗層。擋板可以按有一個不塗不透明材料的區域，或者僅僅是彌散式地塗一下的要求製成。通過控制在擋板上選擇的區域上的塗層密實度，就可產生一個各區域透射率不同的標記。利用這樣的擋板可以有效地產生具有不同對比度(即如上所釋的不同灰度)的預先確定的區域。
圖3示出了一個在邊緣處42的一個特定圓形區43處已經加工標記的鑽石40。邊緣42通常包括為數眾多的小平面(例如在邊緣42中的放大圖50所示的小平面44)。這些小平面中的任何一個都適於精心安排標記。不難理解本發明的方法同樣適合拋光的和非拋光的(即粗加工的)鑽石表面等。雖然標記可以在鑽石的任何位置上加工出，但是從美學上看最好是只在寶石的不重要的表面上加工這些標記。利用本發明的方法甚至於可以有助於把一個標記安排在寶石40的底面48上。
如圖3所示，雷射加工出的標記包括一個字母「H」46和一鑽石的一個小記號47。如上所述，就是在同時間用同樣的受激準分子雷射脈衝加工時，這些標記的深度和/或反差可以相同，也可以不同。
在本發明的另一個實施例中，除了使用相同的裝置和重複上述的工藝步驟外，還首先用具有特殊性質(例如螢光或光敏性)的物質在待加工標記的位置塗一層塗層。當把一個標記，特別是一個小到肉眼看不到的標記加工到鑽石上時，則以後要在最初的位置找到這個標記通常是困難的。這樣會降低上述標記作為一種輔助的保密手段而必須相當迅速地對鑽石進行鑑別時的價值。利用一個適合的光照條件(紫外光)，可以很容易尋找到螢光標記並進行驗證，這樣螢光標記就成為標記鑽石方法的一個可取優點。
當受激準分子雷射能量射到寶石的被塗過的表面上時，塗層中的可觀數目的分子仍然留在標記的區域中，並粘結到鑽石的表面上或滲入到鑽石的表面以下，並不發生汽化。目前尚不清楚這個作用的機理。不過，當象硫化鋅或二乙基鋅同氣態硫化物組合使用即沉積為按照本發明所產生標記上的塗層時，這些材料只能在光照的條件下(用紫外光)才能被發現。這樣使得該標記只能在預先選定的非常窄的頻帶內螢光，因而還可以防止未經許可的檢驗。
此外這個沉積層和使金屬或易揮發的金屬化合物(例如砷化氫、磷化氫、鐵或羰基鐵、鎳或羰基鎳)同鑽石的碳在鑽石的表面結合而成的合金或者二者之一可以形成在磁學上可檢驗的標記，也就是說，雷射引發了金屬和/或金屬碳化物在標記區域擴散或分解，其它物質的這種沉積層(例如碳化鈦或碳化鉬沉積層)可以產生可通過電學手段檢測的標記。與此類似，乙硼烷或任何其它的氣態或固態化合物的成分可以使很多物質形成電子結，從而引起在電學性能的變化，即類似於在矽中摻雜而形成npn或pnp半導體。
這樣可引起一系列光學，磁學或電學性質的變化。
在某些情況下，按照本發明的這個另外的實施例產生一系列有精確間隔圓環標記是有利的，其上面的一個可用電子學檢測的唯一的「籤名」可以被確定用於鑑別寶石。例如，可以使該寶石以預先確定的速度旋轉，利用一個固定的計數器或類似的裝置藉助於電子學檢測出這個磁標記。計數器的輸出將提供一鑑別信號圖形，這個圖形可以作為秘密為該金剛石持有者保存。即使採用現存的足夠精確的測量系統，對於一個冒充者竊賊來說，在一個有差別的寶石上偽造正確的標誌圖形也是特別困難的。
這樣的改進標記鑽石的方法是全新的，對於這些標記的使用範圍也不限於在這個簡短說明書中所包括的範圍，它只是作為一個說明。
通過薄膜化學氣相沉積(CVD)技術可以「形成」金剛石是公知的，在某些情況下，為了增加保密性能，把鑑別標記夾在天然寶石和金剛石的表面CVD層之間是有利的。
不難理解，上述的描述是本發明可取實施例的說明，而在不違背本發明的權利要求所限定的內容的情況下，還可以作出各種變化或改型。例如在圖1中的擋板23是在雷射器11和縮小透鏡24間，然而，雖然圖1中所示的位置比較可取，擋板23也可以放在透鏡24和待作標記的鑽石15之間。如果不用縮小透鏡24時，擋板23的位置範圍可以從正好在雷射器11的輸出端到鄰近寶石15處，這樣對完成操作沒有任何顯著的影響。
此外，在擋板之前用一個光束均化器也可以獲得另一個重要的改進。這也是本專業人員所熟知的。
如上所述，按照本發明，對某些鑽石，利用KrF、XeCl或XeF雷射器加工標記可能更有利。此外，任何能夠在適宜的波長發射出足夠能量的雷射源都可滿足需要。
如上面指出的那樣，受激準分子雷射器也可以用於在金剛石板上擠壓模具生產中加工特別精細的複雜圖樣，例如用在擠壓金屬絲，玻璃纖維或合成纖維上的模具。使受激準分子雷射器重複發射雷射，再將光束縮小，藉助於在擋板上形成的組合孔可以完善地在將薄金剛石板上「鑽孔」。
這可以製造出質量尚未受到欣賞的新的纖維。例如可以生產具有特別高的起毛纖維，然後編織成用作過濾器、墊託物或絕熱體等方面的材料。本發明一個特別有利的用途是生產纖維，例如擠壓的玻璃纖維，其橫截面具有很高的重量比強度。例如可以生產出高解析度Ⅰ型束橫截面纖維。當該纖維被用吹鑄或用其它方式加工成固體形狀時，這些纖維將具有特別高的長度比強度和重量比強度特性。幾乎可以把被擠壓的材料加工成任意形狀的橫截面，其表面特徵的解析度特別高。
此外，可以在金剛石強度最大方向上對模具「鑽孔」。強度特別高的和耐用的模具就可以這樣按照本發明的基本方案來獲得。
當然壓模嵌入件可以用與金剛石不同的硬質材料製成，即例如用上述的紅寶石等材料製成。
用於加工壓模嵌入件的裝置示在圖4中，所示的這個裝置大體上類似於圖1中用於加工保密標記的裝置。在圖4中類似的元件和圖1中的數字相同，但帶有一個「′」。在圖4中的裝置10中，包括一個受激準分子雷射器11′，它可以是和圖1中所示的受激準分子雷射器11相同，它的輸出12′在射過具有一個相應於壓模嵌入件的擠壓孔的橫截面的擋板23′。只有相應於擠壓孔形狀的一部分輻射才能通過擋板。
雷射束通過擋板後，射向縮小光學器件24′，該縮小光學器件24′可以是一個保證獲得一預定尺寸擠壓孔的適合的縮小透鏡。縮小透鏡24′使光束聚焦在可以類似於作為參考文件的美國專利3114966中所示的壓模嵌入件(5)的壓模嵌入件51上，壓模嵌入件51被固定在一個適宜的固定裝置52上。
利用數目適當的能量脈衝在壓模嵌入件51上加工出擠壓孔，這個能量脈衝數目取決於選擇的受激準分子雷射器的輸出能量和壓模嵌入件本身的厚度。
圖5a-5e示出了幾個利用本發明的裝置所可能加工的一些擠壓孔的二維橫截面的例子，圖6a-6c示出了為獲得在圖5a-5c中示出形狀的擠壓孔而用在圖4中示出的設備上的擋板。圖6a-6c的挖空區域相應於在圖5a-5c中示出壓模嵌入件的擠壓孔橫截面。
雖然列舉的是上述例子，但是擠壓孔的形狀不一定需要具有單一的幾何形狀，即有規則的圓形。任何可以在擋板上加工出的不規則形狀都可以用於形成相應的平面擠壓孔。
此外，按照本發明可以加工出複雜的三維擠壓孔。通過用至少在一個方向上逐漸變小的連續挖空區域或作擋光區域加工出的一組將要定位在雷射能源和工件之間的檔板，可以生產出一個橫截面沿擠壓方向改變的孔。儘管由各種材料的實際擠壓所可能獲得的結果只受到加工一系列或一批標記的個人的創造力的限制，發明者期望利用在此描述的方法按這種方式製成任何數目不限的擠壓壓模。
權利要求
1.一種在鑽石上加工標記的方法，該方法包括在一個波長位於紫外範圍的雷射能源的輸出和待標記的鑽石的表面部分之間固定一個擋板；使該雷射能源通過擋板直接照射鑽石的表面部分，以使該雷射輻射本身產生一個由擋板所限定的圖形的標記。
2.如權利要求1的方法，其特徵在於該雷射能源以一個波長約193nm的至少一個能量脈衝照射該鑽石。
3.如權利要求1的方法，其特徵在於該照射步驟包括使雷射輻射通過擋板上的挖空區域。
4.如權利要求1的方法，其特徵在於該輻射步驟包括使雷射輻射通過在擋板上具有不同透射率的區域。
5.如權利要求1的方法，其特徵在於該擋板和鑽石表面相隔開放置。
6.如權利要求1的方法，其特徵在於擋板是直接置在或靠在鑽石的表面上。
7.如權利要求1的方法，該標記經把標記圖樣縮小的光學組件以縮小的尺寸成象在鑽石的表面。
8.如權利要求3的方法，進一步包括下列步驟把一個第二擋板固定在雷射能源的輸出端和待加工標記鑽石表面的第二部分之間，該第二部分是待加工標記鑽石表面的第一部分的子集;使雷射能源經第二擋板後直接照射鑽石表面的第二部分，以便使雷射輻射本身產生一個由第二擋板所限定圖形的第二標記。
9.如權利要求4的方法，該擋板是由一組基本上可透射受激準分子雷射波長輻射的材料中的一個製成的，這組材料包括熔凝石英，熔凝矽石和熔凝藍寶石。
10.如權利要求1的方法，其特徵在於雷射源的能量可以調節，以便只從鑽石表面移去一個薄層。
11.如權利要求10的方法，其特徵在於從該表面移去的薄層厚度範圍約從幾個埃到幾個μm之間。
12.如權利要求1的方法，其特徵在於，在加工整個標記的過程中保持鑽石在一個唯一的固定位置。
13.如權利要求1的方法，包括在照射鑽石之前，把一種塗層材料塗到待加工標記的表面上，這種材料只能在預先規定的光照條件下才能檢測出來。
14.如權利要求13的方法，其特徵在於，該材料是螢光材料。
15.如權利要求13的方法，其特徵在於，該材料是光敏材料。
16.如權利要求1的方法，包括在照射鑽石之前，把一種塗層材料塗到待標記的表面上，該材料可以用光學、電學、磁學檢測出來。
17.如權利要求16的方法，其特徵在於該材料是碳化鉬、碳化鎳、碳化鈦或碳化鐵。
18.如權利要求16的方法，還包括至少對鑽石的第二部分進行類似的直接照射，以便形成至少一個第二標記。
19.如權利要求1的方法，其特徵在於，可以調節雷射源的能量，以便使鑽石部分地從元素碳的一種形式轉變到元素碳的另一種形式。
20.如權利要求1的方法，其特徵在於，可以調節雷射源的能量，以便使鑽石在被標記的部分發生部分石墨化。
21.如權利要求21的方法，其特徵在於使產生的標記暗度隨著雷射輻射引起的石墨化的程度改變。
22.一種製造用在擠壓模中的壓模嵌入件的方法該壓模嵌入件有一個擠壓通孔，包括提供一個有一個輸出端的紫外雷射能源;把一個有一個挖去部分與模具擠壓孔橫截面相對應的擋板固定在該紫外雷射能源的輸出端和壓模嵌入件之間;使來自雷射能源輸出端的光束透過該擋板照射到該壓模嵌入件上，以便在其中加工出擠壓孔。
23.如權利要求22的方法，還包括把一縮小透鏡裝在該擋板和壓模嵌入件之間。
24.如權利要求22的方法，還包括把一個具有對應模具擠壓孔的第二橫截面的不同挖空區域的第二擋板固定在該紫外雷射能源的輸出端和壓模嵌入件之間;使輸出端的雷射束經過第二擋板照射到該壓模嵌入件上，以便在其中加工擠壓孔，其特徵在於該模具擠壓孔的橫截面在要擠壓出材料的方向上是變化的。
25.一種加工由鑽石製成的物體的方法，包括提供一具有輸出端的紫外雷射器;把一個具有對應在物體上面要獲得的圖樣的挖空區域的擋板固定在該雷射器輸出端和物體之間;把一個縮小透鏡放在該擋板和物體之間;使雷射器有光束經過該擋板後再經過該縮小透鏡照射到物體上，以便在該物體上面產生預定圖樣。
26.一個用於擠壓纖維、金屬絲、燈絲等具有複雜橫截面的模具，包括一個由鑽石製成的壓模嵌入件，該嵌入件具有一個相應於纖維、金屬絲、燈絲等橫截面形狀的橫截面的擠壓孔，壓模嵌入件是用紫外雷射束經過一個具有一相應於擠壓孔橫截面形狀的挖空區域的擋板照射到該壓模嵌入件上製成的。該擋板固定在受激準分子雷射器和該壓模嵌入組之間。
27.一種在珍珠、貴重或半貴重寶石上加工標記的方法，該方法包括把一擋板固定在一個波長在紫外範圍的雷射能源的輸出端和待加工標記的珍珠、貴重的或半貴重寶石的一部分表面之間。使雷射能源經過擋板直接照射珍珠、貴重的或半貴重寶石的表面上，以便使雷射輻射本身形成一個由擋板所限定的圖樣的標記，而同時不會在珍珠，精密或半精密寶石上引起微裂紋。
全文摘要
一種在鑽石、珍珠、貴重或半貴重寶石上加工標記的方法。為了加工標記，用ArF受激準分子雷射照射到待加工的表面的區域上，雷射的光束經過限定標記的擋板可以加工出鑑別用的或保密的標記，同樣的工藝可以用於加工高強度和耐用的具有不規則橫截面的擠壓模具，且橫截面可以隨著深入到壓模材料的深度而變化。
文檔編號B23K26/00GK1061929SQ9111084
公開日1992年6月17日 申請日期1991年10月11日 優先權日1990年10月11日
發明者羅納德·H·溫斯頓, 奈西普·阿來伍 申請人:哈裡·溫斯頓公司