Procedimiento de marcación interna por láser en materiales transparentes.

Procedimiento de marcación interna por láser en materiales transparentes,

por ejemplo para la marcación de unidentificador (5) en un objeto hecho de material transparente (6), caracterizado por el hecho de que se utiliza undispositivo que incluye una fuente láser femtosegundo bombeada por diodos (1) que es un amplificador regeneradorfemtosegundo y no utiliza amplificación con deriva de frecuencia; una cabeza galvanométrica (2); una óptica defocalización (3) y un sistema de control (8) para la marcación no agresiva con un alto contraste para generar pulsosláser (13) sucesivamente focalizados sobre diferentes puntos (23) de la marcación (5) que se va a realizar para crearmarcaciones transparentes a gran velocidad, es decir, por encima de 0,1 mm2 por segundo mediante la modificaciónlocal del índice de refracción del material transparente (6), de tal manera que las modulaciones de índices creadas porel efecto de la autofocalización del haz sean de amplitud variable según la dirección longitudinal, es decir según ladirección de propagación de los pulsos láser, creando una estructura difractiva de tal manera que el relleno delidentificador (5) sea una estructura difractiva que no sea una red de Bragg.

Procedimiento de marcación interna por láser en materiales transparentes [0001] La invención se refiere a un procedimiento industrial de marcación interna por láser en materiales transparentes.

La marcación láser es un método clave necesario para la identificación, la rastreabilidad y la lucha contra la falsificación de productos.

Para materiales transparentes, las tecnologías láser actuales (YAG ns - Granate de Itrio Aluminio) no responden a las exigencias industriales. Recientemente, una tecnología láser de laboratorio, llamada Ti:Sa basada en cristales de zafiro dopados con iones de titanio, mostró resultados prometedores para grabar materiales con pulsos femtosegundos, es decir pulsos del orden de 10-15 segundos, para la creación de guías de ondas, pero tiene problemas importantes para su industrialización debido a la velocidad de producción, la fiabilidad, el precio, etc., así como al período de vida de las marcaciones.

Desde los años 90, los láseres YAG se han ido utilizando cada vez más en la industria para reemplazar las etiquetas y la impresión de tinta en materiales opacos tales como metales y plásticos. Estos láseres se pueden utilizar de forma continua (CW) o de forma desencadenada (Q-Switch) para crear pulsos largos de alta frecuencia. Utilizan fenómenos térmicos para retirar materia mediante el grabado de la superficie o para cambiar el color de la superficie del material, la llamada marcación "termodirecta".

Las longitudes de onda de los láseres industriales YAG son desgraciadamente visibles o casi infrarrojas y no pueden interactuar eficazmente con los materiales transparentes para obtener fenómenos térmicos de la misma manera que sobre los materiales opacos. Por lo tanto no están adaptados para piezas transparentes.

Para grabar materiales transparentes se utilizan láseres CO2 porque su longitud de onda de 10, 61m permite la absorción de la energía sobre la superficie del vidrio.

Estos láseres tienen sin embargo los siguientes problemas importantes:

• la ablación de la materia de la superficie del material fragiliza el producto, lo que hace que no se puedan emplear en amplio abanico de aplicaciones;

• los códigos grabados, debido a que están sobre la superficie, se pueden alterar mediante otros tratamientos durante la producción o el transporte, o borrar deliberadamente para evitar el control o la protección antifraude; y,

• la resolución es muy baja debido a la elevada longitud de onda y a los daños térmicos, lo que hace que los códigos deban ser largos, no permitiendo de este modo códigos invisibles para aplicaciones antifraude.

A finales de los años 90, el desarrollo de los láseres YAG de pulsos cortos alrededor de 10ns permite crear microfisuras dentro de los materiales, focalizando la energía concentrada en un solo punto. Esta densidad importante de energía en un tiempo muy corto sobrepasa el umbral de daños de los materiales y lleva a la creación de microfisuras de 50 a 1001m de diámetro dentro del vidrio. Esta tecnología permite por lo tanto grabar formas 3D en vidrio o PMMA, basadas en un conjunto de microfisuras.

Sin embargo, estos grabados resultantes muestran las siguientes limitaciones importantes para muchas aplicaciones industriales tales como la decoración de vidrio, los grabados antifraude o la marcación normativa:

• el tratamiento no es posible para materiales muy finos o sometidos a tensiones internas o externas puesto que la duración del pulso es lo bastante larga como para producir efectos térmicos y fisuras que pueden por su parte debilitar el material, algo totalmente prohibido en la industria química y farmacéutica (vidrio de clase 1) y que se debe evitar para otros continentes de vidrio, tales como frascos de perfume o botellas de vino, por ejemplo, que deben resistir fuertes tensiones de transporte, tales como variaciones de temperatura, vibraciones y choques, que llevarían a un aumento crítico de las microfisuras y probablemente a la rotura de la botella;

• el tamaño de los grabados es bastante grande, lo que tiene como inconveniente que los códigos de barras deben ser bastante anchos, incluso algunos milímetros cuadrados, para contener informaciones legibles;

• los contrastes de los grabados resultantes exigen, para aplicaciones antifraude y normativas, la implementación de sistemas de visualización sofisticados y una iluminación especial para leer las firmas grabadas, visto su contraste resultante limitado de menos del 30%;

• el grabado de formas complejas exige algunos miles de "micropuntos" por cm3, llevando a duraciones de tratamiento de varias decenas de segundos, los láseres YAG pulsados tienen una frecuencia de pulso de entre 500 y 2000 hercios, lo que se traduce en el hecho de que la productividad de la decoración interna con estos láseres YAG es aún baja para la industria de la decoración del vidrio; y,

• para la decoración y las aplicaciones de marcación antifraude o normativa, la calidad del grabado se ve alterada por la fluctuación de la calidad del vidrio tratado, lo que tiene como consecuencia que las interacciones láser/vidrio con tales defectos puedan llevar a marcaciones de mala calidad e ilegibles.

La siguiente tabla proporciona un resumen de las tecnologías láseres actuales.

Tecnología láser Tipo de procedimiento Limitaciones

CO2 cw o QCW Grabado de superficie Fragiliza el material, muy baja resolución, puede alterarse o borrarse

YAG cw o QCW Grabado de superficie No es apropiado para materiales transparentes

YAG pulsado (ns) Grabado interno Fragiliza el material, muy baja resolución, no lo suficientemente rápido, demasiado dependiente de la calidad del material, necesidad de un sistema de visualización muy costoso

Hasta principios de los años 90, los láseres ultrarrápidos, también llamados femtosegundos, con una duración de pulso inferior a un picosegundo, es decir 10-12 segundos, eran láseres de laboratorio sofisticados y frágiles que necesitaban científicos altamente cualificados para su funcionamiento.

Una primera generación de láseres comerciales ultrarrápidos, utilizando el zafiro dopado con titanio (Ti: Sapphire) como material activo, se presentó al principios de los años 90, permitiendo a otros investigadores de diferentes campos tales como la biología, la química o la espectroscopia, sacar provecho de la muy corta duración del pulso. Éstos pudieron obtener resultados innovadores, de una calidad científica elevada. Por ejemplo, el premio Nobel de química de 1999 fue concedido al Prof. Ahmed Zewail, de la universidad de Stanford, por su trabajo sobre la "femtoquímica", menos de 10 años después de que el primer láser femtosegundo se hubiera comercializado.

Esta primera generación de láseres femtosegundos, a pesar de estar perfectamente adaptada a un ambiente de investigaciones, presenta limitaciones que impiden su utilización en un ambiente industrial.

Debido a la estructura espectroscópica del Ti:Sapphire, son necesarios uno o varios láseres intermediarios adicionales en un láser femtosegundo Ti:Sapphire. Estos láseres intermediarios, sofisticados y caros, se agregan al coste global del sistema y disminuyen su fiabilidad.

Dos avances tecnológicos, particularmente la tecnología de bombeo por diodos y los nuevos materiales láser, abren la vía a una nueva generación de láseres ultrarrápidos que tienen rendimientos elevados, son más compactos, más fiables y menos caros que los láseres femtosegundos actuales.

En lo que se refiere a la tecnología del bombeo por diodos, la industria del láser ha sufrido durante aproximadamente una década una mutación tecnológica semejante al reemplazo de los tubos de vacío por semiconductores en la industria electrónica. Cualquier láser obtiene su potencia de una fuente de energía exterior. Tradicionalmente, esta fuente de energía era una bombilla flash o un tubo de vacío, relleno de un gas ionizado. La creciente disponibilidad de láseres de potencia de semiconductor (diodos láser) como fuentes de energía ofrece enormes ventajas en cuanto a tamaño, período de vida y fiabilidad. Sin embargo, estos nuevos componentes no se pueden utilizar sobre los láseres Ti:Sapphire femtosegundos, debido a las propiedades del Ti:Sapphire, cuyo cristal no tiene ninguna banda de absorción en la gama de longitudes de onda de los diodos láser de potencia. El láser Ti:Sapphire no puede sacar provecho de la revolución del bombeo por diodos.

En lo que se refiere a las nuevos materiales láser, los recientes avances en el crecimiento de los cristales láser han llevado a una nueva generación de cristales, utilizando el... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento de marcación interna por láser en materiales transparentes, por ejemplo para la marcación de un identificador (5) en un objeto hecho de material transparente (6) , caracterizado por el hecho de que se utiliza un 5 dispositivo que incluye una fuente láser femtosegundo bombeada por diodos (1) que es un amplificador regenerador femtosegundo y no utiliza amplificación con deriva de frecuencia; una cabeza galvanométrica (2) ; una óptica de focalización (3) y un sistema de control (8) para la marcación no agresiva con un alto contraste para generar pulsos láser (13) sucesivamente focalizados sobre diferentes puntos (23) de la marcación (5) que se va a realizar para crear marcaciones transparentes a gran velocidad, es decir, por encima de 0, 1 mm2 por segundo mediante la modificación local del índice de refracción del material transparente (6) , de tal manera que las modulaciones de índices creadas por el efecto de la autofocalización del haz sean de amplitud variable según la dirección longitudinal, es decir según la dirección de propagación de los pulsos láser, creando una estructura difractiva de tal manera que el relleno del identificador (5) sea una estructura difractiva que no sea una red de Bragg.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que la fuente láser utilizada permite una velocidad de marcación superior a 1 mm2 por segundo.

3. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que el láser femtosegundo bombeado por

diodos (1) utiliza un cristal dopado con iterbio. 20

4. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que el láser femtosegundo bombeado por diodos (1) es un láser de fibra, es decir, cuyo corazón activo es una fibra dopada.

5. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por el hecho de que el láser

femtosegundo bombeado por diodos (1) tiene unos índices de repetición superiores a 10 kHz, preferiblemente superiores a 100 kHz.

6. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones precedentes caracterizado por el hecho de que el láser

femtosegundo bombeado por diodos (1) tiene una duración de pulso inferior a 3 ps. 30

7. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por el hecho de que el láser femtosegundo bombeado por diodos (1) tiene una energía por pulso superior a 3 1J.

8. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por el hecho de que el 35 identificador (5) es de un tamaño muy pequeño, normalmente inferior a 120 1m, y por lo tanto invisible al ojo humano.

9. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por el hecho de que la marcación (5) es fácilmente legible mediante un sistema de lectura o de visualización (7) estándar.

10. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por el hecho de que el identificador (5) , por ejemplo una matriz de datos 2D de 16 líneas x 16 columnas, es aún menor de 60 x 60 1m.

11. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por el hecho de que el

identificador (5) se graba en menos de 0, 05 segundos. 45

12. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por el hecho de que el identificador (5) , por ejemplo una matriz de datos 2D legible de un tamaño inferior a 0, 4 x 0, 4 mm se graba en menos de 0, 2 segundos.

13. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por el hecho de que el identificador (5) puede alcanzar un contraste del 70% (grado A - AIM) .

14. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por el hecho de que el

identificador (5) está lleno de líneas o de puntos separados entre sí por una distancia del orden del espectro de longitud 55 de onda del lector, como un sistema de lectura (7) o el ojo de un observador.

15. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por el hecho de que el identificador (5) incluye una parte normativa (25) y una parte antifraude (26) .

16. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por el hecho de que el identificador (5) está incluido en un diseño decorativo (29) .

17. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por el hecho de que algunos bits (26) de los códigos de identificación definen la posición de un código antifraude invisible realizado por el mismo 65 procedimiento.

18. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por el hecho de que el identificador (5) se marca dentro de un substrato de vidrio.

19. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por el hecho de que el 5 identificador (5) se marca en frascos.

20. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por el hecho de que el identificador (5) se marca en botellas de perfume.

21. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por el hecho de que el identificador (5) se marca en cristales de vehículos.

22. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por el hecho de que el

identificador (5) se marca en vidrio templado. 15

23. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por el hecho de que el identificador (5) está integrado para ser parte integrante de un nombre comercial o de una marca registrada.

24. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por el hecho de que se coloca 20 más de un identificador (5) al lado de otro pero a diferentes profundidades.

25. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por el hecho de que el ángulo de visión que permite la lectura del identificador (5) puede ser claramente modificado para incrementar más la seguridad.

26. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por el hecho de que el identificador (5) se marca dentro de un soporte de datos, tal como un CD, DVD, ..., o dentro de su embalaje.

27. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por el hecho de que utiliza un 30 sistema de visualización (7) para verificar los códigos y una iluminación adaptada (32) .

28. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por el hecho de que se utiliza para crear un código concebido para la lucha contra la falsificación.

29. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por el hecho de que se utiliza para crear un código concebido para el control de los circuitos de distribución.