Лазерный мир

Ученые ИТМО придумали, как быстро и недорого наносить разноцветные QR- и штрихкоды для защиты товаров от подделок. Но этот процесс довольно сложный и занимает несколько минут. Ученые ИТМО первыми в мире предложили использовать для создания цветной маркировки на стекле многоэлементный сплав. Решение позволяет создавать защитные метки всего за 2 секунды, используя при этом недорогое лазерное оборудование. Благодаря технологии защитные метки можно наносить на ювелирные изделия, оптические приборы и другие товары. Результаты исследования опубликованы в Materials Letters.

В экспериментах лазерная обработка проводилась с помощью имеющейся в продаже волоконной лазерной системы наносекундного импульса (λ = 1064 нм, τ = 4–100 нс, ν = 20 кГц) («ТурбоМаркер», ООО «Лазерный центр»). Лазерное излучение фокусировалось на доноре с помощью гальваносканера и линзы F-тета (f = 202 мм), формируя пятно диаметром 50 мкм.

Как работает защитная маркировка

Чтобы защитить товары от подделок, важно четко идентифицировать каждое конкретное изделие. Для этого специалисты наносят на его поверхность уникальные рисунки — QR-коды и штрихкоды. Такие метки несут в себе определенную информацию. Например, маркировка отдельных медицинских изделий (слуховых аппаратов, коронарных стентов и ряда других приборов) содержит ключевую информацию о производителе, названии, назначении и годе выпуска изделия. С помощью защитных меток можно не только определить подлинность прибора, но и вести системный учет медицинских изделий по всей стране.

Идентификационные номера и рисунки наносят разными способами ― в том числе с помощью лазерных технологий. В отличие от других методов, использование лазеров позволяет создавать хорошо читаемую маркировку на поверхности разных материалов. При этом нанесенный рисунок не удастся так просто стереть ― лазеры делают его устойчивым к механическому, термическому и химическому воздействию.

Наиболее подходящим материалом для создания маркировки считается стекло. Оно прозрачно, через него легко проходит лазерное излучение, а поэтому и наносить маркировку на такой материал гораздо проще.

Зачем нужна разноцветная маркировка и как она создается

Разноцветная маркировка позволяет создавать контрастные, а значит более заметные метки, которые легко находить и считывать. Также для каждого пикселя можно подобрать свой цвет или оттенок ― так рисунок можно сделать еще более уникальным, чтобы его было сложнее подделать.

Чтобы сделать разноцветную маркировку, нужно не только стекло, на которое наносят рисунок, но и материалы, которые придадут ему цвет. Процесс нанесения выглядит так: на лазерную установку кладется стекло, на котором впоследствии появится рисунок, и металл, который придаст заданному рисунку цвет. Проходя через стекло, лазерный пучок попадает на металл. Под воздействием высокой температуры металл испаряется, окисляется и осаждается в виде оксидной пленки на поверхности стекла ― так и появляется рисунок.

Металлы, которые применяют в разноцветной лазерной маркировке, ученые называют донорскими материалами. Обычно в процессе применяются чистые металлы — например, алюминий, графит и медь. Но каждый из них способен придать маркировке только один цвет: алюминий — серый, графит — черный, а медь — красный. Поэтому создать разноцветный рисунок сразу не получится, нужно наносить каждый цвет постадийно: сначала провести процедуру с одним металлом, затем заменить его на другой и снова запустить печать на лазерной установке.

Палитра цветов и оттенков, которые можно напечатать с помощью непрямой лазерной маркировки. Изображение предоставлено исследователями

Что сделали ученые ИТМО

Исследователи Института лазерных технологий ИТМО при поддержке ученых ресурсного центра «Оптические и лазерные методы исследования вещества» СПбГУ и компании «Лазерный Центр» предложили использовать для окрашивания меток многокомпонентный сплав металлов. В основе материала латунь — сплав, который позволяет получить более широкую цветовую палитру.

Также в состав сплава в разных концентрациях входят другие металлы — медь, цинк, железо, фосфор, свинец, сурьма и висмут. Взаимодействие разных химических элементов с воздухом образует оксидную пленку, которая придает маркировке разные цвета. Например, за желтый цвет отвечает оксид цинка, а за зеленый — оксид цинка, куприт (Cu2O) и разные оксидные состояния меди.

По словам авторов разработки, у решения сразу несколько преимуществ:

Простота технологии. Благодаря новому методу процесс лазерной маркировки стекла становится проще и доступнее — больше не нужно использовать несколько чистых металлов для разных цветов, а создать маркировку можно на недорогом лазерном оборудовании. К тому же специалисты могут печатать высококонтрастные маркировки с новыми цветами и их оттенками — зеленым, желтым, красным и серым.

Скорость печати маркировки. Процесс нанесения разноцветной маркировки становится короче. Например, чтобы создать маркировку в форме QR-кода размером 10×10 мм, понадобится менее 2 секунд. Причем можно маркировать как крупные, так и очень мелкие изделия — например, ученым ИТМО удалось нанести разноцветный рисунок, в котором размер одной точки не превышает 30 мкм. Несмотря на маленький размер, изображение QR-кода получилось в высоком разрешении.

Долговечность маркировки. Созданную маркировку будет невозможно удалить с поверхности стеклянного изделия. Так происходит благодаря осаждению материала внутри стекла — если правильно подобрать параметры лазерной обработки, плазма имплантирует цветной сплав внутрь материала. При этом, в отличие от традиционных методов маркировки стекла, например с помощью СО2-лазера, после нанесения разноцветной маркировки на поверхности стекла не образуются микротрещины и изделие не разрушается.

Смартфон считывает цветные QR-коды, которые по размеру меньше головки спички. Фото из личного архива исследователя

Где можно применять разработку

Метод можно применять в сферах, где требуется высокая детализация маркировки — в ювелирном производстве, производстве оптических приборов, архитектурной промышленности и для создания произведений искусства. Например, ученые ИТМО сделали рисунок «Солнечные крылья» в стиле контурного рисунка, а также изготовили микрометрические шкалы на стеклянных окулярах. Последние нужны для измерения длины, ширины, глубины разных микроскопических объектов — например, минералов, сплавов и металлов, а также отдельных микроэлементов и частиц лекарственных препаратов.

«Солнечные крылья» в стиле контурного рисунка — пример, как можно использовать разноцветную маркировку в искусстве. Фото из личного архива исследователя

Что дальше

Команда ученых ИТМО собирается детальнее исследовать механизмы нанесения разноцветной маркировки, чтобы узнать, какие еще цвета и оттенки можно создать и какие условия для этого требуются, как условия осаждения сплава влияют на оптические и химические свойства изделий, на которые нанесена маркировка, и каким может быть минимальный размер пикселей маркировки.

«Технология создания тонких оксидных пленок также используется в производстве электронных устройств и компонентов, поэтому эта информация может быть очень ценной для микроэлектронной промышленности. Если мы сможем оптимизировать эту технологию — сделать ее более стабильной и быстрой, в итоге сможем создавать тонкие пленки с определенными свойствами. Например, сделать маркировку в более высоком разрешении и в меньшем размере и нанести ее на крохотные микролинзы в VR-очках. Это может защитить их от подделки», — рассказал первый автор статьи, инженер-исследователь Института лазерных технологий ИТМО Алехандро Рамос Веласкес.

Исследование выполнено при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ в рамках проекта «Разработка высокотехнологичного производства оборудования и технологий для лазерной функционализации медицинских изделий».

Статья: A. Ramos-Velazquez, J. Amiaga, D. Pankin, G. Odintsova, R. Zakoldaev, V. Veiko. Laser-induced micro-scale polychrome marking of glass materials (Materials Letters, 2023).

Представленное исследование выполнено при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации, договор на проведение НИОКР № 075-11-2021-045 от 24.06.2021 г., проект «Развитие высокотехнологичного производства оборудования и технологий для лазерной функционализации». медицинских изделий» (в рамках постановления Правительства РФ от 04.09.2010 № 218)

Опубликовано на https://news.itmo.ru/ru/science/new_materials/news/13242/

Видео по теме: