CN116157864A - 陶瓷材料上的数据记录 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于在陶瓷材料的层中记录数据的方法及用于在陶瓷材料的层中记录数据的装置。

Description

陶瓷材料上的数据记录
技术领域
本发明涉及一种用于在陶瓷材料的层中记录数据的方法及用于在陶瓷材料的层中记录数据的装置。
背景技术
本发明的申请人研发了一种用于长期储存信息的方法及其储存介质(参见PCT/EP2019/071805及PCT/EP2020/068892)。根据用于长期储存信息的该方法的一个方面，通过使用激光束来操纵可写板的局部区域，将信息编码在包括陶瓷材料的可写板上。虽然此方法原则上可以通过将可写板安装在XY定位***上且将可写板的那些局部区域移动至待进行编码的激光焦点来用具有固定焦点的激光束来执行，但该方法繁琐且耗时。
US 4,069,487及US 4,556,893亦公开了利用诸如金属氧化物及金属碳化物的记录层材料的激光可记录的记录介质。然而，在这两种情况下的记录皆是基于旋转盘技术，归因于必须沿着记录螺旋产生一个接一个的凹坑这一事实导致的缓慢记录工艺，该技术为不利的。
发明内容
因此，本发明的目的为提供一种用于在陶瓷材料的层中记录数据的改进方法，该方法适用于在相对较短的时间内记录大量数据。
该目的由如权利要求1所述的方法及如权利要求23所述的装置来实现。在从属权利要求中描述了本发明的较佳实施方式。
因此，本发明涉及一种用于在陶瓷材料的层中记录数据的方法。根据该方法，提供陶瓷材料的层，且使用数字微镜装置(digital micromirror device，DMD)用激光束选择性地照射陶瓷材料的层的多个区。针对该些选定区中的每一者的激光束的参数及照射时间用以消熔选定区中的每一者，以便通过在陶瓷材料的层中产生凹部来在陶瓷材料的层中记录数据。
激光束较佳地源自皮秒激光或飞秒激光。利用皮秒激光或飞秒激光非常有利于产生明确的凹部。US 4,556,893中所公开的消熔技术利用聚焦的调变激光二极管光束，该聚焦的调变激光二极管光束取决于激光功率产生凹坑或气泡。由于记录层材料为光吸收的，所以该层被局部加热且因此熔化及/或蒸发。然而，这些工艺相当不受控制且通常导致不利的孔形状。例如，亦如US 4,556,893的图4中所指示，可以在孔的边缘周围形成一圈熔化且随后固化的材料。这在产生极小的凹部以便增加数据密度时为不可接受的，此是由于需要可再现地产生这些凹部且允许可再现的读出技术。
本发明的发明人针对陶瓷材料用不同的消熔技术执行了多次实验。事实证明，利用皮秒激光或飞秒激光允许产生具有圆形横截面及极锐利边缘的极明确的孔。咸信，此是归因于由皮秒激光或飞秒激光引起的消熔工艺。皮秒或飞秒激光脉冲不会加热陶瓷材料，而是与该材料的电子相互作用。假设皮秒或飞秒激光脉冲与负责化学键合的外价电子相互作用，因此这些价电子自原子剥离，从而使后者带正电。给定化学键断裂的原子之间的相互排斥状态，材料“***”成小的高能离子等离子体云，该小的高能离子等离子体云具有比热发射中所看到的速度高的速度。此现象被称为Coulomb***，且与用例如奈秒激光进行的规则激光消熔明显不同，该规则激光消熔加热表面上的材料以熔化及蒸发，从而在撞击区域的边缘处留下熔化的材料。Coulomb***为物理工艺，其明显仅限于激光撞击区，而由热量引起的消熔受到材料内不明确的热流的影响。因此，就产生大量微小凹部而言，该Coulomb***为理想的，与已知技术相比，此情况允许急剧增加数据密度。虽然用皮秒激光可以获得良好的结果，但在此方面，使用飞秒激光为有利的。因此，激光较佳地具有小于10ps、更佳地小于1ps的脉冲持续时间。
较佳的是，由DMD发射的多束激光束中的每一者的通量大于100mJ/cm2，较佳地大于400mJ/cm2，更佳地大于800mJ/cm2，最佳地大于1J/cm2。
在本发明的上下文中，术语“凹部”是关于陶瓷材料中的孔、凹槽或凹痕。换言之，凹部形成一容积，而没有任何陶瓷材料存在。该容积与大气流体连通。换言之，每一凹部对大气开放，而不被覆盖或关闭。
相对于US 4,069,487中所描述的利用覆盖信息记录部分的保护层的技术，此开放凹部为有利的，此是因为开放凹部允许在消熔之前对已经存在于凹部内的材料进行干净的完全消熔。特定而言，这在产生极小的凹部以便增加数据密度时为重要的，此是由于需要可再现地产生这些凹部且允许可再现的读出技术。
DMD包括微镜阵列或矩阵，这些微镜允许通过调整阵列或矩阵的相应微镜来选择性地照射陶瓷材料上的预定像素。因此，陶瓷材料上的大量像素可以同时且以良好控制的方式被照射，此可以容易地自动化。取决于DMD中存在的微镜数，可以在足以消熔一个选定区以便记录数据的时间跨度期间同时操纵陶瓷材料的层的数百万个选定区(即像素)。这些数字微镜装置容易获得且可以简单地实施至记录装置中。
较佳地，陶瓷材料上的像素(即可以形成凹部的子集处的预定位置)以规则矩阵或阵列配置，即以具有格子结构或格子状结构的重复二维图案配置。特别较佳的矩阵或阵列包括例如方形图案或六边形图案。这些矩阵或阵列允许最佳的数据密度，该数据密度基本上大于例如CD、DVD或蓝光光盘的数据密度，此是因为单个像素或位没有被轨道间距(例如针对蓝光光盘的320nm)分离，该轨道间距为位尺寸(例如针对蓝光光盘的150nm)的单个像素的大小的两倍以上。就在记录或读取期间可以安全实现的最大旋转速度而言，习知的盘形记录介质亦受到限制。因此，用这些矩阵或阵列可获得的写入/读取速度远大于在以螺旋形状配置的凹坑的情况下可能的写入/读取速度。
较佳地，凹部具有圆形横截面。凹部可以仅部分地延伸至陶瓷层中或可以在陶瓷层中形成通孔。在前一情况下，可以产生不同深度的凹部或孔，其中每一深度对应于如PCT/EP2020/068892中所描述的预定义信息位。为此，可以用两个或多个激光脉冲照射陶瓷材料的层，其中在随后的脉冲之间调整DMD的微镜，以便实现陶瓷材料的层的区，这些区(i)从未被照射，(ii)用单个激光脉冲照射一次，(iii)用两个激光脉冲照射两次等。
申请人之前在实验中已经示出，可以由单个飞秒激光脉冲明显且可靠地操纵厚度为5μm的CrN层(参见PCT/EP2020/068892)。因此，本发明的方法允许在几百飞秒内编码至少几千及至多几百万像素。因此，本发明方法的记录速度仅受DMD的微镜数及调整微镜所需的时间的限制。
较佳地，陶瓷材料的层在记录期间例如通过诸如扫描台的XY定位***(其中z轴垂直于层的表面)横向移动或平移。因此，一旦记录了像素阵列或矩阵，即可以通过简单地将陶瓷材料的层移动至相邻区域来记录相邻的像素阵列或矩阵。
因此，本发明方法较佳地包括以下步骤：使用DMD用激光束选择性地照射陶瓷材料的层的第一区域内的多个区，其中第一区域可以由DMD覆盖；平移陶瓷材料的层，以使得不同于第一区域的第二区域可以由DMD覆盖；及使用DMD用激光束选择性地照射陶瓷材料的层的第二区域内的多个区。
若DMD及XY定位***适当地受控制，可以实现至少10MB/s、较佳地至少100MB/s、较佳地至少1GB/s且更佳地至少10GB/s的数据记录速度。
较佳地，激光束(即自DMD发射的多束激光束)通过具有高数值孔径的透镜(或较复杂的光学器件)聚焦至陶瓷材料的层上，该高数值孔径较佳地为至少0.5、更佳地至少0.8的数值孔径。较佳地，使用浸没光学器件以便进一步增大数值孔径。若使用浸没光学器件，则数值孔径可以为至少1.0，较佳地为至少1.2。
进一步较佳地利用光束成形装置来产生某些有利于数据记录的光束形状。例如，激光波带板矩阵可以由源自DMD的多束激光束传输。例如，这些激光波带板可以适于针对多束激光束中的每一者产生针状Bessel光束。
Bessel光束具有基本上增加焦深的优点。规则Gaussian光束的焦距大约为聚焦光的波长，而可以用Bessel光束实现的焦距相当于聚焦光的波长的至少4倍。同时，焦点的宽度约为可以由Gaussian光束实现的焦点宽度的二分之一。
一般而言，可以由本发明方法实现的特征的大小(例如陶瓷材料中的凹部的直径)针对Gaussian光束在2/3λ(空气)与1/2λ(浸没)之间变化，且针对Bessel光束在1/3λ(空气)与1/4λ(浸没)之间变化(其中λ为激光的波长)。因此，Bessel光束形状的优点在于可以实现较小的工艺特征，且因此可以实现较大的记录数据密度。此外，Bessel光束的增加的焦距的优点在于，例如，可以产生较深的凹部。若待产生不同深度的特征以便通过例如凹部的深度对信息进行编码，则此情况尤其相关。由于Gaussian光束的焦点为锥形的，因此增大凹部的深度意味着增大表面处的凹部的直径。相比之下，Bessel光束的更圆柱形焦点允许产生具有几乎恒定的直径的更深的凹部。
这些Bessel光束亦可以通过其他光束成形装置产生。光束成形装置的一个特别较佳的实例为空间光调变器，其用途特别广泛，此是因为其可用于产生Bessel光束，以允许光学邻近控制且提供相移掩模。
较佳地，陶瓷材料的层包括：金属氮化物，诸如CrN、CrAlN、TiN、TiCN、TiAlN、ZrN、AlN、VN、Si3N4、ThN、HfN、BN；及/或金属碳化物，诸如TiC、CrC、Al4C3、VC、ZrC、HfC、ThC、B4C、SiC；及/或金属氧化物，诸如Al2O3、TiO2、SiO2、ZrO2、ThO2、MgO、Cr2O3、Zr2O3、V2O3；及/或金属硼化物，诸如TiB2、ZrB2、CrB2、VB2、SiB6、ThB2、HfB2、WB2、WB4；及/或金属硅化物，诸如TiSi2、ZrSi2、MoSi2、WSi2、PtSi、Mg2Si。特别较佳的材料为B4C、HfC、Cr2O3、ZrB2、CrB2、SiB6、Si3N4、ThN、CrN及CrAlN。这些材料提供了足够的硬度及对环境退化的抵抗力，以供记录数据的长期储存。
较佳地，提供陶瓷材料的层的步骤包括提供基板且用不同于陶瓷基板的材料的陶瓷材料的层涂覆基板。因此，仅需要少量可能较昂贵的涂层材料，同时用坚固且可能较便宜的基板来实现结构完整性。陶瓷材料的层较佳地具有不大于10μm、更佳地不大于5μm、更佳地不大于2μm、更佳地不大于1μm、甚至更佳地不大于100nm且最佳地不大于10nm的厚度。
较佳地，基板具有小于1mm、较佳地小于250μm、更佳地小于200μm且最佳地小于150μm的厚度。
此外，基板的使用可以允许在基板(其中在涂层中产生孔)与周围涂层材料之间产生光学对比度。因此，使用数字微镜装置用激光束选择性地照射陶瓷材料的层的多个区较佳地包括在凹部朝向基板延伸的区中的每一者处消熔足够的材料。较佳地，对选定区域的操纵使这些区域变得可与周围材料区分开。针对一些应用，此情况可以包括获得光学可区分性。然而，在其他情况下(特别地，若编码结构太小)，这些区域只能通过例如扫描电子显微镜或其他实体参数改变(例如磁性、介电或导电性质)的测量与周围材料区分开。
较佳地，陶瓷基板包括氧化陶瓷，更佳地，陶瓷基板包括按重量计至少90％、最佳地至少95％的以下中的一者或组合：Al2O3、TiO2、SiO2、ZrO2、ThO2、MgO、Cr2O3、Zr2O3、V2O3。已知这些材料在各种情况下特别耐用及/或抵抗环境退化。因此，这些材料特别适用于在不同条件下的长期储存。特别较佳的是，陶瓷基板包括以下中的一者或组合：蓝宝石(Al2O3)、二氧化硅(SiO2)、硅酸锆(Zr(SiO4))、氧化锆(ZrO2)、一氧化硼(B2O)、三氧化二硼(B2O3)、氧化钠(Na2O)、氧化钾(K2O)、氧化锂(Li2O)、氧化锌(ZnO)、氧化镁(MgO)。
较佳地，陶瓷基板包括非氧化陶瓷，更佳地，陶瓷基板包括按重量计至少90％、最佳地至少95％的以下中的一者或组合：金属氮化物，诸如CrN、CrAlN、TiN、TiCN、TiAlN、ZrN、AlN、VN、Si3N4、ThN、HfN、BN；金属碳化物，诸如TiC、CrC、Al4C3、VC、ZrC、HfC、ThC、B4C、SiC；金属硼化物，诸如TiB2、ZrB2、CrB2、VB2、SiB6、ThB2、HfB2、WB2、WB4；及金属硅化物，诸如TiSi2、ZrSi2、MoSi2、WSi2、PtSi、Mg2Si。已知这些材料在各种情况下特别耐用及/或抵抗环境退化。因此，这些材料特别适用于在不同条件下的长期储存。特别较佳的是，陶瓷基板包括以下中的一者或组合：BN、CrSi2、SiC及SiB6。
较佳地，陶瓷基板包括Ni、Cr、Co、Fe、W、Mo或熔点高于1400℃的其他金属中的一者或组合。较佳地，陶瓷材料与金属形成金属基质复合物，其中陶瓷材料分散在金属或金属合金中。较佳地，金属占陶瓷基板(即金属基质复合物)的5至30重量％，较佳10至20重量％。特别较佳的金属基质复合物为：WC/Co-Ni-Mo、BN/Co-Ni-Mo、TiN/Co-Ni-Mo及/或SiC/Co-Ni-Mo。
陶瓷材料的层较佳地直接涂覆至陶瓷基板上，即不存在任何中间层，以便在陶瓷基板与陶瓷材料的层之间实现强结合。涂覆的陶瓷基板较佳地在记录之前及/或之后进行回火以便实现此强结合。回火可以在陶瓷基板与陶瓷材料的层之间产生烧结界面。烧结界面可以包括来自基板材料及陶瓷材料两者的至少一种元素，此是因为来自两个相邻层中的一者的一种或多种元素可以扩散至两个相邻层中的另一层中。烧结界面的存在可以进一步加强陶瓷基板与陶瓷材料的层之间的结合。
较佳地，对涂覆的陶瓷基板进行回火涉及将涂覆的陶瓷基板加热至介于200℃至4,000℃的范围内、更佳地介于1,000℃至2,000℃的范围内的温度。回火工艺可以包括以每小时至少10K的温度增加的加热阶段、在峰值温度下持续至少1分钟的平台阶段及最后以每小时至少10K的温度降低的冷却阶段。回火工艺可以帮助使陶瓷基板硬化及/或将陶瓷材料永久地结合至陶瓷基板。
陶瓷材料层的选定区的激光消熔可以显露下伏的陶瓷基板，从而导致操纵区域相对于陶瓷材料层的其余部分的(光学)可区分对比度。
根据本发明的特别较佳的实施方式，基板对于激光束的波长为透明的。较佳地，基板对于具有激光束的波长的光具有至少95％、更佳地至少97％且最佳地至少99％的透射率。例如，基板可以包括玻璃状透明陶瓷材料或结晶陶瓷材料，如蓝宝石(Al2O3)、二氧化硅(SiO2)、硅酸锆(Zr(SiO4))、氧化锆(ZrO2)、一氧化硼(B2O)、三氧化二硼(B2O3)、氧化钠(Na2O)、氧化钾(K2O)、氧化锂(Li2O)、氧化锌(ZnO)、氧化镁(MgO)。
特别合适的结晶陶瓷材料为蓝宝石(Al2O3)、二氧化硅(SiO2)、硅酸锆(Zr(SiO4))、氧化锆(ZrO2)、氧化镁(MgO)。
此透明材料为特别有利的，此是由于其允许透过透明基板选择性地照射陶瓷材料(涂覆至基板上)的层的多个区。因此，在记录期间所产生的任何碎片皆在与记录光学器件相对的涂覆基板的表面上产生。因此，该表面可以容易地清洗及/或冷却而不影响记录光学器件。
归因于透明基板材料的高透射因子，激光不与基板相互作用，而仅简单地穿过基板以便例如仅消熔涂层。特定而言，基板材料基本上不被激光束加热。
较佳地，激光束(即自DMD发射的多束激光束中的每一者)具有不大于400nm、更佳地不大于300nm、甚至更佳地不大于200nm且最佳地不大于100nm的最小焦点直径。
较佳地，激光束的波长小于700nm，较佳地小于650nm，更佳地小于600nm，甚至更佳地小于500nm且最佳地小于400nm。较小的波长允许产生较小的结构及因此较大的数据密度。此外，针对较小的波长，每光子的能量(作用量子)会增加。
本发明进一步涉及一种用于在陶瓷材料的层中记录数据的装置。装置包括：激光源；数字微镜装置(digital micromirror device，DMD)，适于发射多束激光束；准直光学器件，用于将由激光源发射的激光准直至DMD上；基板固持器，用于安装基板；及聚焦光学器件，适于将由DMD发射的多束激光束中的每一者聚焦至安装在基板固持器上的基板上。由DMD发射的多束激光束中的每一者的通量大于100mJ/cm2，较佳地大于400mJ/cm2，更佳地大于800mJ/cm2，最佳地大于1J/cm2。激光源较佳地包括皮秒激光或飞秒激光。激光源较佳地具有小于10ps、更佳地小于1ps的脉冲持续时间。
上文在本发明方法的上下文中所论述的所有较佳特征亦可以类似地用于本发明装置中，且反之亦然。
激光束的功率密度较佳地适于充分操纵陶瓷材料的层，以便在陶瓷材料的层上或中记录数据。较佳地，激光束的功率密度允许消熔上述陶瓷材料。
聚焦光学器件较佳地包括具有高数值孔径的透镜(或较复杂的光学器件)，该高数值孔径较佳地为至少0.5、更佳地至少0.8的数值孔径。若使用浸没光学器件，则数值孔径可以为至少1.0，更佳地为至少1.2。
装置较佳地进一步包括光束成形装置，较佳地包括激光波带板矩阵或空间光调变器，以便产生例如多个如上文所论述的Bessel光束。此光束成形装置较佳地定位于聚焦光学器件之前。在此情况下，较佳地，多个透镜(较佳地为Fresnel透镜)直接位于光束成形装置的后面，以便聚焦例如Bessel光束。
在基板处，多束激光束中的每一者较佳地为Bessel光束。在基板处，多束激光束中的每一者较佳地具有不大于400nm、更佳地不大于300nm、甚至更佳地不大于200nm且最佳地不大于100nm的最小焦点直径。
基板固持器较佳地安装在诸如扫描台的XY定位***上。装置较佳地包括处理器，该处理器用以控制DMD及XY定位***，以便依序照射安装在基板固持器上的基板的相邻区域或像素阵列。
该处理器(或额外处理单元)较佳地适于及用以接收待记录的一组数据(即模拟或数字数据，诸如文本、数字、像素阵列、QR码或其类似者)且控制装置的组件(特别为DMD及XY定位***及视情况选用的光束成形装置)以执行本发明方法，以便在陶瓷材料层上或中记录接收到的数据集。
较佳地，激光源的波长小于700nm，较佳地小于650nm，更佳地小于600nm，甚至更佳地小于500nm且最佳地小于400nm。
附图说明
本发明的较佳实施方式将参考附图进一步阐明，附图示出：
图1根据较佳实施方式的用于记录数据的装置的示意图；
图2a示意性地第一记录替代方案；
图2b示意性地第二记录替代方案；
图3示意性地根据另一较佳实施方式的用于记录数据的装置；及
图4偏振器、波带板及透镜的组合的示意图以及所得光束形状及沿着激光束的轴的焦距的曲线图。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的较佳实施方式的用于在陶瓷材料的层中记录数据的装置的示意图标。装置包括将激光发射至DMD 3上的激光源2，该DMD 3包括以阵列配置的多个微镜3a。针对处于“关闭”状态的每一微镜，DMD 3适于沿着第一方向(即用于记录)或沿着第二方向(用附图标记9指示)发射多个激光束4，从而将那些激光束9转向束集堆(未示出)。通常，装置将进一步包括用于将由激光源2发射的激光准直至DMD 3上的准直光学器件(图1中未示出)。装置进一步包括：基板固持器6，用于安装基板7；及聚焦光学器件8，适于将由DMD发射的多束激光束4中的每一者聚焦至安装在基板固持器上的基板7上。例如，聚焦光学器件8可以包括具有高数值孔径的标准显微镜光学器件。基板固持器6适于支撑且较佳地安装基板7且可以安装至XY台上或为XY台的一部分。
在图1中所示出的实例中，基板7包括陶瓷涂层或陶瓷材料层1，该陶瓷涂层或陶瓷材料层1通过聚焦激光束4被局部消熔。在图1中，陶瓷涂层1设置在基板7的顶部(亦参见图2a)。替代地，如图2b中所示出，陶瓷涂层可设置在基板7的底部或背侧上。由于在此情况下激光束4必须穿过基板7，因此在此情况下，基板7的材料对于激光的波长需要为透明的。此外，在此情况下，较佳的是，基板固持器6包括仅支撑基板7的外边缘的框架6a(而在如图2a中所示出的顶部消熔的情况下可以完全支撑基板)。因此，陶瓷涂层1暴露于消熔的部分归因于在该部分下方的自由空间6b而不被支撑(参见图2b)。
此为特别较佳的实施方式，此是因为在消熔期间所产生的任何碎片皆将通过基板7与聚焦光学器件8分离。相反，自陶瓷层1消熔的任何材料皆将被发射至样品固持器6的自由空间6b中且可以自其被提取或吸取。因此，聚焦光学器件8不会受到该碎片的负面影响，且在记录之后或甚至在记录期间更容易清洗陶瓷涂层1的表面。
较佳地，基板的厚度适于所使用的装置的聚焦光学器件。例如，基板的厚度应小于聚焦光学器件的焦距，以便到达陶瓷涂层。
此外，图2b中所示出的配置亦允许在消熔期间例如通过让冷却流体沿着陶瓷涂层1流动来冷却该陶瓷涂层1。此情况将提高消熔工艺的准确性，此是因为可以消除自激光焦点至周围区域的热传递。例如，可以为此提供空气(例如空气叶片)或诸如水或其他浸没液体的液体的交叉喷射。另外，该交叉喷射可以排出在消熔期间所产生的碎片。
在图2a中所示出的配置的情况下亦可以提供此交叉喷射。然而，该实施方式中的该交叉喷射必须被设计成不干扰光学器件。例如，若使用浸没光学器件，则浸没液体可以以交叉流提供，该交叉流较佳为层流以便避免归因于浸没液体内的湍流而引起的任何光学效应。
由于空气或液体的此交叉喷射可以产生振动，振动可能会危及记录准确性，且由于在图2a中所示出的实施方式中使用交叉喷射会很复杂，因此提供如图2a及图2b中所示出的带负电的网或片15为较佳的。如上文所解释，使用皮秒或飞秒激光将在待消熔的陶瓷材料中产生等离子体。简单而言，陶瓷材料的原子壳的部分将归因于与激光脉冲的相互作用而被移除。随后，在所谓的Coulomb***期间排出剩余的带正电的原子核。这些带正电的原子核随后可以被带负电的网或片15吸引。这种情况在图2a中所示出的实施方式的情况下特别有利，其中激光束4可以穿过网或板中的开口。随后所有碎片将被带电的网或板收集，且因此不会对例如聚焦光学器件8产生负面影响。
图3中示出了本发明装置的另一较佳实施方式的更多细节。例如，图3示出了用于将由激光源2发射的激光准直至DMD 3上的准直光学器件5以及诸如空间滤波器10、11的另外的光学组件。在图3的情况下，基板固持器6为用于沿x-y平面(其中z垂直于基板7的表面)平移基板7的XY定位***。DMD 3及XY定位***6皆由计算机13控制，该计算机13用以控制DMD 3及XY定位***6以便执行以下步骤：使用DMD 3用激光束选择性地照射陶瓷材料的层1的第一区域内的多个区，其中第一区域可以由DMD 3覆盖；平移陶瓷材料的层1(即在当前情况下的整个基板7)，以使得不同于第一区域的第二区域可以由DMD 3覆盖；及使用DMD 3用激光束选择性地照射陶瓷材料的层1的第二区域内的多个区。
如先前所论述，装置较佳地包括光束成形装置以获得例如Bessel光束。例如，可以在DMD 3与聚焦光学器件8之间提供激光波带板12的矩阵，以便将激光束4(参见图1)中的每一者成形为Bessel光束形状。每一Bessel光束随后通过归属的透镜(例如Fresnel透镜)8聚焦至基板7上。为了适当地照射激光波带板12的矩阵，可以提供额外的准直光学器件14a及14b。该原理在图4中进一步阐明，图4示出了(针对单个小束)Bessel光束如何由产生圆偏振光的光学元件12a与用于产生Bessel光束的二元相位元件12b的组合产生，随后通过归属的高NA透镜8(或Fresnel透镜8)将该Bessel光束聚焦至基板7上。亦如图4中所示出，通过使用此Bessel光束可以实现至少为激光的波长的4倍的焦距。此外，焦点具有比Gaussian光束更圆柱形的形状。

Claims (32)

1.一种用于在陶瓷材料的层中记录数据的方法，所述方法包括以下步骤：
提供陶瓷材料的层；及
使用数字微镜装置用激光束选择性地照射所述陶瓷材料的所述层的多个区；
其中所述激光束的多个参数及针对所述选定区中的每一者的照射时间用以消熔所述选定区中的每一者，以便通过在所述陶瓷材料的所述层中产生多个凹部来在所述陶瓷材料的所述层中记录数据，且其中所述激光束源自皮秒激光或飞秒激光。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述激光束为Bessel束，所述Bessel束较佳地由激光波带板或空间光调变器产生。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中所述凹部对大气开放。
4.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中在记录期间侧向移动所述陶瓷材料的所述层，且其中所述方法进一步包括以下步骤：
使用所述数字微镜装置用所述激光束选择性地照射所述陶瓷材料的所述层的第一区域内的多个区，其中所述第一区域可以由所述数字微镜装置覆盖；
平移所述陶瓷材料的所述层，以使得不同于所述第一区域的第二区域可以由所述数字微镜装置覆盖；及
使用所述数字微镜装置用所述激光束选择性地照射所述陶瓷材料的所述层的所述第二区域内的多个区。
5.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述陶瓷材料的所述层包括以下至少一项：金属氮化物，诸如CrN、CrAlN、TiN、TiCN、TiAlN、ZrN、AlN、VN、Si3N4、ThN、HfN、BN；金属碳化物，诸如TiC、CrC、Al4C3、VC、ZrC、HfC、ThC、B4C、SiC；金属氧化物，诸如Al2O3、TiO2、SiO2、ZrO2、ThO2、MgO、Cr2O3、Zr2O3、V2O3；金属硼化物，诸如TiB2、ZrB2、CrB2、VB2、SiB6、ThB2、HfB2、WB2、WB4；或金属硅化物，诸如TiSi2、ZrSi2、MoSi2、WSi2、PtSi、Mg2Si。
6.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中提供陶瓷材料的层包括：提供基板及用不同于所述陶瓷基板的所述材料的所述陶瓷材料的所述层涂覆所述基板，其中所述陶瓷材料的所述层较佳地具有不大于10μm、更佳地不大于5μm、更佳地不大于2μm、更佳地不大于1μm、甚至更佳地不大于100nm且最佳地不大于10nm的厚度。
7.如权利要求6所述的方法，其中所述基板包括按重量计至少90％、较佳地至少95％的以下中的一者或组合：Al2O3、TiO2、SiO2、ZrO2、ThO2、MgO、Cr2O3、Zr2O3、V2O3；且/或其中所述陶瓷基板包括按重量计至少90％、较佳地至少95％的以下中的一者或组合：金属氮化物，诸如CrN、CrAlN、TiN、TiCN、TiAlN、ZrN、AlN、VN、Si3N4、ThN、HfN、BN；金属碳化物，诸如TiC、CrC、Al4C3、VC、ZrC、HfC、ThC、B4C、SiC；金属硼化物，诸如TiB2、ZrB2、CrB2、VB2、SiB6、ThB2、HfB2、WB2、WB4；及金属硅化物，诸如TiSi2、ZrSi2、MoSi2、WSi2、PtSi、Mg2Si。
8.如权利要求6到7中任一项所述的方法，其中所述基板具有小于1mm、较佳地小于500μm、更佳地小于200μm且最佳地小于100μm、更佳地小于50μm且最佳地小于10μm的厚度。
9.如权利要求6到8中任一项所述的方法，其中所述基板对所述激光束的所述波长为透明的。
10.如权利要求9所述的方法，其中所述基板包括玻璃状透明陶瓷材料或结晶陶瓷材料且/或其中所述基板包括以下中的一者或组合：蓝宝石(Al2O3)、二氧化硅(SiO2)、硅酸锆(Zr(SiO4))、氧化锆(ZrO2)、一氧化硼(B2O)、三氧化二硼(B2O3)、氧化钠(Na2O)、氧化钾(K2O)、氧化锂(Li2O)、氧化锌(ZnO)、氧化镁(MgO)。
11.如权利要求9或10所述的方法，其中使用数字微镜装置用激光束选择性地照射所述陶瓷材料的所述层的多个区包括：透过所述透明基板照射所述陶瓷材料的所述层。
12.如权利要求6到11中任一项所述的方法，其中使用数字微镜装置用激光束选择性地照射所述陶瓷材料的所述层的多个区包括：在所述凹部朝向所述基板延伸的所述区中的每一者处消熔足够的材料。
13.如权利要求6到12中任一项所述的方法，其中在记录之前及/或之后对所述涂覆基板进行回火。
14.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述激光束具有不大于1000nm、较佳地不大于800nm、较佳地不大于600nm、较佳地不大于400nm、较佳地不大于300nm、更佳地不大于200nm、甚至更佳地不大于100nm的最小焦点直径。
15.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述激光束的所述波长小于700nm，较佳地小于650nm。
16.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中在多个预定位置的子集处产生所述凹部，且其中所述预定位置以规则矩阵或阵列配置。
17.如权利要求16所述的方法，其中所述规则矩阵或阵列为方形图案或六边形图案。
18.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述凹部具有圆形横截面。
19.如前述权利要求中任一项所述的方法，进一步包括：使用带负电的网或片收集带正电的碎片。
20.如权利要求19所述的方法，其中陶瓷材料的所述层定位于所述数字微镜装置与所述带负电的网或片之间。
21.如权利要求19所述的方法，其中所述带负电的网或片定位于所述数字微镜装置与陶瓷材料的所述层之间。
22.如权利要求21所述的方法，其中所述带负电的网或片包括允许所述激光束穿过的开口。
23.一种用于在陶瓷材料的层(1)中记录数据的装置，所述装置包括：
激光源(2)，包括皮秒激光或飞秒激光；
数字微镜装置(3)，适于发射多束激光束(4)；
准直光学器件，用于将由所述激光源发射的激光准直至所述数字微镜装置(3)上；
基板固持器(6)，用于安装基板(7)；及
聚焦光学器件(8)，适于将由所述数字微镜装置(3)发射的所述多束激光束(4)中的每一者聚焦至安装在所述基板固持器(6)上的基板(7)上；
其中由所述数字微镜装置(3)发射的所述多束激光束(4)中的每一者的所述通量大于100mJ/cm2。
24.如权利要求23所述的装置，其中所述聚焦光学器件(8)包括透镜，所述透镜具有高数值孔径，较佳地具有至少0.5、更佳地至少0.8的数值孔径。
25.如权利要求23或24所述的装置，其中所述装置进一步包括光束成形装置，较佳地为多个激光波带板的矩阵或空间光调变器。
26.如权利要求23到25中任一项所述的装置，其中所述基板处的所述多个激光束中的每一者具有不大于1000nm、较佳地不大于800nm、较佳地不大于600nm、较佳地不大于400nm、较佳地不大于300nm、更佳地不大于200nm、甚至更佳地不大于100nm的最小焦点直径。
27.如权利要求23到26中任一项所述的装置，进一步包括用以控制所述数字微镜装置及视情况任选的XY定位***的处理器，所述基板固持器安装在所述XY定位***上。
28.如权利要求23到27中任一项所述的装置，其中所述激光源的所述波长小于700nm，较佳地小于650nm。
29.如权利要求23到28中任一项所述的装置，进一步包括用于收集带正电的碎片的带负电的网或片(15)。
30.如权利要求29所述的装置，其中所述基板固持器(6)定位于所述聚焦光学器件(8)与所述带负电的网或片(15)之间。
31.如权利要求29所述的装置，其中所述带负电的网或片(15)定位于所述聚焦光学器件(8)与所述基板固持器(6)之间。
32.如权利要求31所述的装置，其中所述带负电的网或片(15)包括允许所述多束激光束(4)穿过的开口。
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