本发明涉及表面微纳结构呈色、激光打标、激光能量转换，具体涉及到一种基于钛金属表面激光打标着色的颜色调控方法。
背景技术：
1、近二十年来，在新能源技术迅速发展的现在，新能源技术由于其优异的无污染性、低耗损性逐步融入了人们的生活。激光打标是一种利用激光束对目标表面进行标记、刻蚀或加工的高精度、非接触式加工技术，在工业生产、医疗器械、电子设备、珠宝加工等领域有着广泛的应用。激光打标技术的发展受益于激光器的不断进步，包括固体激光器、气体激光器、半导体激光器等，随着该技术的改进，激光打标系统的性能、稳定性和可靠性得到了提升。近年来，研究人员致力于提高激光打标系统的精度和控制能力，通过优化光学系统、运动控制系统和信号处理算法实现对打标过程的精准控制，提高标记质量和加工效率。此外，随着工业智能化的发展，激光打标技术也朝着智能化、自动化方向发展，智能打标系统能够实现自动识别标记位置、调整参数、监控加工过程等功能，提高了生产效率和产品的一致性。同样的，人们对于激光打标技术的环境友好性和节能减排效果的要求也越来越高，研究人员目前正致力于开发低能耗、高效率的激光打标系统，减少其对环境的污染和资源的消耗。
2、激光打标着色技术是一种利用激光在材料表面产生微观结构或化学反应，从而实现对材料表面着色的技术。利用这种技术可以在金属、陶瓷、塑料等材料表面形成不同颜色的图案或文字，具有高分辨率、高效率、环保等优点，其着色的原理主要包括激光诱导表面结构变化、化学反应和光学效应。现阶段的研究主要是通过合理的调控激光参数、材料特性和环境条件，以此来探索不同材料在激光作用下产生颜色变化的规律，为激光打标着色提供理论支持。此外由于不同材料对激光打标着色的响应不同，因此也需要针对不同材料开展相关研究。激光打标着色的效果受到激光参数包括激光功率、脉冲宽度、频率等的影响较大，通过优化这些参数对激光与材料相互作用的过程进行控制，从而实现精准的着色效果。同样的，与传统的化学染色不同，激光打标着色技术具有环保优势，不需要化学药剂，减少了对环境的污染。因此，激光打标着色技术在工业制造、艺术品加工、防伪标识等领域有着广泛的应用前景，研究人员不断探索其新的应用领域，开发适用于不同行业和领域的着色技术和设备。
3、随着激光技术不断发展，使用激光技术在金属表面进行着色成为了当前研究人员的重要课题。通过调节激光的相关参数控制激光对材料的作用方式和强度，进而影响其着色的颜色和深浅。同样的，不同的材料在激光作用下会产生不同的着色效果。选择合适的材料并对其表面进行适当处理，可以影响着色反应的进行和结果。在上述操作的基础上，通过光束的聚焦、调制和扫描控制，可以实现对激光能量分布的精确调节，从而影响着色结果的均匀性和精细度。高精度的光束控制技术可以确保着色结果的高质量和一致性。因此，如何通过调节激光参数、材料选择、表面处理等手段，实现对激光打标着色结果颜色的精确控制，包括颜色的种类、深浅、均匀性等方面，更值得深入研究。
4、目前，有关激光在金属表面的打标着色虽已有较多的报道。然而，其所获得的打标着色的颜色质量、颜色数量和种类以及颜色的可控性等仍然很不理想，仍需深入研究。这主要表现在：①相关的着色方法，目前主要是通过穷举尽量多的参数组合，开展广泛打标实验，然后从中挑选具有有色效果的样品并记录其打标数据，所涉及的打标着色的方法单一、繁琐且获取有效数据的效率较差；②打标着色更多依赖的是经验，尚未形成有效可行的尤其是能够量化处理的着色及颜色调控方法；③相关研究所获得的工艺数据不具有广泛性和可推广性，着色效果非常不稳定，材料、设备以及其他参数等的变化会导致所获得的工艺数据的失效，用之无法得到期望的着色以及着色效果；④打标着色的颜色质量不佳，颜色的饱和度明显偏低，样品虽有颜色但感觉不明显；⑤打标所实现的颜色种类偏少，并且主要集中在红色、紫色、黄色以及橙色色相上，不同的材料所能再现的颜色种类的差异性很大；⑥打标着色主要依靠穷举实验打标，颜色的可控性很差。因此，材料表面的激光打标着色以及颜色调控，成为相关领域的当前研究热点。
5、为了解决上述问题，本发明提供了一种基于钛金属表面激光打标着色的颜色调控方法，该方法通过控制脉冲激光的能量输出以及激光单脉冲光斑面积区域内水平、竖直方向上的光斑重叠量，使得激光作用在钛金属板表面并使之形成具有一定深度和精细程度的微纳结构并获得材料着色；然后采用多次打标的方式就能够实现所获得的颜色之间的精准转移控制，实现了钛金属板表面的激光打标着色以及其颜色之间的精确有效调控。本发明的激光打标着色的材料为钛金属板，打标着色的颜色丰富、鲜艳且具有很好的耐磨性能；着色后的材料表面形成了氧化层和微观结构，当光照射在材料表面时会发生系列薄膜干涉及光衍射等现象；同时着色层与基材之间结合紧密，着色兼有很好的硬度、耐磨性、耐腐蚀性能，有效防止了氧化、腐蚀等对材料表面的侵蚀、破坏，材料着色的使用寿命长。本发明提供了激光能量主动控制和多次打标颜色精确调控的方法，实现了材料打标着色的诸多颜色之间的精确任意调控，解决了金属材料表面激光打标所存在的颜色质量不佳、颜色数量和种类不理性以及颜色的精确可控性问题，在防伪、装饰、艺术创作、标记、激光等领域及相关领域具有很好的应用潜力和价值。
技术实现思路
1、本发明的目的是为了克服现有的激光打标着色技术缺乏颜色精确调控的方法以及其所存在的颜色质量不佳、颜色数量和种类偏少等的缺陷，而提出了一种基于钛金属表面激光打标着色的颜色调控方法。该方法是基于钛金属板的激光打标着色，打标着色的颜色丰富、鲜艳且具有很好的耐磨性能；采用能量控制和多次打标的方式实现了打标着色颜色之间的精确有效调控，解决了打标着色存在的颜色掺杂、颜色不纯、颜色种类和数量不足以及颜色之间的精确有效调控的问题，在激光标记、激光着色、艺术绘画、装饰和防伪等领域应用广泛。
2、为了实现上述目的，本发明提供了一种技术方案，一种基于钛金属表面激光打标着色的颜色调控方法，其特征在于，所述的方法是通过控制激光的能量输出进行颜色调控的，该方法包括以下步骤：
3、步骤1：准备厚度为d的钛金属板a，并对其表面进行清洗处理，去除材料表面的灰尘及其他附着物；
4、步骤2：利用脉冲激光通过调控其输出的能量对步骤1所述金属板a的表面进行第一次激光打标处理，由此获得金属板a所能够实现的基本色mi，i∈[1，m]，m为整数；所述的激光打标处理，是通过控制脉冲激光的输出能量e实现的，其中的es＝p/f为激光单脉冲输出能量，mx＝dmf/v为激光单脉冲光斑面积区域内水平方向上的重叠量，my＝dm/dy为激光单脉冲光斑点在竖直方向的光斑重叠量，dm为激光光斑点的直径，f为脉冲激光的重复频率，v为脉冲激光的扫描速度，p为激光的输出功率，dy为脉冲激光的扫描间隔；
5、步骤3：对于步骤2所述的基本色mi，i∈[1，m]，内的任意两个基本色，称之为颜色ma和颜色mb，获得其的激光输出能量分别为ea和eb且ea≠eb，然后利用关系式
6、
7、进行多次打标就能够实现由颜色ma到mb的颜色精确调控，ee1、ee2、ee3是利用脉冲激光进行多次打标时的激光输出的总能量，n∈[2，1000]为多次打标的次数；所述的多次打标是采用所述脉冲激光实现颜色着色的n次能量输出，每次能量输出均在钛金属板表面独立完成一次颜色着色处理并且相邻两次打标留有散热时间t，t∈[30s，2min]；所述ee1的适用情况为dyn≤dmn、dy(n-1)≤dm(n-1)以及dy(n-1)≥dm(n-1)、dyn≤dmn，所述ee2的适用情况为dy(n-1)≤dm(n-1)、dyn≥dmn，所述ee3的适用情况为dy(n-1)≥dm(n-1)、dyn≥dmn；其中的mxn＝dmnfn/vn、myn＝dmn/dyn分别为第n次打标时的激光单脉冲光斑点在水平、垂直方向上的光斑重叠量，esi＝pi/fi为第i次打标时的激光单脉冲输出能量，pi和fi分别为第i次打标时的激光输出功率和脉冲激光重复频率；dmn、dm(n-1)、dmi分别为第n次、第n-1次、第i次打标时的激光光斑直径，fn、fn-1、fi分别为第n次、第n-1次、第i次打标时的激光输出频率，vn、vn-1、vi分别为第n次、第n-1次、第i次打标时的激光扫描速度，dyn、dy(n-1)、dyi分别为第n次、第n-1次、第i次打标时的激光扫描间隔，dyc＝min(dy(n-1)，dyn)为相邻两次打标的较小激光扫描间隔，dyd＝max(dy(n-1)，dyn)相邻两次打标的较大激光扫描间隔，dyc/dyd表示相邻两次打标生成的重叠激光光斑点占总光斑点的比例；e1为多次打标生成的重叠激光光斑点的总能量，e2myn为多次打标生成的未重叠激光光斑点的总能量。
8、进一步的，所述的一种基于钛金属表面激光打标着色的颜色调控方法，其特征在于，步骤1所述的钛金属板为纯钛金属板、钛合金板等，包括工业纯钛ta1、ta2、ta3和a型钛合金ta4、ta5、ta6、ta7、ta8以及α+β型钛合金tc1、tc2、tc3、tc4、tc6、tc7、tc9、tc10等；步骤1所述金属板a的厚度d为d∈[0.5mm，10cm]，优选的d为d∈[1.0mm，1cm]；步骤1所述清洗处理是采用去离子水、酒精、浓度为的1％-3％的盐酸、浓度为的1％-3％的氢氧化钠溶液、丙酮等清洗剂实现的；步骤2所述的脉冲激光的中心波长为1062nm、1064nm、1053nm、905nm、532nm；步骤2所述的输出能量e为e∈[0.1kj/cm2，60kj/cm2]，优选的e为e∈[0.15kj/cm2，56kj/cm2]；步骤2所述的p、f、dm、v、dy为p∈[1w，50w]、f∈[5khz，200khz]、dm∈[10μm，5cm]、v∈[1mm/s，10000mm/s]、dy∈[0.01mm，10cm]，优选的p∈[9w，40w]、f∈[20khz，100khz]、dm∈[30μm，100μm]、v∈[50mm/s，3000mm/s]、dy∈[0.03mm，0.5mm]；
9、进一步的，所述的一种基于钛金属表面激光打标着色的颜色调控方法，其特征在于，步骤3所述的pi、fi、dmi、vi、dyi，i∈[1，n]，为pi∈[3w，50w]、fi∈[10khz，200khz]、dmi∈[10μm，1cm]、vi∈[1mm/s，3000mm/s]、dyi∈[0.01mm，1cm]，优选的pi∈[9w，40w]、fi∈[20khz，100khz]、dmi∈[30μm，100μm]、vi∈[50mm/s，3000mm/s]、dyi∈[0.03mm，0.5mm]；步骤3所述的n，优选的，为n∈[2，10]。
10、进一步的，所述的一种基于钛金属表面激光打标着色的颜色调控方法，其特征在于，步骤2所述的m＝14，根据所述脉冲激光的能量由大到小的输出所获得的m种基本色mi，i∈[1，m]，分别为黑色、灰色、棕黄色、绿色、青色、蓝色、紫色、紫红色、粉色、红色、橙色、棕色、黄色、银白色，所使用的脉冲激光的总输出能量ei，i∈[1，m]，分别为[41kj/cm2，60kj/cm2]、[27.68kj/cm2，41kj/cm2]、[24.64kj/cm2，27.68kj/cm2]、[24kj/cm2，24.64kj/cm2]、[22.88kj/cm2，24kj/cm2]、[16.62kj/cm2，22.88kj/cm2]、[11.52kj/cm2，16.62kj/cm2]、[11.2kj/cm2，11.52kj/cm2]、[10.88kj/cm2，11.2kj/cm2]、[9.92kj/cm2，10.88kj/cm2]、[7.2kj/cm2，9.92kj/cm2]、[5.12kj/cm2，7.2kj/cm2]、[1.12kj/cm2，5.12kj/cm2]、[0.1kj/cm2，1.12kj/cm2]，优选的分别为[45kj/cm2，56kj/cm2]、[29kj/cm2，38.2kj/cm2]、[25.2kj/cm2，26.8kj/cm2]、[24.23kj/cm2，24.6kj/cm2]、[23kj/cm2，23.88kj/cm2]、[19.52kj/cm2，21.88kj/cm2]、[13.62kj/cm2，16.62kj/cm2]、[11.3kj/cm2，11.48kj/cm2]、[11kj/cm2，11.15kj/cm2]、[9.92kj/cm2，10.84kj/cm2]、[7.34kj/cm2，9.62kj/cm2]、[5.42kj/cm2，7.18kj/cm2]、[1.34kj/cm2，5kj/cm2]、[0.62kj/cm2，1.08kj/cm2].
11、进一步的，所述的一种基于钛金属表面激光打标着色的颜色调控方法，其特征在于，步骤3所述的由颜色ma到mb的颜色精确调控，是首先利用所述关系式ee1、ee2、ee3计算获得所述颜色mb所需要的脉冲激光的总输出能量ee，然后采用所述n次打标的方式分别输出能量eei，i∈[1，n]，所述的颜色调控方法，通过调控每次激光打标的相关参数来实现脉冲激光当次打标的能量输出，所述相关参数为所述关系式ee1、ee2、ee3中的所有参数；通过合理的设计调控所述脉冲激光的每次打标参数，利用所述的方法就能够通过脉冲激光的每次打标的输出能量来预估多次激光打标的钛金属板表面的颜色变化，实现钛金属板表面的一种颜色向另一种颜色的精确转变调控，解决了所述钛金属板表面的颜色着色以及颜色调控的系列问题；步骤2所述的能量e、步骤3所述的关系式ee1、ee2、ee3能够用于多种波长的脉冲激光打标，所给出的脉冲激光参数、激光打标参数以及脉冲激光的每次打标的能量范围能够用于市面可售的钛金属板的表面着色以及颜色调控，实现了钛金属板表面的颜色之间的精确转化调控；所述的颜色调控方法，通过调控脉冲激光的总输出能量来实现钛金属表面的着色以及颜色调控，有效解决了钛金属板在较多打标次数时的表面温度过高而致使金属板材变形、影响颜色质量的问题，所得到的颜色质量好、颜色鲜艳并且适用范围广。
12、本发明提供的基于钛金属表面激光打标着色的颜色调控方法，还具有下列特点：
13、1.本发明提供的颜色调控方法，通过数学公式计算脉冲激光的能量输出，依据所计算的能量输出值来预估钛金属表面颜色的变化，用之能够实现钛金属板表面某种颜色向另一种颜色的精确调控转变，其应用范围广。
14、2.本发明的脉冲激光能量输出值ee若与钛金属材料表面的烧蚀临界脉冲激光能量值ee0相等，则在进行激光打标时，只有当输出值ee大于临界值ee0时才会在钛金属表面产生微结构并产生着色。
15、3.本发明提出了能量关系式ee1、ee2、ee3，在使用时需要根据原先色块、目标色块的能量值范围的差值来预估需要进行多次打标的次数n，n≥2，再依据激光扫描间隔的变化情况选择相应的关系式进行多次打标并计算每次脉冲激光的输出能量，最终实现钛金属板表面颜色之间的相互转化，达到颜色精确调控的目标。
16、4.本发明所提供的能量叠加计算关系式ee1、ee2、ee3在使用时需要注意相邻两次打标时的脉冲激光扫描间隔值的变化，依据扫描间隔的变化情况选择合适的能量计算公式依次进行脉冲激光能量值的计算，即可在保证激光打标颜色质量优良的情况下，实现某一颜色向目标颜色的转变。
17、5.本发明所述的颜色调控方法可以运用于艺术绘画作品的复刻；利用关系式判断现有色块与目标色块的能量值差异，预估需要打标的次数n，n≥2；然后设定好n次打标时各次的脉冲激光参数，使得原先的颜色m1转化成目标颜色m2；利用颜色叠加的方法减轻了其中频繁抠取单一颜色区域的工作量，并可以得到色彩更加鲜艳的复刻画作。
18、6.本发明所述的当所设定的脉冲激光的扫描间隔dm≤30μm时，在进行激光打标时会在纯钛金属板表面产生较高的温度，而较高的温度会使得纯钛金属板弯曲变形，影响所产生的颜色的质量；为了很好的解决这一问题，可适当的调大脉冲激光的扫描间隔值，即dm≥30μm，并在相邻两次打标时留有间隔时间，以保证打标时所产生的热量可以很好的扩散至空气当中。
19、7.本发明所述的钛金属板为市面销售的板材，该板材使用前可以用去离子水等进行清洁，以保证激光打标着色的颜色质量；所述的颜色调控方法在结构显色、防伪、装饰、激光标记、激光着色等方面具有很好的等应用潜力和价值。
1.一种基于钛金属表面激光打标着色的颜色调控方法，其特征在于，所述的方法是通过控制激光的能量输出进行颜色调控的，该方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于钛金属表面激光打标着色的颜色调控方法，其特征在于，步骤1所述的钛金属板为纯钛金属板、钛合金板等，包括工业纯钛ta1、ta2、ta3和a型钛合金ta4、ta5、ta6、ta7、ta8以及α+β型钛合金tc1、tc2、tc3、tc4、tc6、tc7、tc9、tc10等；步骤1所述金属板a的厚度d为d∈[0.5mm，10cm]，优选的d为d∈[1.0mm，1cm]；步骤1所述清洗处理是采用去离子水、酒精、浓度为的1％-3％的盐酸、浓度为的1％-3％的氢氧化钠溶液、丙酮等清洗剂实现的；步骤2所述的脉冲激光的中心波长为1062nm、1064nm、1053nm、905nm、532nm；步骤2所述的输出能量e为e∈[0.01kj/cm2，4.1kj/cm2]，优选的e为e∈[0.04kj/cm2，4kj/cm2]；步骤2所述的p、f、dm、v、dy为p∈[1w，50w]、f∈[5khz，200khz]、dm∈[10μm，5cm]、v∈[1mm/s，10000mm/s]、dy∈[0.01mm，10cm]，优选的p∈[9w，40w]、f∈[20khz，100khz]、dm∈[30μm，100μm]、v∈[50mm/s，3000mm/s]、dy∈[0.03mm，0.5mm]。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的一种基于钛金属表面激光打标着色的颜色调控方法，其特征在于，步骤3所述的pi、fi、dmi、vi、dyi，i∈[1，n]，为pi∈[3w，50w]、fi∈[10khz，200khz]、dmi∈[10μm，1cm]、vi∈[1mm/s，3000mm/s]、dyi∈[0.01mm，1cm]，优选的pi∈[9w，40w]、fi∈[20khz，100khz]、dmi∈[30μm，100μm]、vi∈[50mm/s，3000mm/s]、dyi∈[0.03mm，0.5mm]；步骤3所述的n，优选的，为n∈[2，10]。
4.根据权利要求1-3所述的一种基于钛金属表面激光打标着色的颜色调控方法，其特征在于，步骤2所述的m＝14，根据所述脉冲激光的能量由大到小的输出所获得的m种基本色mi，i∈[1，m]，分别为黑色、灰色、棕黄色、绿色、青色、蓝色、紫色、紫红色、粉色、红色、橙色、棕色、黄色、银白色，所使用的脉冲激光的总输出能量ei，i∈[1，m]，分别为[41kj/cm2，60kj/cm2]、[27.68kj/cm2，41kj/cm2]、[24.64kj/cm2，27.68kj/cm2]、[24kj/cm2，24.64kj/cm2]、[22.88kj/cm2，24kj/cm2]、[16.62kj/cm2，22.88kj/cm2]、[11.52kj/cm2，16.62kj/cm2]、[11.2kj/cm2，11.52kj/cm2]、[10.88kj/cm2，11.2kj/cm2]、[9.92kj/cm2，10.88kj/cm2]、[7.2kj/cm2，9.92kj/cm2]、[5.12kj/cm2，7.2kj/cm2]、[1.12kj/cm2，5.12kj/cm2]、[0.1kj/cm2，1.12kj/cm2]，优选的分别为[45kj/cm2，56kj/cm2]、[29kj/cm2，38.2kj/cm2]、[25.2kj/cm2，26.8kj/cm2]、[24.23kj/cm2，24.6kj/cm2]、[23kj/cm2，23.88kj/cm2]、[19.52kj/cm2，21.88kj/cm2]、[13.62kj/cm2，16.62kj/cm2]、[11.3kj/cm2，11.48kj/cm2]、[11kj/cm2，11.15kj/cm2]、[9.92kj/cm2，10.84kj/cm2]、[7.34kj/cm2，9.62kj/cm2]、[5.42kj/cm2，7.18kj/cm2]、[1.34kj/cm2，5kj/cm2]、[0.62kj/cm2，1.08kj/cm2]。
5.根据权利要求1-4所述的一种基于钛金属表面激光打标着色的颜色调控方法，其特征在于，步骤3所述的由颜色ma到mb的颜色精确调控，是首先利用所述关系式ee1、ee2、ee3计算获得所述颜色mb所需要的脉冲激光的总输出能量ee，然后采用所述n次打标的方式分别输出能量eei，i∈[1，n]，实现的；所述的颜色调控方法，通过调控每次激光打标的相关参数来实现脉冲激光当次打标的能量输出，所述相关参数为所述关系式ee1、ee2、ee3中的所有参数；通过合理的设计调控所述脉冲激光的每次打标参数，利用所述的方法就能够通过脉冲激光的每次打标的输出能量来预估多次激光打标的钛金属板表面的颜色变化，实现钛金属板表面的一种颜色向另一种颜色的精确转变调控，解决了所述钛金属板表面的颜色着色以及颜色调控的系列问题；步骤2所述的能量e、步骤3所述的关系式ee1、ee2、ee3能够用于多种波长的脉冲激光打标，所给出的脉冲激光参数、激光打标参数以及脉冲激光的每次打标的能量范围能够用于市面可售的钛金属板的表面着色以及颜色调控，实现了钛金属板表面的颜色之间的精确转化调控；所述的颜色调控方法，通过调控脉冲激光的总输出能量来实现钛金属表面的着色以及颜色调控，有效解决了钛金属板在较多打标次数时的表面温度过高而致使金属板材变形、影响颜色质量的问题，所得到的颜色质量好、颜色鲜艳并且适用范围广。
