聚合物基底内的衍射结构、其制作和用途的制作方法

技术特征：
1.一种基底薄片，其包括具有总体折射率n的材料，所述基底薄片包含材料中的至少一个由光束整形激光产生的多条离散激光改性轨迹的有序二维阵列，所述光束整形激光具有沿着和/或绕所述基底薄片内延伸的激光传播路径分布的激光光线，各条激光改性轨迹包括具有比其最窄宽度长至少4倍的改性基底薄片材料的细长体，该细长体至少部分延伸经过所述基底薄片的厚度，包括折射率不同于各条激光改性轨迹所源自的所述基底薄片的总体折射率n的所述基底材料的改性形式，其中对于各个二维有序阵列，这些激光改性轨迹共同衍射照射至所述基底薄片的光线，以形成可观察的形状、图像或颜色区域。2.根据权利要求1所述的基底薄片，其中对于各条激光改性轨迹，改性基底材料的细长体比其最窄宽度长至少5倍、优选至少8倍、优选至少10倍、优选至少15倍、更优选至少20倍，并且可选地，所述基底薄片内的所述激光传播路径呈线性、弯曲或螺旋。3.根据权利要求1所述的基底薄片，其中各条激光改性轨迹由飞秒激光产生、诸如各激光脉冲的脉冲持续时间在0.1飞秒至100皮秒范围内的飞秒激光，其中所述飞秒激光光束在其与所述基底相互作用之前或作用时进行光束整形。4.根据权利要求3所述的基底薄片，其中在所述激光束源和所述基底表面之间用透镜或薄片进行所述飞秒激光的所述光束整形。5.根据权利要求4所述的基底薄片，其中在所述激光束源和所述基底之间用二氧化硅薄片进行所述飞秒激光的光束整形。6.根据权利要求1所述的基底薄片，其中对于至少一些激光改性轨迹，改性基底材料的所述细长体位于所述基底薄片内部。7.根据权利要求1所述的基底薄片，其中对于至少一些所述激光改性轨迹，改性基底材料的所述细长体暴露于所述基底薄片的至少一个表面。8.根据权利要求1所述的基底薄片，其中对于至少一些所述激光改性轨迹，所述基底薄片中的改性材料的所述细长体包括所述基底薄片中的孔洞，所述孔洞是通过所述基底薄片的一部分材料的熔融、移位或分解来后处理基底薄片形成的。9.根据权利要求1所述的基底薄片，其具有10-3000微米、优选50-15微米的平均厚度。10.根据权利要求1所述的基底薄片，其中所述基底薄片是聚合物薄片，并且多条离散激光改性轨迹的至少一个有序二维阵列中的每一个都包括所述聚合物薄片的后处理产生的所述聚合物中的激光改性轨迹。11.根据权利要求10所述的基底薄片，其中所述基底薄片包含双向拉伸聚丙烯薄膜、双向拉伸聚酯薄膜、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚丙烯(pp)、聚偏氟乙烯或相关共聚合物诸如聚偏氟乙烯-三氟乙烯、或尼龙-55或66或其它衍生物。12.根据权利要求10所述的基底薄片，其中彼此独立的多条激光改性轨迹在所述聚合物薄片内延伸所述聚合物薄片的相对两表面之间的距离的5％至100％，并且若在所述聚合物薄片附近存在一个或多个附加层，则可选地延伸至所述一个或多个附加层。13.根据权利要求10所述的基底薄片，其中所述聚合物薄片的所述聚合物包括聚合物链，其中，对于至少一些所述激光改性轨迹，改性基底材料的各细长体包括聚合物链，所述聚合物链相对于所述聚合物薄片的未改性材料的那些聚合物链至少部分彼此对齐，使得改性材料包括总体不平行于所述聚合物薄片的表面延伸的多条对齐的聚合物链，从而使所述
改性基底材料具有不同于所述聚合物薄片的所述未改性材料的总体折射率n的折射率。14.根据权利要求13所述的基底薄片，其中所述改性材料包括移位的聚合物链以形成周期的孔洞，使得选定的激光改性轨迹各自包括总体不平行于所述聚合物薄片的所述表面延伸的孔洞，从而使所述轨迹中的每一条具有不同于所述聚合物薄片的所述未改性材料的总体折射率n的折射率。15.根据权利要求13所述的基底薄片，其包括由所述聚合物薄片中改性基底材料的各细长体内的所述聚合物的熔融、移位或分解所产生的、总体不平行于所述聚合物薄片的表面延伸或对齐的聚合物链。16.根据权利要求13所述的基底薄片，其中各激光改性轨迹的改性基底材料的各细长体内的至少一些所述对齐的聚合物链大体垂直于所述聚合物薄片的所述表面延伸或对齐。17.根据权利要求13所述的基底薄片，其中各激光改性轨迹的改性基底材料的各细长体内的至少一些对齐的聚合物链延伸至所述聚合物薄片的一个或两个表面。18.根据权利要求13所述的基底薄片，其中各激光改性轨迹的改性基底材料的各细长体内的至少一些对齐的聚合物链在所述聚合物薄片的所述聚合物内部延伸，但未延伸至所述聚合物薄片的表面。19.根据权利要求13所述的基底薄片，其中所述激光改性轨迹包括所述基底薄片中可选地延伸至所述基底薄片的一个或两个表面的非晶态区域和/或孔洞，其中所述非晶态区域和/或孔洞包括非晶态聚合物、空气、真空、聚合物分解及氧化产物、玻璃态和非晶态碳化合物中的至少一者。20.根据权利要求1所述的基底薄片，其中各条激光改性轨迹的改性基底材料的部分或全部延伸穿过所述基底薄片的各细长体的平均宽度为1-5000纳米。21.根据权利要求1所述的基底薄片，其中一个二维有序阵列包括由具有总体折射率为n的所述基底薄片的未改性材料的材料按0.01至1000微米、优选0.05-10微米、更优选0.1-5微米的平均周期彼此间隔开的多条激光改性轨迹。22.根据权利要求1所述的基底薄片，其中所述基底薄片包括各自含有多条激光改性轨迹的不同部段，其中一个部段内的轨迹与所述基底薄片至少一个其它部段的轨迹相比具有不同的周期、长度或取向，使得当相同或等效的入射光同时照射至不同部段时，不同部段由入射光的衍射所产生的光发射是彼此不同的。23.根据权利要求22所述的基底薄片，所述基底包括像素状区域，这些像素状区域中的至少一些具有彼此不同的衍射性质，所述像素状区域优选宽1-10000微米、更加优选5-100微米。24.根据权利要求23所述的基底薄片，其中所述基底薄片的各像素状区域包括在各像素状区域内具有相同或基本相同的周期的激光改性轨迹，使得各像素状区域在暴露于入射光时提供总体均匀的光学衍射输出。25.根据权利要求23所述的基底薄片，其中各像素状区域包括多个子部段，各子部段包括在各子部段内具有基本一致的周期的多条激光改性轨迹的有序阵列，在任何给定的像素状区域的子部段内延伸的多条轨迹的周期是彼此不同的，使得任何给定的像素状区域的光学衍射输出由该像素状区域的所有子部段的光学衍射输出的组合来确定。26.根据权利要求25所述的基底薄片，其中各像素状区域包括子部段，各子部段在暴露
于入射光时提供选定角度下的红色、绿色和蓝色光学衍射输出，来自任何给定的像素状区域的子部段的红色、绿色和蓝色的相对强度确定所述像素状区域在给定角度下的组合光学衍射输出的颜色。27.根据权利要求22所述的基底薄片，其中所述激光改性轨迹在基底薄片上在一个部段和另一个部段之间在周期、间距、长度和取向的至少一个方面具有渐变，从而在暴露于入射光时横跨器件提供光学衍射输出性质的渐变。28.根据权利要求1所述的基底薄片，其中至少一些激光改性轨迹在相对于所述基底薄片的表面非垂直和/或非线性的路径至少部分延伸经过所述基底薄片的厚度。29.根据权利要求1所述的基底薄片，其中至少一些所述激光改性轨迹在所述基底薄片的厚度内且经过该厚度地相对于彼此以不同深度延伸。30.根据权利要求1所述的基底薄片，其包括两个或更多个离散激光改性轨迹的有序二维阵列，其中多个阵列经过所述基底薄片的厚度而彼此间处于不同深度。31.根据权利要求30所述的基底薄片，其中，当从所述基底薄片的一侧平视观察所述基底薄片时，所述激光改性轨迹的第一阵列至少部分叠置于所述基底薄片中的激光改性轨迹的第二阵列。32.根据权利要求31所述的基底薄片，其中，当所述基底薄片暴露于入射光时，所述第一阵列和第二阵列中的一个的光学衍射输出由所述第一阵列和第二阵列中的另一个进一步衍射。33.根据权利要求31所述的基底薄片，其中，所述第一阵列和所述第二阵列的光学衍射输出在同时观察时呈现干涉或衍射光学效应，诸如利特罗构型或在泰伯自成像平面对齐的光栅层。34.根据权利要求31至33中任一项权利要求所述的基底薄片，其包括在所述基底薄片内以不同深度叠置的阵列的多条激光改性轨迹，这由具有沿延伸穿过所述基底薄片的激光束纵轴线的激光能量分布的单个激光脉冲同时形成，该激光脉冲在所述基底薄片内同时聚焦在不同深度。35.根据权利要求1所述的基底薄片，其还包括部分或全部叠置于所述基底材料的一个或多个附加层，所述一个或多个附加层各自独立选自于聚合物层、反射层、折射层、衍射滤光片、透射滤光片、保护层、外涂层、粘附促进剂层、油墨、光学干涉层和光学干涉叠层。36.将权利要求1至35中任一项所述的基底薄片用作为安全文件的安全特征或用作为安全文件。37.一种安全文件，其包括作为安全特征的权利要求1至35中任一项所述的基底薄片。38.一种用于制作安全文件或安全器件的方法，所述方法包括以下步骤：提供包括基底薄片材料的基底薄片；使用来自诸如为飞秒激光的激光的激光束，在遍布所述基底薄片的平面侧的、对应于二维阵列的多个离散位置处辐射所述基底薄片，同时在所述激光束与所述基底薄片相互作用之前或作用时使其形状改性，以使所述入射激光至少部分地沿着和/或绕在所述基底薄片内延伸的激光传播路径分布；使绕所述激光束纵轴线、对应于各个离散位置的所述基底薄片材料的细长体处或细长体内的基底材料的至少一部分被至少部分地或暂时地熔融、移位或分解，从而在所述基底材料内产生激光改性轨迹的阵列，
各自包括改性基底材料的比其宽度长至少4倍的细长体，所述细长体至少部分延伸经过所述基底薄片的厚度，其中所述基底材料的所述改性形式具有不同于所述未改性基底的总体折射率n的折射率；其中，多条激光改性轨迹的各二维有序阵列共同衍射照射至所述基底薄片的光线，以形成可观察的形状、图像或颜色区域。39.根据权利要求38所述的方法，其中所述激光是具有脉冲持续时间在0.1飞秒至100皮秒范围内的飞秒激光。40.根据权利要求38所述的方法，其中，在辐射所述激光的步骤中，所述激光和所述基底薄片能够相对于彼此移动，以使所述聚合物薄片上的所述离散位置暴露于激光辐射脉冲。41.根据权利要求38所述的方法，其中所述激光束在其与所述基底相互作用之前被分成多条光束，各光束对应于所述基底薄片上的多个离散位置中的一个。42.根据权利要求38所述的方法，其中所述基底薄片同时用多束激光辐射，各束所述激光具有改性的激光束形状或焦点，以产生激光改性轨迹的阵列。43.根据权利要求38所述的方法，其中，使所述激光束的形状或焦点的改性包括使所述激光束在其与所述基底薄片相互作用之前使其通过二氧化硅透镜或板。

技术总结
本发明公开了适于用作文件认证的安全器件的光学器件，其包括在文件基底内延伸的至少一个细长的多条激光改性轨迹的二维阵列，与未改性基底相比，细长的激光改性轨迹具有不同的光学折射率，其可表现出优异的衍射效应。还公开了用于文件认证的此类器件的用途及其制作方法。方法。方法。


技术研发人员：C
受保护的技术使用者：多伦多大学管理委员会
技术研发日：2020.06.25
技术公布日：2022/3/29