[发明专利]一种基于飞秒激光制备的可变防伪计算机全息图

权利要求书

1.一种基于飞秒激光制备的可变防伪计算机全息图，其特征在于：该防伪计算机全息图是通过飞秒激光在包装材料，即热收缩膜上加工由两个光学图案对应的计算机生成全息图组合而成的全息图，所加工的全息图由三种尺寸的微坑结构构成；由于飞秒激光加工会造成微坑结构表面的氧化和脱氢，使微坑结构的透光性下降，从而形成振幅调制；通过对加工样品进行加热，使热收缩膜发生横向尺寸收缩，控制加热温度使全息图上最小尺寸的微坑结构收缩至对入射光的透过率不产生影响，而大尺寸的微坑结构收缩后还能降低入射光的透过率，最终使得全息图的信息发生改变，在入射激光的照射下只剩下一个光学图案，从而改变成像内容，实现可变全息防伪的功能，并提高仿制难度；

制备所述基于飞秒激光制备的可变防伪计算机全息图的方法，具体步骤如下：

步骤一、选定两个图案，计算两个图案对应的二值振幅全息图矩阵CGH_多和CGH_少；两个全息图矩阵均由M×M个元素构成，每个元素即是一个像素，元素取值为0或1；选定控制因子c，其取值范围为0c1，定义CGH_多对应的全息成像包含的光点数目较多，CGH_少对应的全息成像包含的光点数目较少；两个全息图矩阵进行加权叠加，获得组合全息图矩阵CGH₀：CGH₀＝CGH_多+c×CGH_少，其元素取值范围为{0，c，1，c+1}；定义矩阵CGH₀归一化的元素为a，其取值范围为{0，c/(c+1)，1/(c+1)，1}，为全息图上像素点透过率的相对降低值；

步骤二、根据步骤一得到的CGH₀的归一化元素a的取值范围，定义0对应空白区域，即无微坑结构的像素点，c/(c+1)对应最小尺寸微坑结构d_min对透过率的相对降低值，1/(c+1)对应中等尺寸微坑结构d_med对透过率的相对降低值，1对应大尺寸微坑结构d_max对透过率的相对降低值；首先需确定加工三种尺寸微坑结构对应的激光能量；全息图上微坑结构对像素点透过率的降低量为：

其中，Tr₀为热收缩膜自身的透过率，Tr_m为微坑区域透过率，l为像素点尺寸，d为微坑的直径；为简化计算，定义Tr_m≈0，同时将ΔTr相对于Tr₀进行归一化处理，得到透过率的相对降低值为：

根据飞秒激光加工材料的加工阈值测算公式：

d²＝2ω²ln E-2ω²ln E_th (3)

其中ω为激光强度降低至峰值强度1/e²处的半径，E_th为加工阈值，这两个参数在实际加工中通过外延法测得，而E为飞秒激光能量；对于透过率相对降低值c/(c+1)和1/(c+1)，将透过率的相对降低值带入公式(2)中，联立公式(3)求出对应微坑结构的尺寸d_min和d_med，以及对应的激光能量E_min和E_med；对于透过率相对降低值1，由于激光加工的微坑结构入口为圆形，无法填满方形的像素点，定义当微坑直径等于像素点尺寸时，像素点的透过率为0，透过率相对降低值1；所以最大微坑直径d_max＝l，由公式(3)确定对应激光能量E_max；

根据上述计算的三种激光能量，利用飞秒激光在热收缩膜上加工由三种尺寸微坑结构构成的全息图；由于与未加工区域相比，微坑结构被改性，发生脱氢和氧化，降低了对入射光的透过率，从而形成振幅调制，在连续激光的照射下，此时在全息图的后方将形成步骤一中选定的两个图案的组合全息成像；

步骤三、将加工有全息图的热收缩膜样品加热至热收缩膜的玻璃化温度以上，使热收缩膜及其表面加工的微坑结构发生收缩；升高加热温度，并保温一段时间，使最小尺寸的微坑结构收缩至无法对入射光透过率形成调制，而剩下的两种尺寸较大的微坑结构依然能够降低入射光的透过率；由于最小尺寸的微坑结构对应的是CGH₀中的c元素，所记录的信息是全息图矩阵CGH_少的信息；因此全息图矩阵CGH_少由于信息的丢失，加热后的全息图只呈现全息图矩阵CGH_多所对应的图案，从而实现全息图成像信息的转变，达到可变防伪的目的；

步骤二的具体实现方式为：

1)、将矩阵CGH₀按顺序拆分成N²个子单元矩阵，每个子单元矩阵由个元素构成；将子单元矩阵构成的图案作为空间整形飞秒激光加工中的目标整形光场，该目标整形光场为4阶多焦点光场；根据计算的激光能量的取值，每个整形光场内焦点的强度比为0:(E_min/E_max):(E_med/E_max):1；计算N²个目标整形光场的相位图；

2)、利用空间整形飞秒激光多焦点光场在热收缩膜上制备全息图；将步骤1)中得到相位图载入相位型液晶空间光调制器，利用空间光调制器将飞秒激光整形成多光焦点光场，聚焦到热收缩膜材料表面，加工出由微坑结构组成的阵列；待一个阵列加工结束后，切换加载的相位图，加工下一个多焦点光场对应的微坑阵列；按顺序加工N²个微坑阵列，所述微坑阵列最终组成所需制备的全息图；

步骤一中控制因子c的选取与两个图案对应的全息成像光点的平均能量的比值有关；由于在相同能量的激光辐照下，光点个数少的全息成像对应单个光点的光强较高，为了使组合全息成像的光点能量一致，c加权于光点较少图案所对应的CGH；两个图案的光点个数比值为k，其取值范围为0k1，控制因子c取值在附近选取，保证组合全息图成像光点能量的均匀性；同时，步骤三中热收缩膜的加热温度和保温时间与具体所使用的热收缩膜的玻璃化温度和材料本身特性有关，要根据全息图的实际收缩效果进行选取；根据公式(2)可知，随着d的减小，像素点透过率的相对降低值ΔTr/Tr₀会减小；在加热过程中，微坑直径d是关于加热温度T和保温时间t的函数，即d(T,t)；因此在全息图的加热收缩过程中，需要根据热收缩膜特性选取加热温度T和保温时间t，使最小尺寸的微坑收缩后直径d_min(T,t)≈0，对入射激光的透过率的降低量降至最低，即ΔTr/Tr₀≈0，此时所在像素点的透过率Tr≈Tr₀。