Учёные Дальневосточного федерального университета (ДВФУ) совместно с коллегами из Харбинского технологического института (HIT) разработали способ нанесения на сталь цветных меток с помощью лазера, управляемого нейросетью. В отличие от обычного покрытия, такая метка формируется непосредственно в структуре поверхности металла в виде нано-бороздок и её нельзя стереть.
Технология позволяет наносить на нержавеющую сталь изображения разных цветов за счёт дифракции света. Иначе говоря, лазер формирует на поверхности настолько мелкий регулярный рисунок, что металл начинает по-разному расщеплять свет и приобретает нужный оттенок.
При многократных импульсах лазера гладкая поверхность покрывается множеством одинаковых нано-бороздок. Расстояние между ними определяет длину волны и, соответственно, цвет. А их наклон задаёт направление и интенсивность дифракции.
Главная сложность в том, что одновременно точно управлять расстоянием между бороздками и их наклоном долгое время не удавалось. Эти параметры зависят от угла, под которым лазер падает на металл, и от его поляризации. Любая ошибка могла вместо яркого рисунка дать лишь тусклую рябь.
Для решения проблемы учёные собрали многокоординатную лазерную установку с пятью осями движения. Она позволяет менять угол падения луча от минус 30°C до плюс 30°C, а угол поляризации — от 0° до 180°. Однако даже этого оказалось недостаточно для нужной точности из-за побочных оптических эффектов.
Тогда исследователи подключили две нейросети. Первая оптимизировала основные параметры лазерной обработки: энергию импульса, количество импульсов и шаг между линиями сканирования. Это позволило получать более ровные бороздки.
Вторую нейросеть обучили на 130 экспериментальных наборах данных. Она установила связь между углом падения и поляризацией лазера, с одной стороны, и получающимися периодом и ориентацией наноструктур — с другой.
В результате разброс ориентации бороздок удалось снизить до 6,5 градуса. При случайном подборе параметров он в среднем составлял 47 градусов, из-за чего цвета получались тусклыми.
Разработку проверили на практике
Учёные создали на стали многоцветное изображение в виде завитка из пяти цветных областей. Для каждой зоны нейросеть рассчитала необходимые углы.
Электронная микроскопия подтвердила точность результата: период структуры отличался от расчётного не более чем на 20 нм, а ориентация — на 0,6 градуса. Получившиеся цвета почти совпали с запланированными.
По словам сотрудника ДВФУ и ИАПУ ДВО РАН Александра Кучмижака, такой подход можно применять не только к нержавеющей стали, но и к другим металлам и полупроводникам. Пятиосевая схема в будущем также позволит создавать подобные структуры не только на плоских поверхностях, но и на деталях сложной формы.
Технологию предлагают использовать для защитных голографических меток, оптических элементов и биосовместимых поверхностей. Результаты исследования опубликованы в журнале ACS Applied Materials & Interfaces.