涂覆方法技术

本发明专利技术的主题是基于激光烧蚀的涂覆方法，其中基体和要烧蚀的靶之间距离非常小。短的距离允许甚至以工业规模、也优选在低真空或甚至非真空气氛下涂覆基体。本发明专利技术优选涉及所有大尺寸物体或具有变化形状的物体的最理想的涂层。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术的主题是基于激光烧蚀的，其中基体和要烧蚀的 靶之间距离非常小。短的距离允许甚至以工业规模、也优选在低真空 或甚至非真空压力下涂覆基体。现有技术近年来在激光技术方面已经取得了显著进步，目前能够生产基于 半导体纤维的激光系统，以相当好的效率进行操作，并能例如用于冷 烧蚀。用于冷加工的这种激光包括皮秒激光和飞秒激光。就皮秒激光而言，例如，术语冷加工范围指的是脉冲持续时间100皮秒或更短。除了具有不同的脉冲持续时间外，就重复频率而言，皮秒激光不同于飞秒激光；最新的皮秒激光具有1-4兆赫的重复频率，而飞秒激光只 能获得千赫兹范围的重复频率。最多，冷烧蚀允许蒸发材料，使得当 蒸发(烧蚀)材料时，没有热传递到实际可蒸发的材料；换句话说，仅 有通过每个脉冲进行烧蚀的材料承受脉沖能量。与完全基于纤维、二极管泵浦的半导体激光相当的是灯泵浦的激 光源，其中激光束首先被引入纤维，并由此传导到要加工的位置。根 据申请人在优先权日可获得的信息，这些基于纤维的激光系统是目前 以工业规模进行基于激光烧蚀的生产的仅有方法。在目前纤维激光器中使用的纤维及由此获得的低辐射功率对能进行蒸发的材料范围具有限制。铝能使用适中的脉冲功率进行蒸发，而 不容易蒸发的材料例如铜、鴒等需要显著更高的脉沖功率。现有技术的另一问题是激光束的扫描宽度。通常使用的方法使用 反射镜薄膜扫描器(mirror film scanner)进行线性扫描；能认为这 理论上允许约70mm的标称扫描线宽，但实际上，扫描宽度仅限于30咖，这意味着扫描区域的边缘可具有不均匀的质量和/或与中间区域不同。 这种小的扫描宽度也意味着通过使用目前激光设备对大的宽的物体进 行工业规模的涂覆应用在经济上或技术上是不可行的。据申请人已知的，用于冷烧蚀并在本申请优先权日时已知的脉冲激光器设备在烧蚀时的有效功率仅限于约10瓦。在这种情况下，重复 频率仅限于4兆赫激光脉冲频率。如果试图进一步提高脉冲频率，根 据现有技术的扫描器会引起显著部分的激光束脉冲不仅不受控地照射 到激光设备的壁结构，而且不受控地照射到等离子体形式的烧蚀材料 上。这具有降低由烧蚀材料形成的面层(surface)质量并降低生产率的 净效应，以及命中靼的辐射通量变化过大的效应，这在形成的等离子 体结构上可能是明显的，并导致不均匀的涂覆面层。当要形成的等离 子体材料羽辉的尺寸增加时，问题更为显著。根据现有技术的结构，在与被蒸发材料相关的烧蚀过程中激光束 焦点的变化也引起问题，其将自然立即改变等离子体的质量，因为材 料表面上的脉冲能量密度(通常)降低，导致等离子体的不完全蒸发/ 形成。这导致低能量的等离子体和不必要的大量碎片/颗粒、及面层形 貌变化、差的涂层附着和/或涂层厚度变化。近年来激光技术的显著发展已经生产出用于高功率激光系统、基 于半导体纤维的工具，从而支持基于冷烧蚀的方法的改进。然而，常规纤维激光器的纤维并不允许使用大功率，脉冲形式的 激光辐射的足够的有效功率通过光学纤维输送到加工区域。由于光学 纤维的吸收，会引起对加工区域应用所需功率水平的损耗，常规纤维 材料并不能承受这种损耗。使用纤维技术从源到靶输送激光辐射的一 个原因是即使在室外输送单束光束也对工业环境中的工作人员构成一 定危险，如果能够进行大规模操作，这在技术上非常具有挑战性。在本申请优先权日的时候，完全基于纤维、二极管泵浦的半导体 激光器与灯泵浦激光相当，在两种类型中，激光束首先被引入到纤维， 并由此在加工区域聚焦。仅这些纤维激光器系统适于工业规模的激光 烧蚀应用。目前可获得的纤维激光器中的纤维并由此产生的低辐射功率的限 制，限制了将纤维材料用于蒸发/烧蚀靶材料。能够使用低能量脉沖蒸 发/烧蚀铝材料，而不容易蒸发/烧蚀的材料例如铜、钨等需要显著更 高的脉沖功率。对于意欲使用相同现有技术生产新化合物的情况也是 如此。提及的实例包括在后烧蚀条件下通过适合的气相反应直接从碳 生产金刚石或直接从铝和氧生产氧化铝。另一方面，阻碍本领域进步的一个最重要的障碍是纤维承受高功 率激光脉冲而不断裂或不引起激光束质量恶化的能力。通过使用新的冷烧蚀技术，通过集中提高激光功率和减少激光束 击中靶面的光斑尺寸已经解决了与涂层、薄膜生产以及切割/刻痕/刻 蚀等有关的质量及生产能力问题。然而，大量功率浪费在噪声上。质 量和生产能力问题仍然没有解决，即使一些激光厂商成功解决了与激 光功率有关的问题。涂层/薄膜和切割/刻痕/刻蚀等的典型实例仅能以 低的重复频率、小的扫描宽度和长的操作时间进行生产，这对于工业 规模的应用是无法使用的。对于大的物体尤其如此。由于脉冲的能含量，当增加脉冲功率并且同时缩短脉冲持续时间 时问题更为严重。甚至使用纳秒脉冲激光时也会遇到严重问题，即使 它们不适于冷烧蚀技术。缩短脉冲持续时间到皮秒或阿秒范围使得问题几乎不可能克服。例如，在具有脉冲持续时间10-15ps的皮秒激光系统中，当激光总功 率为IOOW、重复频率为20MHz时，对于10-30pm的光斑，脉冲能量必须是5pJ。据作者了解在本申请优先权日时，并不具有能够承受这 种脉冲功率的纤维。脉冲越短，每单位时间内通过纤维横截面的能量越大。在上述脉 冲持续时间和激光功率的条件下，单个脉冲的振幅水平可相应于约 400kW的功率。在本申请优先权日前根据作者的全部所知，生产能承 受甚至200kW并允许15ps持续时间的脉沖通过而不从最佳脉冲波形失 真的纤维是不可能的。如果目的是避免限制从任何可获得的材料产生等离子体的可能性，那么必须能够自由选择脉冲功率，例如在M0kW-80MW范围。限制 目前纤维激光器的问题并不单独由于纤维，也与当针对某一总功率时 使用光连接器相互连接单个二极管泵浦激光有关。这种接合的 (combined )光束使用常规技术在单根纤维中导入到加工位置。因此，当使用输送路线将高功率脉冲输送到加工位置时，光连接 器应该能够承受至少与纤维本身承受的相同的功率。尽管使用常规功 率水平，适合的光连接器的制备非常昂贵，并且它们的操作并不可靠。 它们也在使用过程中磨损， 一定时间间隔后必须替换。生产速度直接与重复频率成正比。另一方面，现有技术的反射镜 薄膜扫描器(即电流(galvano)扫描器或其它类似的摆动型扫描器) 具有在转向位置停止、加速和减速反射镜甚至停止一段时间的操作周 期，会导致某些问题，影响这种反射镜用于扫描目的的使用，对扫描 宽度具有特别的影响。如果尝试通过增加重复频率放大输出率，加速 和减速阶段均将导致靶上窄的扫描区域或者不均匀的辐射分布，因此 也导致等离子体的不均匀分布，因为辐射通过进行减速和/或加速的反 射镜从而击中靶。如果尝试简单通过增加脉沖重复频率增加涂层/薄膜生产速度，上 述现有技术的扫描器将以不受控的方式将脉冲射向乾上的重叠位置， 即使在使用低脉冲频率kHz范围时。当应用纳秒范围激光时也具有相同问题，问题甚至更为严重，因 为脉冲能量高和持续时间长。这就是为什么即使纳秒范围的单脉冲也 将在靶材料中引起严重的、显著腐蚀的原因。使用现有技术，靶不仅不均匀地磨损而且也可能容易破碎，从而 对于等离子体的质量具有劣化效应。这就是为什么使用这种技术涂覆 的面层也将承受等离子体导致的问题本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于物体一个表面或多个表面加工和／或涂覆的激光烧蚀方法，特征在于通过使用高质量等离子体对物体进行加工和／或涂覆，基体、要涂覆的物体与靶、通过激光束要烧蚀的材料间的距离为０．１－１０ｍｍ。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：J卢图，R拉帕莱纳恩，V梅里马吉，L普里，J马吉塔罗，
申请(专利权)人：皮科德昂有限公司，
类型：发明
国别省市：FI[芬兰]