制造高质量表面的方法和具有高质量表面的产品技术

本发明专利技术涉及用于涂覆具有一个或多个表面的物体的激光烧蚀方法，以便通过烧蚀靶材来涂覆被涂物体，即基板，从而使淀积在被涂物体上的表面的均匀度为±１００ｎｍ。被涂物体的表面有利的是没有微米尺寸颗粒的，其通常在技术上为纳米表面，其中单个颗粒的尺寸最大为±２５ｎｍ。本发明专利技术还涉及通过所述方法制造的产品。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及用于制造高质量表面的基于激光烧蚀的涂覆方法，以 及具有高质量表面的产品。本专利技术能够经济地制造高质量的表面和具 有高质量表面的产品。本专利技术能够经济地制造用于大量具有不同涂层 材料并因此具有不同特征的不同产品的高质量表面。
技术介绍
例如，近些年激光技术已经显著进步并且现在能够制造可以用于 冷烧蚀的具有不错效率的基于光纤的半导体激光系统。在这些激光器 中，用于冷加工的激光器是皮秒激光器和飞秒激光器。例如在皮秒激光器中，冷加工范围是指脉冲长度为IOO皮秒或更小的脉冲长度。除了脉沖长度之外，皮秒激光器在重复频率方面也不同于飞秒激光器；最新商用的皮秒激光器的重复频率为l-4MHz，而飞秒激光器在测量 的重复频率方面保持在千赫兹。冷烧蚀能够使材料蒸发，充其量使热 量不直接传输到被蒸发(被烧蚀)的材料本身上，也就是说，仅将脉 冲能量引导到被每个脉冲单独地烧蚀的材料上。与基于全光纤的二极管泵浦的半导体激光器竟争的，有灯泵浦激 光源，其中激光束首先被引导到光纤并由此进一步到加工点。根据申 请人在本申请优先权日可得到的信息，这些基于光纤的激光系统在当 时是工业规模中制造关于基于激光烧蚀的产品的唯一途径。当前光纤激光器的光纤以及由此保持为低的束功率在可以被蒸 发的材料方面有所限制。通过中等脉冲功率同样可以蒸发铝，而诸如 铜、鵠等的较难蒸发的材料需要高得多的脉冲功率。现有技术的另一缺陷在于激光束的扫描宽度。通常，在镜面膜扫 描器中采用线性扫描，在理论上能够达到例如约70mm的标称扫描线宽的情况下，当扫描范围的边缘可以在质量上保持不均匀的情况时， 和/或不同于中心区域，实际上扫描宽度在存在问题的情况下或许能够保持在约30mm。因此，小的扫描宽度还在这个意义上实现了将当前 的激光设备应用于工业上无益或技术上不可能的大且宽的物体的涂 覆应用中。如申请人所知的，在本申请的优先权日时，具有已知设备的有效 容量在烧蚀方面保持在约IOW。目前，例如，对于激光器来说，重复 频率被限制在只有4MHz的脉冲频率上。在应当试图将脉沖频率升高 到显著更高的情况下，现有技术的扫描器导致激光束脉冲的相当一部 分一方面被失控地引导到激光装置的壁结构上，而且还被引导到等离 子体形式的被烧蚀物质上，作为实际效果，通过被烧蚀物质淀积的表 面的质量和制造速度都下降，并且击中靶材的辐射流不够均勻，这在 所产生的等离子体的结构中可以看出，此时，当击中被涂覆的表面时 其将形成具有非同质性质量的表面。这个问题在要被处理的等离子体 羽按比例增长时变得更糟。制造速度与脉冲重复频率成正比例。另一方面，对于已知的往复 式镜面膜扫描器来说，动作保持停止。由于除了停止之外，这种类型 的镜面膜扫描器必须在新的减速和停止——且同时改变方向之前减 速并加速；当目的在于通过提高重复频率来提高制造速度时，脉沖频 率的提高将导致靶材中不均匀的脉沖供给，并由此相对于留在停止位 置之间的区域的磨损来说使靶材材料磨损不均匀，特别是在停止位置 附近，即在扫描区域的边缘处。同样，相对于需要均匀质量的涂层的 应用来说，等离子体制造以及由此应当建立的涂层质量也因此而显著 且有害地不均匀。此外，靶材的不均匀磨损在一些情况中会导致颗粒 状碎片的形成，这在加工应用中首先削弱了加工产品的质量，使其变 得粗糙，并且紧靠加工点附近的结构会转向不利的方向。此外，镜面膜扫描器的往复运动产生了惯性力，其变化地承担了 镜面膜扫描器的结构并使紧固装置变松，这意味着该结构经过一定时 间将在一定程度上开始偏移，特别是在其设置的极限处进行保持镜面膜扫描器停止的操作。在这种情况下惯性力实际上还限制了镜面膜扫描器的运动及其操作速度。失速(stalling)的镜面膜扫描器的停止还 限制了操作周期中的区域，在该操作周期中可以认为运动是均匀且适 合于制造烧蚀靶材的等离子体的。即使操作已经相当緩慢，在这种情 况下操作周期在一定程度上是持续不足的，并且只有一部分可以用在 有效容量(capacity)。现在由失速镜面膜扫描器获得的唯一结果就 是明显緩慢地产生等离子体、长时运行和等离子体中的颗粒状散射的 不稳定性以及被涂覆物体涂层质量的不稳定性，其中所述的散射在靶 材和/或被加工物体的表面上都可以看到。靶材表面上的有效扫描线宽 度也明显变短。在现有技术的装置中，还由于烧蚀中间激光束的焦点相对于所蒸 发材料而改变而引起了问题，这直接影响等离子体的质量，这是因为 材料表面上脉冲的能量密度将(通常)减小，由此蒸发/等离子体的产 生不再完整。这导致了低能量的等离子体和大量不必要的碎片/颗粒以 及表面形态的改变，并且可能改变涂层的粘附性和/或涂层厚度。近些年激光器技术的显著改进在于使装置用于高功率激光系统 中，高功率激光系统基于半导体光纤并因此支持基于冷烧蚀的方法的 发展。然而，常规光纤激光器中的光纤不能允许高功率的使用，其中脉 冲状的激光辐射在足够的净功率水平下沿光纤传输到加工点。在加工 点所需的功率水平下，常规光纤不能经受由于吸收而在其中产生的传 输损失。在从源到靶材的激光束传输中使用光纤技术的原因之一在 于，如果不是完全不可能的话，即使单激光束通过自由的空气空间传 播会对工业加工环境中的工人构成显著的安全风险，并且这在工业级别是在技术上的非常大的挑战。在本申请的优先权日时，基于全光纤的二极管泵浦半导体激光器与灯泵浦激光器竟争，在这两种情况中都具有将激光束首先引导到光 纤中并由此进一步引导到加工点靶材的特征。这些基于光纤的激光器 系统是在工业级上带来基于激光烧蚀的产品的唯一途径。当今光纤激光器中的光纤和由此受何种光纤材料的限制的束功 率可以用在靶材材料的蒸发/烧蚀中。铝可以通过低功率脉冲蒸发/烧 蚀，更难蒸发/烧蚀的其他材料，例如铜、钨等，需要明显更高的脉冲 功率。这也应用在致力于通过相同的已知技术制造新化合物的情形 中。在一些实例中，我们提出了在激光烧蚀之后的条件下通过适当的 气相反应，由碳直接制造金刚石，或者由铝和氧直接制造氧化铝。另 一方面，光纤激光器技术进一步发展最突出的障碍之一似乎是 光纤对高功率激光脉冲的抵抗，以便使光纤不会断开并且不损害激光束的质量。当为了解决与涂层质量和涂层制造率问题、薄膜产品以及切割/ 压印/雕刻等相关的问题而应用新的冷烧蚀时，中心方法是尝试并提高 激光功率并且减小乾材表面上激光束的光斑尺寸。然而，很大一部分 功率被噪声损耗了 。即使一些激光的制造商的确解决了与激光效率相 关的问题，然而质量问题和与制造速度相关的问题仍被遗留下来尚未 解决。这两种情况，即涂层/薄膜以及切割/压印/雕刻等的典型样品的 制造只有在低重复频率下才是可能的，并具有窄扫描宽度和长工作时 间，这些特征同样超出了工业可行性，并且这一情况在大物体的情况 中尤其被重视。由于脉冲能含量，当脉沖功率增大而脉冲持续时间同时减少时， 这个问题在观察持续时间较短的激光脉冲时变得更加显著。这些问题 即使在纳米脉冲激光器中也频繁地发生，虽然其并不适用于冷烧蚀方 法。如果脉冲持续时间减小到飞秒或阿秒级即可使问题几乎未解决。例如皮秒激光系统，其中脉冲持续时间为10-15ps，当激光的总能量 为100W且重复频率为20MHz时，10-30nrn的光斑本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于涂覆具有一个或多个表面的物体的激光烧蚀方法，其特征在于通过脉冲冷加工激光器烧蚀靶材来涂覆被涂物体，即基板，以便在通过原子力显微镜（ＡＦＭ）在一平方微米的面积中测量时，淀积在被涂物体上的表面的均匀度为±１００ｎｍ。

【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：R拉帕莱纳恩，V迈利梅基，L普利，J梅基塔洛，
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]