[发明专利]涂覆方法

说明书

发明领域

本发明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冲能量。 

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、钨等需要显著更高的脉冲功率。 

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30mm， 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，以及命中靶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。能够使用低能量脉冲蒸发/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冲功率。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。