專(zhuān)利名稱：脈沖激光沉積方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于脈沖激光燒蝕沉積(PLD -脈沖激光沉積)的 方法，并涉及一種針對(duì)為涂層運(yùn)動(dòng)基片，通過(guò)燒蝕運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，生產(chǎn)最優(yōu) 表面質(zhì)量的產(chǎn)品。
背景技術(shù)：
該激光技術(shù)近年來(lái)已取得相當(dāng)大的進(jìn)展，并且目前，基于半導(dǎo)體 纖維的激光系統(tǒng)能夠以尚好的效率生產(chǎn)，例如用于冷燒蝕。這種旨在用 于冷燒蝕的激光器包括皮秒激光器和飛秒激光器。例如，就皮秒激光器 而言，冷燒蝕范圍意味著具有100皮秒或更小周期的脈沖長(zhǎng)度。對(duì)于 其脈沖周期及其重復(fù)頻率，皮秒激光器均與飛秒激光器不同，最新的商 用皮秒激光器具有1-4 MHz范圍的重復(fù)頻率，而飛秒激光器僅以千赫 茲測(cè)量的重復(fù)頻率操作。在最優(yōu)的情況中，冷燒蝕實(shí)現(xiàn)了燒結(jié)材料而且 燒蝕的材料完全不會(huì)承受熱傳遞，換言之，每個(gè)脈沖燒蝕的材料只接受 脈沖能量。除了完全基于纖維的二極管泵浦(diode-pumped)半導(dǎo)體激光器 外，存在競(jìng)爭(zhēng)的燈泵浦(lamp-pumped)激光器源，其中激光束首 先被定向到纖維，并從那里到工作位置。根據(jù)申請(qǐng)人在本發(fā)明優(yōu)先權(quán)日 期前敢信息，這些基于纖維的激光系統(tǒng)目前是提供任何工業(yè)尺寸將基于 激光燒蝕的產(chǎn)品的唯一裝置。目前的纖維激光器的纖維和因此受限的微聚束效應(yīng)致使對(duì)能夠燒 蝕的材料選擇的限制。鋁能夠以如此合理的脈沖效果被燒蝕，而諸如 銅、鎢等的不易燒蝕的材料需要明顯更高的脈沖效應(yīng)。第二現(xiàn)有技術(shù)特征包括激光束的掃描寬度。線性掃描通常用于鏡 面膜掃描器，典型地產(chǎn)生30 mm-70 mm范圍內(nèi)的掃描線寬度。截止本申請(qǐng)的優(yōu)選權(quán)日，就申請(qǐng)人所知，己知的用于冷燒蝕的脈
沖激光設(shè)備的功率僅為10 W級(jí)。在這種情況中，皮秒激光取得約4MHz的脈沖頻率。然而，冷燒蝕用的第二脈沖激光器僅能實(shí)現(xiàn)千赫茲測(cè)量的脈沖頻率，其操作速度低于例如多種切割應(yīng)用中的皮秒激光器的 操作速度。尤其在涂層應(yīng)用中，冷燒蝕激光器的成功使用始終需要高真空值，典型地至少icr6氣壓。氣態(tài)材料的量越大，由自基片燒蝕的材料形成的材料等離子扇(material plasma fan)的質(zhì)量就越弱和越差。采 用充分的真空級(jí)，這種材料等離子扇將具有約30 mm - 70 mm的高 度，參見(jiàn)美國(guó)專(zhuān)利說(shuō)明書(shū)6，372，103。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明涉及一種用于對(duì)由金屬、石頭、玻璃或塑料制成的主體進(jìn)行涂層的方法，其中該主體通過(guò)激光燒蝕涂層，其中主體在從移動(dòng) 目標(biāo)燒蝕的材料等離子扇中移動(dòng)，以產(chǎn)生具有盡可能規(guī)則質(zhì)量的表面。本發(fā)明還涉及已通過(guò)激光燒蝕涂層的由金屬、石頭、玻璃或塑料 制成的主體，其中主體在從移動(dòng)目標(biāo)燒蝕的材料等離子扇中移動(dòng)，以 產(chǎn)生具有盡可能規(guī)則質(zhì)量的表面。本發(fā)明基于驚人的發(fā)現(xiàn)如果將被涂層的物體(基片)在從移動(dòng) 目標(biāo)燒蝕的材料等離子扇中移動(dòng)時(shí)，具有平面或任何三維尺寸設(shè)計(jì)的由 金屬、塑料、石頭或玻璃制成的主體能夠被規(guī)則質(zhì)量地涂層。通過(guò)使用 激光燒蝕，本發(fā)明在這種主體上實(shí)現(xiàn)了 DLC涂層、金屬涂層和金屬氧 化物涂層的沉積。


圖1顯示了在將被燒蝕材料上熱燒蝕和冷燒蝕的效果。圖2顯示了根據(jù)本發(fā)明涂層的多種醫(yī)療儀器。 圖3顯示了根據(jù)本發(fā)明涂層的多種醫(yī)療儀器。 圖4顯示了根據(jù)本發(fā)明涂層的多種光學(xué)產(chǎn)品。 圖5顯示了根據(jù)本發(fā)明生產(chǎn)的材料等離子扇。 圖6顯示了本發(fā)明的涂層方法。圖顯示了將被涂層的主體(基 片)相對(duì)于材料等離子扇(17)的運(yùn)動(dòng)(16)的方向。將被涂層的主體和目標(biāo)(將燒蝕)之間的距離為70 mm，并且激光束在目標(biāo)材料體上 的入射角度是傾斜的。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明涉及一種用于對(duì)由金屬、玻璃或塑料制成的主體涂層的方法，其中該主體通過(guò)激光燒蝕涂層，其中主體在從移動(dòng)目標(biāo)燒蝕的 材料等離子扇中移動(dòng)，以生產(chǎn)盡可能規(guī)則質(zhì)量的表面。在這種上下文范圍內(nèi)，主體代表多種平面和三維結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu) 包括多種金屬產(chǎn)品及其涂層，諸如，屋頂薄鋼板、內(nèi)裝飾和建筑物板、 模具和窗戶框架；廚房洗碗池、水龍頭、烘箱、金屬硬幣、珠寶、工具 及其部件；轎車(chē)和其它車(chē)輛的發(fā)動(dòng)機(jī)和這些發(fā)動(dòng)機(jī)的部件、轎車(chē)和其它 車(chē)輛的金屬鍍和著色金屬涂層；用于船舶、艇和飛機(jī)中的金屬鍍主體， 飛機(jī)渦輪和燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)；軸承；叉、刀和匙；剪刀、鞘刀、旋轉(zhuǎn)刀片、 鋸和所有類(lèi)型的金屬鍍刀具、螺絲和螺母；用于化工中的金屬加工裝 置，諸如金屬鍍反應(yīng)器、泵、蒸餾塔、容器和框架結(jié)構(gòu)；油、汽和化學(xué) 管道和多種閥和控制單元；油鉆探設(shè)備中的部件和刀具；輸水管道；武 器及其部件、子彈和彈殼；易受磨損的金屬噴嘴，諸如造紙機(jī)中易受磨 損的部件，例如，用于應(yīng)用涂層糊的裝置；雪鏟、鍬和運(yùn)動(dòng)場(chǎng)玩具中的 金屬部件；路邊護(hù)攔、交通標(biāo)識(shí)和交通桿；金屬罐和容器；手術(shù)儀器、 人造關(guān)節(jié)和移植物和儀器；易受氧化和其它磨損的電子設(shè)備的金屬部 件、照相機(jī)的金屬部件和玻璃與塑料鏡頭，和飛船，包括其承受摩擦和 強(qiáng)熱的內(nèi)層溶液(liniag solution)。根據(jù)本發(fā)明生產(chǎn)的物品還可包括耐腐蝕化學(xué)化合物的涂層和三 維材料；自清潔表面；和多種透鏡溶液中的深層抗反射表面，例如用于 凈化水、溶液或空氣的UV保護(hù)涂層和UV活性涂層。根據(jù)本發(fā)明，在通過(guò)氧化的最后涂層生產(chǎn)前，通過(guò)加入顏料或著 色劑，石頭材料能夠染上期望的顏色。這種用于著色石頭產(chǎn)品的涂層能 夠通過(guò)根據(jù)本發(fā)明的激光燒蝕生產(chǎn)。通過(guò)燒蝕金屬氧化物或氧化狀態(tài)的 金屬，還可以在石頭材料上生產(chǎn)自清潔二氧化鈦涂層，或例如的強(qiáng)化和 防劃氧化鋁涂層。這產(chǎn)生了耐久的石頭物品，如果期望，其是自清潔并 且甚至具有可調(diào)節(jié)顏色。例如，砂石極易被煤煙弄臟，并且為此原因， 特別地在建筑物前部上使用的砂石上的自清潔涂層具有很大的經(jīng)濟(jì)效 果。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，該石材可以是任何天然的石頭，或也 可以是陶瓷。典型的將被涂層的石料類(lèi)型是正面履層石頭，諸如大理石 和砂石，但本方法也適用于其它石頭類(lèi)型的涂層，諸如花崗巖、片麻 巖、石英巖、粘土巖等。金剛石涂層可防止金屬氧化并且從而其裝飾或其它功能破壞。此 外，金剛石表面保護(hù)下層不受酸和堿影響。本發(fā)明的金剛石涂層不僅保 護(hù)了下層免受機(jī)械磨損，也防止化學(xué)反應(yīng)。該金剛石涂層防止了金屬氧 化，并且從而其裝飾或其它功能的破壞。裝飾金屬鍍?cè)谝恍?yīng)用是期望 的。根據(jù)本發(fā)明的可用作特殊裝飾目的的金屬和金屬化合物包括金； 銀；鉻；鉑；鉭；鈦；銅；鋅；鋁；鐵；鋼；鋅黑；釕黑；鈷；釩；氮 1七,太；氮化鈦鋁(titanium aluminium nitride); TiCN (titanium carbon nitride);氮化鋯；氮化鉻；三元層狀碳化物(titanium silicon carbide);和碳化鉻。這些化合物也自然產(chǎn)生其它屬性，諸如耐磨損涂 層或提供抑制氧化或其它化學(xué)反應(yīng)的罩的涂層。此外，本發(fā)明的一些優(yōu)選實(shí)施例實(shí)現(xiàn)了在各種玻璃和塑料產(chǎn)品 (透鏡、大型顯示器罩、車(chē)輛中的窗玻璃和不動(dòng)產(chǎn)、實(shí)驗(yàn)室和家用玻 璃)中產(chǎn)生堅(jiān)固和無(wú)劃痕表面。在這種范圍中，特別優(yōu)選的光涂層包括 MgF2， Si02, Ti02， Al203。在本發(fā)H的特別優(yōu)選韻實(shí)施樹(shù)中，通過(guò)用脈沖激光器裕激光燒蝕執(zhí)行涂層。用于這種激光燒蝕的激光裝置優(yōu)選地包括冷燒蝕激光器，諸 如皮秒激光器。該裝置還可以包括飛秒激光器，然而，皮秒激光器更有利地用于 涂層。涂層優(yōu)選地在10—6- 10—12的氣壓真空度下執(zhí)行。 在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，通過(guò)使將被涂層的主體接連經(jīng)過(guò)兩個(gè) 或多個(gè)材料等離子扇以執(zhí)行涂層。這增加了涂層速度并生產(chǎn)更適合工業(yè)
應(yīng)用的涂層加工。將被涂層結(jié)構(gòu)和目標(biāo)之間的典型距離是30 mm -100 mm，優(yōu)選地35 mm - 50 mm。在本發(fā)明的特別有利的實(shí)施例中，目標(biāo)和將被涂層的主體之間的 距離在整個(gè)燒蝕期間保持大致恒定。特別優(yōu)選的目標(biāo)材料包括石墨；燒結(jié)碳；金屬；金屬氧化物； 和聚硅氧烷。石墨或碳的燒蝕允許生成類(lèi)似金剛石的碳(DLC)涂層，或 具有更高sp3/sp2比率的金鋼石涂層。如果目標(biāo)材料是金屬，金屬優(yōu)選地是鋁、鈦、銅、鋅、鉻、鋯或錫。如果期望生產(chǎn)金屬氧化物涂層，這能夠通過(guò)金屬氧化物的直接燒 蝕進(jìn)行。在本發(fā)明的第二實(shí)施例中，金屬氧化物涂層能夠通過(guò)在包含氧 的氣體氛圍中燒結(jié)金屬而生產(chǎn)。該氧可包括普通氧或活性氧。在本發(fā)明 的這種實(shí)施例中，氣體氛圍包括氧和稀有氣體，優(yōu)選地氦或氬，最有利 地是氦。本發(fā)明還涉及由金屬、塑料或玻璃制成的主體，該主體已由激光 燒蝕涂層，其中主體在從移動(dòng)目標(biāo)燒蝕的材料等離子扇中移動(dòng)，以實(shí) 現(xiàn)盡可能規(guī)則質(zhì)量的表面。.通過(guò)利用脈沖激光器的激光燒蝕，這種主體優(yōu)選地已被涂層。用 于燒蝕的激光裝置則優(yōu)選地是冷燒蝕激光器，諸如皮秒激光器。本發(fā)明的主體優(yōu)選地在10—6-10-12的氣壓真空度下涂層。在本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選的實(shí)施例中，通過(guò)使將被涂層的塑料外殼 與/或透鏡連續(xù)經(jīng)過(guò)兩個(gè)或多個(gè)材料等離子扇，主體被涂層。將被涂層的結(jié)構(gòu)和目標(biāo)之間的典型距離是30 mm - 100 mm,優(yōu)選地35 mm -50 mm。在本發(fā)明的特別有利的實(shí)施例中，在整個(gè)燒蝕期間，通過(guò)保持目 標(biāo)和將被涂層的結(jié)構(gòu)之間的距離大致恒定而對(duì)主體涂層。多個(gè)優(yōu)選的目 標(biāo)材料包括石墨；燒結(jié)碳；金屬；金屬氧化物；和聚硅氧烷。優(yōu)選的 金屬包括鋁、鈦、銅、鋅、鉻、鋯或錫。通過(guò)在導(dǎo)入氧氣的氣體氛圍中燒蝕金屬，該主體也能夠涂有氧化 層。這種氣體氛圍包括氧和稀有氣體，優(yōu)選地氦或氬，更有利地是氦。實(shí)例在下面描述本發(fā)明的方法和產(chǎn)品，不會(huì)將本發(fā)明限制為給定的實(shí)例。使用兩個(gè)由Corelase Oy公司制造的X- lase 10w皮秒激光器和 由Corelase Oy公司制造的X- lase 10w皮秒激光器產(chǎn)生涂層。脈沖 能量指入射在1平方厘米的區(qū)域上的脈沖能量，其利用光學(xué)器件集中在 期望尺寸的區(qū)域上。實(shí)例1在這個(gè)實(shí)施例中，聚碳酸酯板被涂以金鋼石涂層(燒結(jié)碳的)。該激光裝置具有如下性能參數(shù) 功率10 W重復(fù)頻率4 MHz脈沖能量2.5 脈沖周期20 PS目標(biāo)和基片之間的距離35 mm真空級(jí)10—7 '該聚碳酸酯板從而被涂以厚度約200 nm的DLC涂層。 實(shí)例2在這個(gè)實(shí)施例中，由roster制成的接骨螺釘覆蓋著鈦涂層。該激 光裝置具有如下性能參數(shù)，并且涂層由燒蝕燒結(jié)碳生產(chǎn)功率10 W重復(fù)頻率4 MHz 脈沖能量2.5 mJ脈沖周期20 PS目標(biāo)和基片之間的距離37 mm真空級(jí)10—8如此生產(chǎn)的金剛石涂層(DLC)具有約100 nm的厚度。
實(shí)例3在這個(gè)實(shí)例中，玻璃件和聚碳酸酯板覆蓋著二氧化鈦涂層。該激光裝置具有如下性能參數(shù) 功率10 W 重復(fù)頻率4 MHz 脈沖能量2.5 pJ 脈沖周期20 PS目標(biāo)和基片之間的距離35 mm真空級(jí)10'8在玻璃件和聚碳酸酯板上均產(chǎn)生具有約10 nm的厚度的透明二 氧化鈦涂層。實(shí)例4在這個(gè)實(shí)例中，大理石被涂以二氧化鈦(titanium dioxide)涂 層。該激光裝置具有如下性能參數(shù)，并且涂層直接通過(guò)燒蝕二氧化鈦生 產(chǎn)功率10 W重復(fù)頻率4 MHz 脈沖能量2.5 nJ脈沖周期20 PS目標(biāo)和基片之間的距離28 mm真空級(jí)10—6大理石板主體上產(chǎn)生具有約100 nm的厚度^二氧化鈦。 實(shí)例5在這個(gè)實(shí)例中，大理石被覆蓋以金剛石涂層。為去除石頭中包含 的多數(shù)濕氣，該石頭在爐(110 C° )中干燥約一個(gè)小時(shí)。該激光裝置具 有如下性能參數(shù)，并且涂層直接通過(guò)燒蝕燒結(jié)碳生產(chǎn)。功率10 W重復(fù)頻率4 MHz 脈沖能量2.5 |JJ 脈沖周期20 PS目標(biāo)和基片之間的距離30 mm真空級(jí)10—6大理石板主體上產(chǎn)生具有約200 nm厚度的金剛石涂層。大理石的淺色改變?yōu)闇\褐色底紋，以便天然石圖案可經(jīng)過(guò)如此形成的著色涂層看到。實(shí)例6在這個(gè)實(shí)例中，未處理的砂石覆蓋有二氧化鈦。該激光裝置具有如下性能參數(shù)，并且涂層通過(guò)直接燒蝕二氧化鈦生產(chǎn) 功率10 W 重復(fù)頻率4 MHz 脈沖能量2.5 [JJ 脈沖周期20 PS目標(biāo)和基片之間的距離30 mm真空級(jí)1CT6砂石上產(chǎn)生平均厚度約為60 nm的二氧化鈦涂層。
權(quán)利要求
1.一種用于對(duì)金屬、玻璃、巖石或塑料的主體涂層的方法，其特征在于所述主體通過(guò)激光燒蝕涂層，其中主體在從移動(dòng)目標(biāo)燒蝕的材料等離子扇中移動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)具有盡可能規(guī)則質(zhì)量的表面。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述激光燒蝕使用 脈沖激光器執(zhí)行。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于用于燒蝕的激光裝 置是冷燒蝕激光器，諸如皮秒激光器。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1-3所述的方法，其特征在于激光燒蝕在10—6 -10—12的大氣壓力真空度下執(zhí)行。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于通過(guò)使將被涂層的 主體接連經(jīng)過(guò)兩個(gè)或多個(gè)材料等離子扇來(lái)執(zhí)行涂層。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于將被涂層的主體與目標(biāo)之間的距離在30 mm到100 mm的范圍內(nèi)，優(yōu)選地35 mm到 50 mm 。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1和6所述的方法，其特征在于目標(biāo)和將被涂層的主體之間的距離在整個(gè)燒蝕期間保持大致恒定。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述目標(biāo)材料是石 墨、燒結(jié)碳、金屬、金屬氧化物或聚硅氧烷。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于所述金屬是鋁、 鈦、銅、鋅、鉻、鋯或錫。
10. 裉據(jù)權(quán)科要求1或8輛述的方法，其特征在于通過(guò)將氧氣 引導(dǎo)入真空腔的氣體氛圍中，在將被涂層的結(jié)構(gòu)上形成氧化物涂層。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于所述氣體氣圍包 括氧和稀有氣體，優(yōu)選地氦或氬，最有利地氦。
12. 金屬、玻璃或塑料的主體，其特征在于所述主體通過(guò)激光 燒蝕涂層，其中主體在從移動(dòng)目標(biāo)燒蝕的材料等離子扇中移動(dòng)，以生 產(chǎn)具有盡可能規(guī)則質(zhì)量的表面。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的塑料體，其特征在于所述激光燒 蝕使用脈沖激光器執(zhí)行。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的主體，其特征在于用于激光燒蝕 的激光裝置是冷燒蝕激光器，諸如皮秒激光器。
15. 根據(jù)權(quán)利要求12 — 14所述的主體，其特征在于所述激光 燒蝕在10—6-10—12的大氣壓力真空度下執(zhí)行。
16. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的主體，其特征在于通過(guò)使主體接 連經(jīng)過(guò)兩個(gè)或多個(gè)材料等離子扇來(lái)執(zhí)行涂層。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的主體，其特征在于主體與目標(biāo)之間的距離在30 mm到100 mm ，優(yōu)選地35 mm至U 50 mm 。
18. 根據(jù)權(quán)利要求12和17所述的主體，其特征在于目標(biāo)與 將被涂層的主體之間的距離在整個(gè)燒蝕期間保持大致恒定。
19. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的主體，其特征在于目標(biāo)材料是石 墨、燒結(jié)碳、金屬、金屬氧化物或聚硅氧垸。
20. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的主體，其特征在于所述金屬是 鋁、鈦、銅、鋅、鉻、鋯或錫。
21. 根據(jù)權(quán)利要求12或19所述的主體，其特征在于通過(guò)將 氧氣引導(dǎo)入真空腔的氣體氛圍中，已在將被涂層的結(jié)構(gòu)上形成氧化物涂 層。
22. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的主體，其特征在于所述氣體氛圍 包括氧和稀有氣體，優(yōu)選地氦或氬，最有利地氦。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于涂層金屬、玻璃、巖石或塑料的主體的方法，其中該主體通過(guò)激光燒蝕涂層，其中主體在從移動(dòng)目標(biāo)燒蝕的材料等離子扇中移動(dòng)，以產(chǎn)生具有盡可能規(guī)則質(zhì)量的表面。本發(fā)明還涉及由該方法生產(chǎn)的產(chǎn)品。
文檔編號(hào)C03C17/00GK101128616SQ200680005716
公開(kāi)日2008年2月20日 申請(qǐng)日期2006年2月23日 優(yōu)先權(quán)日2005年2月23日
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