脉冲激光沉积方法

专利名称：脉冲激光沉积方法
技术领域：
本发明涉及一种用于脉冲激光烧蚀沉积(PLD -脉冲激光沉积)的 方法，并涉及一种针对为涂层运动基片，通过烧蚀运动目标，生产最优 表面质量的产品。
背景技术：
该激光技术近年来已取得相当大的进展，并且目前，基于半导体 纤维的激光系统能够以尚好的效率生产，例如用于冷烧蚀。这种旨在用 于冷烧蚀的激光器包括皮秒激光器和飞秒激光器。例如，就皮秒激光器 而言，冷烧蚀范围意味着具有100皮秒或更小周期的脉冲长度。对于 其脉冲周期及其重复频率，皮秒激光器均与飞秒激光器不同，最新的商 用皮秒激光器具有1-4 MHz范围的重复频率，而飞秒激光器仅以千赫 兹测量的重复频率操作。在最优的情况中，冷烧蚀实现了烧结材料而且 烧蚀的材料完全不会承受热传递，换言之，每个脉冲烧蚀的材料只接受 脉冲能量。除了完全基于纤维的二极管泵浦(diode-pumped)半导体激光器 外，存在竞争的灯泵浦(lamp-pumped)激光器源，其中激光束首 先被定向到纤维，并从那里到工作位置。根据申请人在本发明优先权日 期前敢信息，这些基于纤维的激光系统目前是提供任何工业尺寸將基于 激光烧蚀的产品的唯一装置。目前的纤维激光器的纤维和因此受限的微聚束效应致使对能够烧 蚀的材料选择的限制。铝能够以如此合理的脉冲效果被烧蚀，而诸如 铜、钨等的不易烧蚀的材料需要明显更高的脉冲效应。第二现有技术特征包括激光束的扫描宽度。线性扫描通常用于镜 面膜扫描器，典型地产生30 mm-70 mm范围内的扫描线宽度。截止本申请的优选权日，就申请人所知，己知的用于冷烧蚀的脉
冲激光设备的功率仅为10 W级。在这种情况中，皮秒激光取得约4MHz的脉冲频率。然而，冷烧蚀用的第二脉冲激光器仅能实现千赫兹测量的脉冲频率，其操作速度低于例如多种切割应用中的皮秒激光器的 操作速度。尤其在涂层应用中，冷烧蚀激光器的成功使用始终需要高真空值，典型地至少icr6气压。气态材料的量越大，由自基片烧蚀的材料形成的材料等离子扇(material plasma fan)的质量就越弱和越差。采 用充分的真空级，这种材料等离子扇将具有约30 mm - 70 mm的高 度，参见美国专利说明书6，372，103。发明内容本发明涉及一种用于对由金属、石头、玻璃或塑料制成的主体进行涂层的方法，其中该主体通过激光烧蚀涂层，其中主体在从移动 目标烧蚀的材料等离子扇中移动，以产生具有尽可能规则质量的表面。本发明还涉及已通过激光烧蚀涂层的由金属、石头、玻璃或塑料 制成的主体，其中主体在从移动目标烧蚀的材料等离子扇中移动，以 产生具有尽可能规则质量的表面。本发明基于惊人的发现如果将被涂层的物体(基片)在从移动 目标烧蚀的材料等离子扇中移动时，具有平面或任何三维尺寸设计的由 金属、塑料、石头或玻璃制成的主体能够被规则质量地涂层。通过使用 激光烧蚀，本发明在这种主体上实现了 DLC涂层、金属涂层和金属氧 化物涂层的沉积。


图1显示了在将被烧蚀材料上热烧蚀和冷烧蚀的效果。图2显示了根据本发明涂层的多种医疗仪器。 图3显示了根据本发明涂层的多种医疗仪器。 图4显示了根据本发明涂层的多种光学产品。 图5显示了根据本发明生产的材料等离子扇。 图6显示了本发明的涂层方法。图显示了将被涂层的主体(基 片)相对于材料等离子扇(17)的运动(16)的方向。将被涂层的主体和目标(将烧蚀)之间的距离为70 mm，并且激光束在目标材料体上 的入射角度是倾斜的。
具体实施方式
本发明涉及一种用于对由金属、玻璃或塑料制成的主体涂层的方法，其中该主体通过激光烧蚀涂层，其中主体在从移动目标烧蚀的 材料等离子扇中移动，以生产尽可能规则质量的表面。在这种上下文范围内，主体代表多种平面和三维结构。这种结构 包括多种金属产品及其涂层，诸如，屋顶薄钢板、内装饰和建筑物板、 模具和窗户框架；厨房洗碗池、水龙头、烘箱、金属硬币、珠宝、工具 及其部件；轿车和其它车辆的发动机和这些发动机的部件、轿车和其它 车辆的金属镀和着色金属涂层；用于船舶、艇和飞机中的金属镀主体， 飞机涡轮和燃烧发动机；轴承；叉、刀和匙；剪刀、鞘刀、旋转刀片、 锯和所有类型的金属镀刀具、螺丝和螺母；用于化工中的金属加工装 置，诸如金属镀反应器、泵、蒸馏塔、容器和框架结构；油、汽和化学 管道和多种阀和控制单元；油钻探设备中的部件和刀具；输水管道；武 器及其部件、子弹和弹壳；易受磨损的金属喷嘴，诸如造纸机中易受磨 损的部件，例如，用于应用涂层糊的装置；雪铲、锹和运动场玩具中的 金属部件；路边护拦、交通标识和交通杆；金属罐和容器；手术仪器、 人造关节和移植物和仪器；易受氧化和其它磨损的电子设备的金属部 件、照相机的金属部件和玻璃与塑料镜头，和飞船，包括其承受摩擦和 强热的内层溶液(liniag solution)。根据本发明生产的物品还可包括耐腐蚀化学化合物的涂层和三 维材料；自清洁表面；和多种透镜溶液中的深层抗反射表面，例如用于 净化水、溶液或空气的UV保护涂层和UV活性涂层。根据本发明，在通过氧化的最后涂层生产前，通过加入颜料或着 色剂，石头材料能够染上期望的颜色。这种用于着色石头产品的涂层能 够通过根据本发明的激光烧蚀生产。通过烧蚀金属氧化物或氧化状态的 金属，还可以在石头材料上生产自清洁二氧化钛涂层，或例如的强化和 防划氧化铝涂层。这产生了耐久的石头物品，如果期望，其是自清洁并 且甚至具有可调节颜色。例如，砂石极易被煤烟弄脏，并且为此原因， 特别地在建筑物前部上使用的砂石上的自清洁涂层具有很大的经济效 果。在本发明的一个实施例中，该石材可以是任何天然的石头，或也 可以是陶瓷。典型的将被涂层的石料类型是正面履层石头，诸如大理石 和砂石，但本方法也适用于其它石头类型的涂层，诸如花岗岩、片麻 岩、石英岩、粘土岩等。金刚石涂层可防止金属氧化并且从而其装饰或其它功能破坏。此 外，金刚石表面保护下层不受酸和碱影响。本发明的金刚石涂层不仅保 护了下层免受机械磨损，也防止化学反应。该金刚石涂层防止了金属氧 化，并且从而其装饰或其它功能的破坏。装饰金属镀在一些应用是期望 的。根据本发明的可用作特殊装饰目的的金属和金属化合物包括金； 银；铬；铂；钽；钛；铜；锌；铝；铁；钢；锌黑；钌黑；钴；钒；氮 1七,太；氮化钛铝(titanium aluminium nitride); TiCN (titanium carbon nitride);氮化锆；氮化铬；三元层状碳化物(titanium silicon carbide);和碳化铬。这些化合物也自然产生其它属性，诸如耐磨损涂 层或提供抑制氧化或其它化学反应的罩的涂层。此外，本发明的一些优选实施例实现了在各种玻璃和塑料产品 (透镜、大型显示器罩、车辆中的窗玻璃和不动产、实验室和家用玻 璃)中产生坚固和无划痕表面。在这种范围中，特别优选的光涂层包括 MgF2， Si02, Ti02， Al203。在本发H的特别优选韵实施树中，通过用脉冲激光器裕激光烧蚀执行涂层。用于这种激光烧蚀的激光装置优选地包括冷烧蚀激光器，诸 如皮秒激光器。该装置还可以包括飞秒激光器，然而，皮秒激光器更有利地用于 涂层。涂层优选地在10—6- 10—12的气压真空度下执行。 在本发明的优选实施例中，通过使将被涂层的主体接连经过两个 或多个材料等离子扇以执行涂层。这增加了涂层速度并生产更适合工业
应用的涂层加工。将被涂层结构和目标之间的典型距离是30 mm -100 mm，优选地35 mm - 50 mm。在本发明的特别有利的实施例中，目标和将被涂层的主体之间的 距离在整个烧蚀期间保持大致恒定。特别优选的目标材料包括石墨；烧结碳；金属；金属氧化物； 和聚硅氧烷。石墨或碳的烧蚀允许生成类似金刚石的碳(DLC)涂层，或 具有更高sp3/sp2比率的金钢石涂层。如果目标材料是金属，金属优选地是铝、钛、铜、锌、铬、锆或锡。如果期望生产金属氧化物涂层，这能够通过金属氧化物的直接烧 蚀进行。在本发明的第二实施例中，金属氧化物涂层能够通过在包含氧 的气体氛围中烧结金属而生产。该氧可包括普通氧或活性氧。在本发明 的这种实施例中，气体氛围包括氧和稀有气体，优选地氦或氩，最有利 地是氦。本发明还涉及由金属、塑料或玻璃制成的主体，该主体已由激光 烧蚀涂层，其中主体在从移动目标烧蚀的材料等离子扇中移动，以实 现尽可能规则质量的表面。.通过利用脉冲激光器的激光烧蚀，这种主体优选地已被涂层。用 于烧蚀的激光装置则优选地是冷烧蚀激光器，诸如皮秒激光器。本发明的主体优选地在10—6-10-12的气压真空度下涂层。在本发明的进一步优选的实施例中，通过使将被涂层的塑料外壳 与/或透镜连续经过两个或多个材料等离子扇，主体被涂层。将被涂层的结构和目标之间的典型距离是30 mm - 100 mm,优选地35 mm -50 mm。在本发明的特别有利的实施例中，在整个烧蚀期间，通过保持目 标和将被涂层的结构之间的距离大致恒定而对主体涂层。多个优选的目 标材料包括石墨；烧结碳；金属；金属氧化物；和聚硅氧烷。优选的 金属包括铝、钛、铜、锌、铬、锆或锡。通过在导入氧气的气体氛围中烧蚀金属，该主体也能够涂有氧化 层。这种气体氛围包括氧和稀有气体，优选地氦或氩，更有利地是氦。实例在下面描述本发明的方法和产品，不会将本发明限制为给定的实例。使用两个由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皮秒激光器产生涂层。脉冲 能量指入射在1平方厘米的区域上的脉冲能量，其利用光学器件集中在 期望尺寸的区域上。实例1在这个实施例中，聚碳酸酯板被涂以金钢石涂层(烧结碳的)。该激光装置具有如下性能参数 功率10 W重复频率4 MHz脉冲能量2.5 脉冲周期20 PS目标和基片之间的距离35 mm真空级10—7 '该聚碳酸酯板从而被涂以厚度约200 nm的DLC涂层。 实例2在这个实施例中，由roster制成的接骨螺钉覆盖着钛涂层。该激 光装置具有如下性能参数，并且涂层由烧蚀烧结碳生产功率10 W重复频率4 MHz 脉冲能量2.5 mJ脉冲周期20 PS目标和基片之间的距离37 mm真空级10—8如此生产的金刚石涂层(DLC)具有约100 nm的厚度。
实例3在这个实例中，玻璃件和聚碳酸酯板覆盖着二氧化钛涂层。该激光装置具有如下性能参数 功率10 W 重复频率4 MHz 脉冲能量2.5 pJ 脉冲周期20 PS目标和基片之间的距离35 mm真空级10'8在玻璃件和聚碳酸酯板上均产生具有约10 nm的厚度的透明二 氧化钛涂层。实例4在这个实例中，大理石被涂以二氧化钛(titanium dioxide)涂 层。该激光装置具有如下性能参数，并且涂层直接通过烧蚀二氧化钛生 产功率10 W重复频率4 MHz 脉冲能量2.5 nJ脉冲周期20 PS目标和基片之间的距离28 mm真空级10—6大理石板主体上产生具有约100 nm的厚度^二氧化钛。 实例5在这个实例中，大理石被覆盖以金刚石涂层。为去除石头中包含 的多数湿气，该石头在炉(110 C° )中干燥约一个小时。该激光装置具 有如下性能参数，并且涂层直接通过烧蚀烧结碳生产。功率10 W重复频率4 MHz 脉冲能量2.5 |JJ 脉冲周期20 PS目标和基片之间的距离30 mm真空级10—6大理石板主体上产生具有约200 nm厚度的金刚石涂层。大理石的浅色改变为浅褐色底纹，以便天然石图案可经过如此形成的着色涂层看到。实例6在这个实例中，未处理的砂石覆盖有二氧化钛。该激光装置具有如下性能参数，并且涂层通过直接烧蚀二氧化钛生产 功率10 W 重复频率4 MHz 脉冲能量2.5 [JJ 脉冲周期20 PS目标和基片之间的距离30 mm真空级1CT6砂石上产生平均厚度约为60 nm的二氧化钛涂层。
权利要求
1.一种用于对金属、玻璃、岩石或塑料的主体涂层的方法，其特征在于所述主体通过激光烧蚀涂层，其中主体在从移动目标烧蚀的材料等离子扇中移动，以实现具有尽可能规则质量的表面。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述激光烧蚀使用 脉冲激光器执行。
3. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于用于烧蚀的激光装 置是冷烧蚀激光器，诸如皮秒激光器。
4. 根据权利要求1-3所述的方法，其特征在于激光烧蚀在10—6 -10—12的大气压力真空度下执行。
5. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于通过使将被涂层的 主体接连经过两个或多个材料等离子扇来执行涂层。
6. 根据权利要求5所述的方法，其特征在于将被涂层的主体与目标之间的距离在30 mm到100 mm的范围内，优选地35 mm到 50 mm 。
7. 根据权利要求1和6所述的方法，其特征在于目标和将被涂层的主体之间的距离在整个烧蚀期间保持大致恒定。
8. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述目标材料是石 墨、烧结碳、金属、金属氧化物或聚硅氧烷。
9. 根据权利要求8所述的方法，其特征在于所述金属是铝、 钛、铜、锌、铬、锆或锡。
10. 裉据权科要求1或8辆述的方法，其特征在于通过将氧气 引导入真空腔的气体氛围中，在将被涂层的结构上形成氧化物涂层。
11. 根据权利要求10所述的方法，其特征在于所述气体气围包 括氧和稀有气体，优选地氦或氩，最有利地氦。
12. 金属、玻璃或塑料的主体，其特征在于所述主体通过激光 烧蚀涂层，其中主体在从移动目标烧蚀的材料等离子扇中移动，以生 产具有尽可能规则质量的表面。
13. 根据权利要求12所述的塑料体，其特征在于所述激光烧 蚀使用脉冲激光器执行。
14. 根据权利要求13所述的主体，其特征在于用于激光烧蚀 的激光装置是冷烧蚀激光器，诸如皮秒激光器。
15. 根据权利要求12 — 14所述的主体，其特征在于所述激光 烧蚀在10—6-10—12的大气压力真空度下执行。
16. 根据权利要求12所述的主体，其特征在于通过使主体接 连经过两个或多个材料等离子扇来执行涂层。
17. 根据权利要求16所述的主体，其特征在于主体与目标之间的距离在30 mm到100 mm ，优选地35 mm至U 50 mm 。
18. 根据权利要求12和17所述的主体，其特征在于目标与 将被涂层的主体之间的距离在整个烧蚀期间保持大致恒定。
19. 根据权利要求12所述的主体，其特征在于目标材料是石 墨、烧结碳、金属、金属氧化物或聚硅氧垸。
20. 根据权利要求19所述的主体，其特征在于所述金属是 铝、钛、铜、锌、铬、锆或锡。
21. 根据权利要求12或19所述的主体，其特征在于通过将 氧气引导入真空腔的气体氛围中，已在将被涂层的结构上形成氧化物涂 层。
22. 根据权利要求10所述的主体，其特征在于所述气体氛围 包括氧和稀有气体，优选地氦或氩，最有利地氦。
全文摘要
本发明涉及一种用于涂层金属、玻璃、岩石或塑料的主体的方法，其中该主体通过激光烧蚀涂层，其中主体在从移动目标烧蚀的材料等离子扇中移动，以产生具有尽可能规则质量的表面。本发明还涉及由该方法生产的产品。
文档编号C03C17/00GK101128616SQ200680005716
公开日2008年2月20日 申请日期2006年2月23日 优先权日2005年2月23日
发明者杰瑞·鲁图 申请人:比克顿有限公司