CN102325626A - 脉冲激光微沉积图案形成 - Google Patents

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Abstract

本申请披露了一种利用脉冲激光在透明基片上形成图案的方法。不同的实施例包括超短脉冲激光，对于激光波长透明的基片，和靶板。激光束被引导通过透明基片并聚焦在靶表面上。靶材料被激光烧蚀并且被沉积在相对的基片表面上。通过相对于靶扫描激光束形成图案，例如灰度图像。激光束扫描速度和扫描线密度的变化控制了材料沉积并且改变了沉积图案的光学特性，产生视觉效果的灰度。在一些实施例中，在制备过程中可在微电子设备的一部分上形成图案。在一些实施例中，高重复频率皮秒和纳秒源被设置成产生图案。

Description

脉冲激光微沉积图案形成
相关申请的交叉引用
本申请涉及申请日为2008年10月20日、发明名称为“一种用于制备薄膜的方法(A method for fabricating thin films)”的美国专利申请No.12/254,076。美国专利申请No.12/254,076以其全文形式在此被结合入本文作为引用。
技术领域
本申请涉及脉冲激光沉积，以及通过脉冲激光沉积形成图案化材料。
背景技术
当将脉冲激光用于图案化材料沉积时，主要的两类方法是：激光诱导顺向转移(LIFT)和激光诱导逆向转移(LIBT)。烧蚀材料通过LIFT沿相同的方向或通过LIBT沿相对于入射激光相反的方向被转移至接收基片。在LIFT，靶膜需要被沉积在激光可透的支撑基片上。接收基片被放置成面向靶膜。从靶支撑基片的未涂层侧入射的激光束导致靶膜中的烧蚀。烧蚀材料沿与激光相同的方向被顺向转移，并且被转移至接收基片。在LIBT设置中，几何方向是相反的。激光首先被引导通过激光可透的接收基片并且聚焦在靶上。靶可以是由希望的靶材制成的板。在烧蚀后，烧蚀材料沿与入射激光束相反的方向被逆向转移并且沉积在接收基片上。
若干LIFT方法披露于例如专利权人为Mayer的美国专利4,752,455和6,159,832，专利权人为Williams等人的美国专利4,987,006，和专利权人为Chrisey等人的美国专利6,177,151和6,766,764中。几个LIBT方法披露于专利权人为Yu等人的美国专利5,173,441，专利权人为Hanada等人的日本专利2005-79245，和Liu等人申请的美国专利申请2007/0243328中。
激光诱导等离子体辅助烧蚀已被用于金属靶的颜色标记，如Hanata等人的“Colour marking of transparent materials by laser-induced-plasma-assisted ablation(LIPAA)”，Journal of Physics：Conference Series 59(2007)，687-690所披露。测试了各种激光，并且产生了各种皮秒、纳秒和飞秒输出，最大重复频率为10KHz。对于该RGB处理，结果表明在激光标记行业中，传统的纳秒脉冲宽度对于高质量和有成本效益的标记具有很大的潜力。
上述方法的一个目的是材料的精确和图案化沉积。如果应用于印刷(打印)，这些方法是二元的并且会提供开/关效果或可视的黑/白效果。为了在较大的灰度范围上印制位图图像，需要满足两个要求：(i)足够数量的灰度级和(ii)实际可接受的印制速度。
Shah等人发明、受让给本申请的受让人的最近国际专利申请WO2008/091898披露了在固体表面上超短脉冲激光印制图像的方法。该方法是基于由超短脉冲激光与固体表面的相互作用引起的表面织构。在激光能流和曝光时间(每单位面积的平均功率)的一范围中，在激光照射后可产生几种类型的表面纹理，包括波纹、柱、孔和多种类型的随机微突起部。这些纹理的受控结构(排列)通过散射、捕获和吸收光产生可视效果的灰度。该方法不涉及从靶至基片的材料转移。
LIFT、LIBT和LIPAA系统已经使用了在1kHz重复频率下的Nd:YAG，Ti:Sapphire(蓝宝石)，并且用基于NdYVO4的系统可高达约10KHz。由于低重复频率的原因，宏观尺度上形成高分辨率的图案或图像可能要花可达上千分钟的时间，限制了这些方法的应用。此外，如上文所述，很多系统限于产生二元图案。
发明内容
一个或多个实施例的一个目的是在透明基片上精确沉积材料，其中位置和厚度均处于控制之下。所述基片可以是玻璃，或其它合适的介质。
至少一个实施例提供了一种LIBT方法，用于以高速度在透明介质上形成图案。
在不同的实施例中，控制沉积材料的位置和厚度以改变介质区域的光密度，使得通过照明介质可获得灰度图像。举例来说，沉积材料的位置和厚度在介质的微观区域上受到控制，并且当通过肉眼或以低倍率观察时介质上反射系数的相关变化产生可视效果的灰度和可识别图像。可采用周围或受控照明。
在不同的实施例中，接收基片被放置成靠近靶板并与靶板相对。激光束被引导通过接收基片并且在靶上聚焦，使得材料被烧蚀并且逆向转移至接收基片。
另一个目的是在透明基片上激光印制图像，所述图像包括但不限于艺术或摄影图(影)像。更具体地说，通过高重复频率的超短脉冲激光，可以实现可视效果的灰度和快速的印制速度。
在不同的实施例中，通过改变材料沉积产生灰度，以便根据沉积的厚度改变印制图案的光透射和反射。通过控制激光参数可连续地控制厚度。利用高重复频率激光使得在激光照射下的靶能够在聚焦光斑直径上接收可变数量的激光脉冲。
在不同的实施例中，在印制过程中通过两种方式改变沉积量：(i)改变激光束扫描速度同时保持恒定的扫描线密度，(ii)改变激光扫描线密度同时保持恒定的激光束扫描速度。第一种方式提供用于印制艺术、摄影等等的位图图像。第二种方式提供用于印制矢量图形例如文字图案和简单的几何图形。
不同的实施例提供了快速的印制速度。例如，在激光重复频率为1MHz的实施例中，2x2平方英寸的图像在20秒到1分钟内印制完成。通过具有1kHz重复频率的其它激光，所述印制会花费可达上千分钟的时间。
在不同的实施例中，可以在空气中进行PLD图案形成，并且不需要真空腔。在一些实施例中，可采用真空或一些其它的气压控制，例如干空气的气流。
靶材料可以是金属，例如钢、铝或铜。钢会对印制的图像提供呈褐色的颜色。还可以使用介电材料，包括但不限于硅和碳。
另一个目的是通过功能(型)靶材料印制图案。所述材料除了改变光透射或反射外还提供特殊的功能。在至少一个实施例中，使用由磷光体材料制成的靶，使得印制图像在室内照明或日光照射下几乎不可见，并且只在通过UV光的特殊照射下所述图像变得可见。
附图说明
图1示意性地示出了用于脉冲激光微沉积图案形成的结构。
图2示意性地示出了用于脉冲激光微沉积材料以提供不同光密度的图案的结构(装置)的进一步的细节。
图3是示出印制图案的两个光学显微镜图像的示例。
图4是示出用钢板作为靶印制在2-英寸玻璃晶圆上的两个图像的示例。
图5是示出利用由磷光体材料制成的靶在1x1平方英寸的玻璃晶圆上印制的文字的示例。
具体实施方式
图1示意性地示出了用于脉冲激光微沉积图案形成的结构的一部分，并且提供了激光-材料相互作用的图示。在本示例中，激光束1被引导通过透明介质2(例如玻璃基片)，并且在靶3上聚焦。烧蚀除去了焦点4处的材料并且产生小凹陷处(不按比例)。在本示例中，烧蚀材料尤其是喷出物5逆向转移，大体沿与激光入射方向相反的方向传播。材料被沉积在基片上，例如面向靶的表面。
在至少一个实施例中，基片被设置在靶附近，以便在靶和接收基片2之间留有小间隙。通过在基片和靶之间插入不同厚度的间隔装置可以调节间隙宽度。优选小的间隙宽度，例如小于约10微米，以提供高的图像分辨率。在实践中，基片可被放置成与靶直接接触。在这种情况，从在光滑的靶表面和基片之间经常出现的干涉条纹判断，间隙宽度约为1微米。在一些实施例中，通过提供分隔的间隙将介质和靶间隔开。间隙可以填充有周围空气或流动的干空气。在一些实施例中，间隙可以填充有惰性气体，例如氮气或氩气。可以控制间隙内的物理参数，例如压力。
当靶表面平滑和有光泽时，基片和靶之间的干涉条纹具有高反差。这些条纹通过调制激光能流可使印制质量下降。一种避免干涉效应的方式是使用粗糙的靶表面，例如粒状表面，使离开靶的反射随机化。一般，通过大于激光波长的粗糙度，可将干涉效应降低至可忽略的水平。
再次参见图1，沉积材料主要集中在激光束扫描线(未示出)的周边附近。在接收基片上形成双线6。这是因为在直接激光照射下的高温和高压将烧蚀材料向旁边驱逐。因此，受激光相互作用影响的介质的局部区域具有一维厚度分布，所述一维厚度分布可通过由具有受控材料沉积的较厚部分包围低厚度的中心部分表征。举例来说，沉积所得到的总线宽为激光焦斑尺寸的约2-3倍。对于激光光斑尺寸为直径20微米，沉积的线宽为约40-60微米，在不同的实施例中仍足以用于较高分辨率的图像印制。
图2进一步示出了用于材料的脉冲激光微沉积以提供不同光密度的图案的结构(装置)的示例。在本示例中，激光7优选是高重复频率脉冲激光。脉冲选择器(例如，声光或电光调制器(未示出))可被连接至控制器12并用于选择脉冲以便传送至靶。使用了激光束扫描器8，在计算机控制下，以形成图案。扫描器是可控制的，以产生不同的扫描速度。扫描器8可包括两个扫描镜9和10，以及聚焦透镜11，例如f-θ透镜以提供平直束扫描平面。在一些实施例中可使用远心光学系统。扫描器从控制器12接收计算机处理的控制信号。可使用市场上可买到的激光束扫描系统，例如可从SCANLAB America Inc.买到的各种产品，包括扫描头、具有计算机接口的控制器、和用户软件以加载图像并编辑文字和几何图形。
在不同的实施例中，可采用其它的扫描机构，单独或以任何合适的组合，以形成具有不同光密度的预定空间图案。例如，声光偏转器、多边形、旋转棱镜等等可使扫描速度进一步增大。一些实施例可包括快速和慢速偏转机构的组合，以控制沉积同时保持高扫描速度。例如，第一扫描机构可沿第一方向以固定的速率扫描，而第二扫描器沿与第一方向相反的方向以第二速率扫描。
可以产生不同的扫描图案，包括开孔(trepanned)和抖动的图案。所述机构已经在激光标记、钻孔和微加工中被建议和采用，并且还可被设置用于脉冲激光微沉积图案形成。
高重复频率超短激光为PLD图案形成提供了一些益处。与纳秒脉冲激光烧蚀相比，超短脉冲激光烧蚀要求更少的脉冲能量以达到烧蚀阈值。可用的超高峰值功率和超短脉冲持续时间促成了低阈值。例如，几微焦的飞秒脉冲比几毫焦的传统纳秒脉冲具有更高的峰值功率。此外，焦斑处的减少的热影响区(HAZ)显著增大了用于烧蚀的能量效率。
IMRA America Inc.(本申请的受让人)披露了若干基于光纤的啁啾脉冲放大系统，所述系统具有高于1MHz的高重复频率，从500飞秒到几皮秒的超短脉冲持续时间，和大于10瓦特的高平均功率。各种光纤结构可在市场上得到，如下文所述。
通过高激光重复频率，例如在100kHz到高于1MHz的范围内，在激光束从局部聚焦区域移走之前，靶在短时间间隔内接收多个激光脉冲。例如，对于1MHz重复频率、1m/s的激光束扫描速度和直径为20微米的光斑尺寸，重叠激光脉冲的数量为约20，相当于相邻光斑之间约95％重叠。脉冲之间具有较近时间间隔(例如1微秒或更小)的多个激光脉冲可产生可考虑用于图像形成的物理效应。例如，(i)沉积的积聚和(ii)空气间隙中热量和压力的积聚值得考虑。通过可变的激光束扫描速度，第一效应由于不同的沉积(层)厚度产生不同的光透射和反射，这优选以连续方式控制。厚度的变化以及在透射和/或反射上的相关变化产生了灰度的视觉效果。第二效应涉及观察到沉积物集中在激光束路径的周边附近，如图1中所示，并且会通过图3中的示例图像进一步说明。
高重复频率脉冲激光对于高印制速度也是需要的。传统固态激光器例如Q-开关激光器和基于再生放大器的超短激光系统提供从10Hz到几十kHz的通常重复频率。尽管以1MHz重复频率需要约20秒到1分钟来打印2x2平方英寸的图像，以1kHz的重复频率需要大约一千分钟使脉冲间具有相同的空间重叠。
不同的实施例可采用基于光纤的高重复频率超短脉冲激光器，例如由IMRA America Inc.制造的FCPAμJewel型。激光器具有从100kHz到可达5MHz的重复频率，500fs到10ps的脉冲持续时间，和可达到20微焦的脉冲能量。通过直径为20-30微米的聚焦束光点，该激光器可烧蚀多种金属、绝缘体和半导体材料。
以更高的重复频率工作是可行的。Dong等人的发明名称为“HighlyRare-Earth-Doped Optical Fibers for Fiber Lasers and Amplifiers”的美国临时申请U.S.61/120,022在此被结合入本文作为引用。‘022申请中所披露的不同示例包括高度稀土掺杂的增益光纤，具有可达到约5000dB/m的泵浦光吸收，并且每单位长度的增益在.5-5dB/cm的范围内。不同的掺杂浓度降低了Yb团簇，从而提供高泵浦吸收、大增益、和低光暗化效应。所述稀土掺杂的光纤用于构造短腔长度光纤激光器，并且用于产生重复频率超过1GHz的高能量超短脉冲。通过可利用具有增大的脉冲能量的GHz光纤源，根据脉冲宽度、能量、光斑尺寸、和平均功率的不同组合可获得改进的质量因数，并且优选通过使用全光纤系统。
在不同的实施例中，通过分束器和光延迟线的组合可增大重复频率。
图3和4示出了灰度的视觉效果。图3示出了选自图4(a)中所示的印制艺术图像的不同灰度级的两个显微镜部分。在图3(a)中，两条亮线通过扫描速度为8-10m/s的快速激光束扫描得到。回到图1，沉积材料6对应于图3a中亮线之间的区域。如上文所解释，扫描线的白度是由于在激光束的直接照射下高温和高压导致的，这迫使喷出物被驱至旁边。在图3(a)中，由于快速扫描速度，相对很少的沉积物留下，尤其是在图像之上。
图3(b)示出了通过平均0.2m/s的慢速扫描速度制得的三条扫描线，其中在线之间形成厚的多的沉积物，导致暗的总体视觉效果。白色扫描线也存在。因此，不同的激光束扫描速度控制扫描线之间的材料沉积并产生灰度变化。通过这种方式，印制出著名的艺术图像并在图4(a)中示出。五分镍币被放在玻璃晶圆旁边以表示尺寸。
在上述的示例中，假设沉积厚度与激光束扫描速度线性相关，通过激光束扫描速度的最小增量和最大扫描速度确定灰度级的数量。例如，通过10m/s的最大扫描速度和1mm/s的速度增量，沉积量的增量足够小以产生视觉连续的灰度。
图4(b)示出了具有不同灰度的三个相同文字图案的图像。在本示例中，通过控制扫描线密度同时保持5m/s的恒定激光束扫描速度形成图案。对于从上到下的三个图案，扫描线密度分别是每毫米4、8和12条线。这是打印矢量图形的一个示例。这种图案形成技术也适用于填充简单的几何形状。通过改变扫描线密度，可用的灰度级的数量可超过10。在不同的实施例中，可设置至少1单位(10∶1)并且可达到约3-4单位的光密度(O.D.)。
在不同的实施例中，利用除改变光的反射或透射外提供功能的材料形成图案。在图5中示出了一个示例，其中文字打印在1x1平方英寸的玻璃晶圆上，靶由磷光体材料制成。这种材料在室内光或日光下是白色粉末，但是用UV照射所述材料发出橙色光。利用该材料作为靶，图5(a)中打印的文字在室内光下几乎看不见。在图5(b)中，通过UV照射，文字变得明亮发光。这证实了在打印过程中保留了原靶材料的发光特性。
在上文的实施例中，保留了靶材料的特殊物理和化学功能，例如磷光或荧光特性。尽管材料随激光照射分解，但原材料的相关物理和化学特性没有被激光烧蚀破坏。超短脉冲提供了所述优点。
在不支持任何特定理论的情况下，脉冲激光烧蚀的过程可大体被分成若干阶段，包括(i)光吸收，(ii)加热和相变，和(iii)等离子体膨胀。最终的材料沉积高度取决于激光参数，所述激光参数包括脉冲持续时间、脉冲能量、波长、和重复频率，并且还取决于靶材料的类型，例如金属或绝缘体。在这些因素中，在传统纳秒脉冲激光和超短脉冲激光之间首先考虑和比较脉冲持续时间，这是因为几个数量级的较大差异。
对于纳秒脉冲激光器例如Q-开关Nd:YAG，Nd:YLF，或Nd:YVO4激光器，脉冲持续时间长于固体中电子和离子之间的能量交换的时间量程。时间量程通常是几十皮秒。纳秒激光脉冲用热方法加热固体并且导致热蒸发和离子化，并且等离子体由激光形成。激光脉冲的尾部还可以进一步加热等离子体，产生几乎完全分裂成原子和高度离子化的蒸汽羽流，除了几滴大液滴之外。在存在大气的情况下，在烧蚀过程中预期有强化学反应，例如氧化反应，所述强化学反应会改变烧蚀材料的物理和化学特性。
通过超短脉冲激光具有在几百飞秒到几十皮秒范围内的脉冲持续时间，并且通过激光能流在接近烧蚀阈值的范围内，烧蚀材料可分裂成小颗粒。所述颗粒可能在纳米范围内，如在下文所列的参考文献No.1-6中所报道。保持了几个原来的物理和化学特性，例如结晶度、化学成分、和合金成分，如在参考文献No.1-3中所报道。因此，可保留功能特性。一些功能特性的示例为发磷光、电致发光、以及用于可视颜色效应的选择性的光吸收和发射。如图5的示例所示，所述特性可被开发用于基于PLD的微沉积和图案形成。
对于适于PLD图案形成的高重复频率源存在很多可能性。上文所述的超短脉冲和各种结构提供精确和可重复的材料去除。不过，在不同的实施例中，可以采用高重复频率皮秒或纳秒源。已知通过分束和重组输出和/或组合多个激光输出可增大q-开关源(q-switched source)的有效重复频率。例如，q-开关激光可具有70KHz的基本重复频率，通过多束激光和/或分束和组合可将所述重复频率增大至大大超过100KHz。此外，半导体激光二极管可产生皮秒或纳秒脉冲，并且所述二极管能够以非常高的重复频率进行调制，所述重复频率至少为几十MHz。例如，二极管的输出可通过光纤放大器被放大，以便将皮秒或纳秒脉冲的能量水平增大至微焦的范围。脉冲选择器可用于选通脉冲以便放大并传送至靶。存在许多可能性。
在不同的实施例中，金属靶会被烧蚀，并且不同的激光参数可被预先选择以控制速度和分辨率。举例来说，通过小于100ns并且优选低于10ps的脉冲宽度以至少约100kHz并且更高的重复频率可实施脉冲激光微沉积图案形成。低于约20μJ的脉冲能量在约30μm的聚焦光斑直径中提供至少约2.8J/cm2的能流，并且适于形成各种图案。所述能流显著大于很多金属的烧蚀阈值。可采用较小的光斑直径。对于给定的能流，所需的能量随光斑面积减小，提供对给定平均功率在重复频率上的潜在增大，但是增加的扫描时间。在不同的实施例中，通过接近于金属靶的烧蚀阈值的能流可进行材料沉积。
因此，发明人已经描述了用于脉冲激光微沉积和图案形成的方法、系统和材料。
至少一个实施例包括一种脉冲激光沉积以便在介质上产生图案的方法，所述介质在脉冲激光的波长下基本透明。所述方法包括从脉冲激光源产生脉冲激光束，并且将所述脉冲激光束聚焦到靶上。所述靶产生喷出物来响应脉冲激光束和靶的相互作用。所述方法包括积聚至少一部分喷出物在介质上以便在介质上形成材料沉积物。所述方法包括控制材料沉积物的厚度以改变介质的一区域的光密度，并且形成具有不同的光密度的空间图案。
在不同的实施例中：
所述方法包括使脉冲激光束透射通过介质；相对于介质和靶扫描激光束；和改变激光束扫描速度和扫描线密度中的至少一个以控制厚度。
至少一部分的图案可被表征为具有一维厚度分布，所述一维厚度分布具有比紧邻周围部分更薄厚度的中心部分，所述周围部分的厚度被控制以改变光密度。
脉冲激光源具有从约100kHz到100MHz并且可达到约1GHz的重复频率。
激光脉冲具有在从约10飞秒至可达到约100纳秒的范围内的脉冲持续时间。
激光脉冲能量在约100纳焦到约100微焦的范围内。
介质包括玻璃、石英、蓝宝石、塑料片材、或聚合物。
靶包括金属，并且所述金属可包括钢、铝、铜、金、银、和/或铂。
靶包括非金属，并且所述非金属可包括碳、硅、和/或有机材料例如聚合物。
靶包括用于发光的功能材料，所述功能包括磷光体发光和电致发光中的一种或多种。
靶包括用于彩色印制的材料。
靶包括由靶材料制成的结构。
靶材料是金属，并且所述金属可包括贵金属。
靶材料包括绝缘体，并且所述绝缘体可包括矿物质和/或金属氧化物。
激光束扫描速度根据要印制的图案的灰度改变。
1mm/s-1m/s的激光束扫描速度被用于产生积聚的材料沉积。
激光束扫描线密度在1-100条线/每毫米的范围内。
介质被设置成与靶接触，设置在距靶100微米内，或设置在距靶5mm内。
光密度对应于图案的数字化图像中的至少三个灰度级。
靶的表面具有的粗糙度大于激光的波长。
图案包括位图图像和/或矢量图形。
通过图案的周围或受控照射可获得具有可识别特征的灰度图像。
介质被设置在源和靶之间，并且喷出物沿与激光方向相反的方向传播。
控制包括扫描脉冲激光束和改变扫描速度。
控制包括扫描脉冲激光束和改变扫描的线密度。
介质的位置相对于靶设置以便控制图案的空间分辨率。
控制包括在靶上一个或多个光栅和矢量图形中扫描脉冲束。
至少一个脉冲宽度在约100fs到约10ps的范围内。
至少一个实施例包括一种脉冲激光沉积以便在介质上产生具有光密度的图案的系统，所述介质在脉冲激光的波长下基本透明。所述系统包括用于产生脉冲激光束的高重复频率激光源，和激光束传送系统。所述激光束传送系统包括聚焦子系统以便将脉冲激光束聚焦到靶上，所述靶产生喷出物来响应脉冲束和靶的相互作用。至少一部分所述喷出物积聚在介质上并且在介质上形成材料沉积物。控制器被连接至所述源和激光束传送系统用于控制材料沉积物的厚度以便改变介质的一区域的光密度。形成了具有不同的光密度的空间图案。
在不同的实施例中：
传送系统包括激光束偏转器，并且聚焦子系统包括扫描透镜。
控制器被设置成改变激光束扫描速度和扫描线密度中的至少一个以控制厚度。
介质和靶通过提供分隔的间隙被分隔开，并且所述间隙可填充有周围空气或填充有流动的干空气、或惰性气体，例如氮气或氩气。可以控制间隙内的物理参数，例如压力。
至少一个实施例制造一种产品，所述产品包括其上形成有图案的介质。所述图案通过上文所述的脉冲激光沉积方法形成。在不同的实施例中，图案对应于数字化图像中具有至少三个可察觉灰度级的灰度图像。
至少一个实施例包括一种脉冲激光沉积以便在介质上产生图案的方法，所述介质在脉冲激光的波长下基本透明。所述方法包括由脉冲激光源产生脉冲激光束，并且将脉冲激光束聚焦到靶上。所述靶产生喷出物来响应脉冲束和靶的相互作用。所述方法包括在介质上积聚至少一部分喷出物以便在介质上形成材料沉积物。沉积材料包括功能材料，所述功能材料可操作以发出辐射来响应激励。所述方法包括：
控制材料沉积物的厚度以便改变材料沉积物的光学特性。
在不同的实施例中，功能材料的光学特性包括发磷光、电致发光、和用于可视颜色效应的选择性光吸收和发射中的一种或多种。所述激励可包括辐射、例如导致荧光激发的短波长辐射。
因此，尽管本文仅具体描述了某些实施例，但显而易见，在不偏离本发明的精神和保护范围的情况下可对本发明做出多种修改。此外，首字母缩写词仅用于增强说明书和权利要求书的可读性。应当指出，这些首字母缩写词并不旨在降低所用术语的概括性并且不应当将它们解释成将权利要求书的范围限制于本文所述的实施例。
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Claims (42)

1.一种脉冲激光沉积以便在介质上产生图案的方法，所述介质在所述脉冲激光的波长下基本透明，所述方法包括：
由脉冲激光源产生脉冲激光束；
将所述脉冲激光束聚焦到靶上，所述靶产生喷出物来响应所述脉冲激光束和所述靶的相互作用；
在所述介质上积聚至少一部分所述喷出物以便在所述介质上形成材料沉积物；和
控制所述材料沉积物的厚度以改变所述介质的一区域的光密度，并且形成具有不同的光密度的空间图案。
2.根据权利要求1所述的方法，包括：
使所述脉冲激光束透射通过所述介质；
相对于所述介质和靶扫描所述激光束；和
改变激光束扫描速度和扫描线密度中的至少一个以控制所述厚度。
3.根据权利要求1所述的方法，其中至少一部分所述图案可被表征为具有一维厚度分布，所述一维厚度分布具有比紧邻的周围部分更薄厚度的中心部分，控制所述周围部分的厚度以改变光密度。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述脉冲激光源具有从约100kHz到1GHz的重复频率。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述激光脉冲具有在约10飞秒至可达到约100纳秒的范围内的脉冲持续时间。
6.根据权利要求1所述的方法，其中激光脉冲能量在约100纳焦到约100微焦的范围内。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述介质包括玻璃、石英、蓝宝石、或聚合物。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述靶包括金属。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述金属包括钢、铝、铜、金、银、或铂。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述靶包括非金属。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述非金属包括碳、硅、或聚合物。
12.根据权利要求1所述的方法，其中所述靶包括用于发光的功能材料，所述功能包括磷光体发光和电致发光中的一种或多种。
13.根据权利要求1所述的方法，其中所述靶包括用于彩色印制的材料。
14.根据权利要求1所述的方法，其中所述靶包括由靶材料制成的结构。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述靶材料是金属。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述金属包括贵金属。
17.根据权利要求14所述的方法，其中所述靶材料包括绝缘体。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述绝缘体包括矿物质和金属氧化物中的至少一种。
19.根据权利要求2所述的方法，其中所述激光束扫描速度根据要印制的图案的灰度改变。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述激光束扫描速度在约1mm/s-约1m/s的范围内，并且用于产生积聚的材料沉积。
21.根据权利要求2所述的方法，其中所述激光束扫描线密度在1-100条线/每毫米的范围内。
22.根据权利要求1所述的方法，其中所述介质被放置成与所述靶接触，或放置在距所述靶可达到约5毫米的距离处。
23.根据权利要求1所述的方法，其中所述光密度对应于所述图案的数字化图像中的至少三个灰度级。
24.根据权利要求1所述的方法，其中所述靶的表面具有的粗糙度大于所述激光的波长。
25.根据权利要求1所述的方法，其中所述图案包括位图图像。
26.根据权利要求1所述的方法，其中所述图案包括矢量图形。
27.根据权利要求1所述的方法，其中通过所述图案的周围或受控照射可获得具有可识别特征的灰度图像。
28.根据权利要求1所述的方法，其中所述介质被设置在所述源和所述靶之间，并且所述喷出物沿着与激光方向相反的方向传播。
29.根据权利要求1所述的方法，其中所述控制步骤包括扫描所述脉冲束和改变所述扫描速度。
30.根据权利要求1所述的方法，其中所述控制步骤包括扫描所述脉冲束和改变所述脉冲束扫描的线密度。
31.根据权利要求1所述的方法，其中所述介质的位置相对于所述靶设置以便控制所述图案的空间分辨率。
32.根据权利要求1所述的方法，其中所述控制步骤包括在所述靶上一个或多个光栅和矢量图形中扫描所述脉冲束。
33.根据权利要求1所述的方法，其中至少一个脉冲宽度在约100fs到约10ps的范围内。
34.一种脉冲激光沉积以便在介质上产生具有光密度的图案的系统，所述介质在所述脉冲激光的波长下基本透明，所述系统包括：
用于产生脉冲激光束的高重复频率激光源；
激光束传送系统，所述激光束传送系统包括：聚焦子系统，以便将所述脉冲激光束聚焦到靶上，所述靶产生喷出物来响应所述脉冲束和所述靶的相互作用，其中至少一部分所述喷出物积聚在所述介质上并且在所述介质上形成材料沉积物；和
控制器，所述控制器被连接至所述源和所述激光束传送系统，用于控制所述材料沉积物的厚度以改变所述介质的一区域的光密度，并且形成具有不同的光密度的空间图案。
35.根据权利要求34所述的系统，其中所述传送系统包括激光束偏转器，并且所述聚焦子系统包括扫描透镜。
36.根据权利要求34所述的系统，其中所述控制器被设置成改变激光束扫描速度和扫描线密度中的至少一个以控制所述厚度。
37.根据权利要求34所述的系统，其中所述介质和所述靶通过提供分隔的间隙被分隔开，并且所述间隙被设置成包含周围空气、流动的干空气或惰性气体。
38.一种其上形成有图案的介质，所述图案通过权利要求1所述的脉冲激光沉积方法形成。
39.根据权利要求38所述的介质，其中所述图案对应于数字化图像中具有至少三个可察觉灰度级的灰度图像。
40.一种脉冲激光沉积以便在介质上产生图案的方法，所述介质在所述脉冲激光的波长下基本透明，所述方法包括：
由脉冲激光源产生脉冲激光束；
将所述脉冲激光束聚焦到靶上，所述靶产生喷出物来响应所述脉冲束和所述靶的相互作用；
至少一部分所述喷出物积聚在所述介质上以便在所述介质上形成材料沉积物；所述沉积物包括功能材料，所述功能材料可操作以发出辐射来响应激励；和
控制所述材料沉积物的厚度以改变所述材料沉积物的光学特性。
41.根据权利要求40所述的方法，其中所述功能材料的光学特性包括发磷光、电致发光、和用于可视颜色效果的选择性光吸收和发射中的一种或多种。
42.根据权利要求40所述的方法，其中所述激励包括输入辐射。
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