CN109937269B - 激光烧蚀装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明介绍了一种用于PLD应用的激光烧蚀装置和相应的方法，其中利用圆形扫描图案在目标(11‑12，31‑34，41‑46，51‑53，62，73，84，92，102，114，124)表面上实现高扫描速度，用于有效的涂覆过程。该装置允许目标和扫描线的灵活定位，以优化大表面区域上的涂层均匀性以及用于扫描的高占空比。这些特征对于实现高效的工业涂覆工艺至关重要。快速光学切换(15，37，40，57)和扫描镜(13‑14，35‑36，47‑49，54‑56，61，72，83，91，101，112，122)的同步旋转使能激光能量沿目标表面上的长扫描线路径的有效分配。

Description

激光烧蚀装置和方法
技术领域
本发明涉及脉冲激光沉积(PLD)中的激光扫描并且利用该技术涂覆各种材料。
背景技术
脉冲激光沉积是一种技术，其中短激光脉冲用于从固体目标分离和释放材料，该过程称为激光烧蚀，并且分离的材料将行进到基底或基础材料上，其中它粘附并形成涂层。可以设计激光源，使得可以控制或选择脉冲的波长、脉冲长度、脉冲能量和重复率。此外，可以使用光学器件来控制例如目标表面上的激光脉冲的偏振、光斑尺寸和强度分布。在某些条件下，材料的分离可以在目标表面上没有显著的热加热的情况下发生。
可以在目标表面上扫描激光脉冲，以增加被释放材料涂覆的区域并使目标能够平滑地磨损。另外，基底可以在涂覆区域中移动，以在基底上涂覆更大的区域。与这两者一起，有效的激光扫描和基底操作，使脉冲激光沉积方法更适用于工业涂覆工艺。
基于PLD的方法的生产率是高度关注的，并且与现有技术的涂覆溶液相比，非常希望增加。提高基于PLD的涂覆方法的生产率或有效性的一种方法是增加激光脉冲的重复率和激光在目标上的扫描速度。高扫描速度可以通过旋转的光学元件(如镜)实现，其中激光脉冲被引导到其中。当镜绕轴旋转时，反射激光脉冲将被分配到由光学设备限定的角度。多面镜与特定扫描透镜一起是在平面表面上实现聚焦激光束的高扫描速度的常用且可商购的方式。基于旋转光学元件的扫描的简单实现是旋转单面镜，具有一个反射表面，其可以围绕旋转轴产生圆形扫描线，非常像灯塔中的原理。仍然存在各种可选设备，这些光学装置如何可以用于脉冲激光沉积，具有将目标相对于光学元件放置以及目标具有什么物理形状的若干可能性。
FI 20146142提出并描述了基于PLD的涂覆方法的扫描原理，其中镜围绕轴旋转并且反射的激光脉冲指向环形圆形目标的表面，因此，烧蚀点将沿着目标表面上的圆形路径移动。烧蚀的材料从这样的圆形线排出，形成环形材料源。此外，使用旋转镜的扫描装置可以配备有固定有镜的保护结构，其中该结构仅包括用于输出激光脉冲序列的小间隙，使得分离的目标材料基本上不会传播回到镜的表面上作为潜在的有害污染物。该方法的一个缺点是，由于完整圆形路径的烧蚀导致的涂层的厚度均匀性对于某些应用来说不是最佳的。此外，提高厚度均匀性水平的大多数潜在方式需要对待涂覆的基底进行复杂的操作，并且导致涂覆过程的占空比和有效性降低和/或废料量的增加。
发明内容
本发明介绍了一种有效的扫描方法和装置，其结合了至少两个目标，快速光学切换和旋转扫描用于将激光脉冲序列引导到这些目标上。
附图说明
图1示出了在第一扫描阶段结束时具有两个半圆形目标、快速光学开关和两个旋转扫描镜的第一扫描装置；
图2示出了第二扫描阶段开始时的第一扫描装置；
图3示出了具有四个目标、90度弧和两个镜的第二扫描装置；
图4示出了具有六个目标、60度弧和三个镜的第二扫描装置；
图5示出了具有三个目标、120度弧和三个镜的第二扫描装置；
图6示出了具有旋转镜、可移动倾斜表面目标和基底的装置的侧视图；
图7示出了改变四分之一波片中光的偏振的装置的侧视图；
图8示出了还包括聚焦透镜的装置的侧视图；
图9示出了一种装置的侧视图，其中旋转镜相对于目标放置在不同的水平上；
图10示出了一种装置的侧视图，其中目标可以水平和竖直地移动；
图11示出了一种装置的侧视图，其中附加的反射表面用于传播的激光脉冲序列，其中目标可在两个方向上移动；和
图12示出了一种装置的侧视图，其中附加的反射表面用于传播的激光脉冲序列，其中倾斜的表面目标可竖直地移动。
具体实施方式
本发明介绍了一种激光束扫描方法和适用于脉冲激光沉积(PLD)技术的装置及其在各种涂覆应用中的用途。换句话说，本发明讨论了激光烧蚀装置和相应的方法。
本发明公开了一种以交替方式在至少两个不同目标上扫描短激光脉冲的方法。图1示出了第一扫描装置的构思的示例，示出了简化的俯视图。有两个目标11，12形状相同，示出为弧形，每个都是完整圆环的一半。在此情况下，两个目标11，12都具有它们自己的旋转扫描镜13，14，其位于由目标的曲率半径限定的距离处，使得目标11，12的中心点位于镜13，14的旋转轴线上。这意味着如果通过旋转镜13，14扫描聚焦的激光束，则在扫描期间光束焦点将准确地在目标11，12的弯曲表面上。在该示例中，镜13，14的旋转轴垂直于纸的平面。激光束沿镜的旋转轴传播到镜。这也结合图7-12进行说明。镜的旋转轴不需要是平行的。
考虑到采用的应用，可以自由选择目标材料。还可以具有全部不同材料的目标，从而产生具有不同组成或多层涂层的涂层。目标可以具有单一材料，或者它可以是多材料对象，例如层压对象。所需的涂覆材料的特性可能会有很大差异。
图1的示例中的扫描镜被设置为通过控制器以相同的角速度同步旋转，而不一定旋转到相同的方向。光学开关15，包括例如电光调制器(EOM)和偏振分束器，选择性地切换激光束以行进到镜13或镜14。镜13，14的角位移和切换的时间被设置成使得在扫描的第一阶段，镜13扫描第一目标11上的激光束。一旦镜13到达目标11上的扫描结束(半圈)，激光束就切换到镜14，该镜14将在第二个目标12开始扫描。扫描的第二阶段如图2所示，具有与图1中已讨论过的相同的物理部件。在扫描的第二阶段，当镜14将激光束扫描在目标12上时，镜13也旋转半圈达到一角位移，以便在目标11上开始扫描。光束再次切换回镜13并重复阶段1。扫描以这种交替方式继续进行，实际上是带有一个旋转镜和一个完整的圆环目标的一个完整的圆形扫描。这意味着扫描的占空比接近100％，仅受到切换所需的短时间的影响。然而，将目标环分成两半允许不同的几何装置以相对于被涂覆的基底定位目标，因此允许例如优化涂层的均匀性。
基于图1和2中所示并且如上所述的基本原理，旋转扫描器和圆弧目标可以以许多不同的方式装置。图3-5示出了一些示例，其中相同的圆弧目标，一起形成完整的圆，已经以各种构造定位。
图3示出了包括四个目标31，32，33，34的扫描装置，每个目标覆盖整个圆圈的90度的角度。从图3中可以看出，包括两个组的两个相对定位的目标区段是基于并排的。左边的第一组包括目标(区段)31和33，而右边的第二组包括目标32，34。在由第一组31，33的目标围绕的圆的中心，定位在该示例中顺时针旋转的第一镜35，并且相应地，在第二组目标32，34的中心定位也沿顺时针方向旋转的第二镜36。首先，光学开关37将激光脉冲引导到第一组目标上，更具体地，引导到目标31。当来自第一镜35的反射光束覆盖目标31的整个90度时，光学开关将在图3的情况下，将激光脉冲切换到目标32上及其左侧边缘。镜将再次转动90度，并且切换将再次发生，这次进入目标33。在再次切换到目标34上之后，并且当该区段完成(在该图中的左侧端中)时，完成来自所有分区段的目标的完整的360度烧蚀。此后，所公开的圆可以再次从目标31开始，并且该方法以与上面公开的类似方式继续。
当然，需要选择光学开关37和烧蚀目标31-34的位置，使得始终存在用于激光脉冲的视线，使得来自光学开关37的激光脉冲到达镜35或36并且来自于镜35或36的反射将不间断地到达所需的目标区段。可以通过可编程的控制器单元实现镜35，36的旋转运动和角度位置的智能控制以及光学开关37的控制。
图3中的虚线示出了当第二目标32上的烧蚀刚刚结束的时刻，并且第三目标33即将开始(如虚线所示)，由光学开关37的动作触发。
图4示出了可能的分段目标装置的另一实施例。该示例包括六个目标41-46，其中每个目标具有60度弧。这些目标以三个圆形组的形式放置，每组中有两个目标彼此相对放置。第一组的镜是镜47，第二组的镜是镜48，第三组的镜是镜49。所有镜在这里以顺时针方向旋转。光学开关40以精确控制的、时间敏感的方式控制到这些镜47-49中的每一个的激光脉冲。
图4中的时间点示出了其中已经扫描了沿着第一分段目标41的前80％的时刻。在光学开关将朝向其他镜48，49作用的情况下，镜48和49中的反射角分别示出为通过反射激光脉冲的想象方向。
同样在该示例中，所有六个分段目标的累积角度等于360度。
图5示出了分段目标的另一个实施例及其相互位置。在该示例中，存在三个分段目标51，52，53。每个目标具有120度的弧。组合的这些目标将产生360度角，即完整的圆。在该示例中，值得注意的是，目标的旋转方向可以在任何两个旋转目标之间相反。在该示例中，第三目标53沿逆时针方向旋转，而第一目标51和第二目标52沿顺时针方向旋转。如在较早的相应示例中那样，第一镜是在第一目标51的弧的中心的镜54。第二镜和第三镜分别是镜55和56。光学开关57用作激光源(图中未示出)和正确目标之间的控制元件。
图5中所示的时间点描绘了第三目标53已被扫描其总弧长的约90％的情况。在第三目标53之后，扫描将移动到第二目标52上。此后，将从目标51的底部边缘开始扫描第一目标51。
在本发明中仍然可以获得许多其他可能的变化。圆弧目标的主要条件是，装置中所有目标的弧的总角度为360度(意味着完整的单圈)，以便达到激光器的最大占空比和目标材料的最佳利用率。具有多个激光源和不同弧度的装置也是可能的。
图6示出了根据本发明的一个实施例的具有旋转镜61、可移动倾斜表面目标62和基底64的装置的侧视图。镜61可以是三角形反射元件。当观察横截面图像时，目标62可以具有梯形形状。当反射的激光脉冲序列撞击目标62的最外边缘时，目标中的倾斜角度导致分离的材料63的有利方向。这意味着分离的材料将不会在很大程度上朝向镜61传播回来，而是分离的材料63流可以被引向基底64。在该示例中，基底64是平面的。而且，可以应用辊到辊(roll-to-roll)型方法，以便将基底从第一辊释放到涂覆区域，并将涂覆的基底从涂覆区域收集到第二辊上。此外，如图6所示，倾斜表面的目标62可以被抬起或降低，以便在目标表面的顶部上露出新的扫描线。这确保了在长时间的烧蚀期间目标表面的平滑磨损。
图7示出了用于控制激光脉冲的偏振的装置的侧视图。从激光源发射的激光和光学开关之后的激光可以是线性偏振光。首先，使用四分之一波片(非旋转，未示出)将激光脉冲的偏振从线性偏振变换为圆偏振。此后，随着镜旋转的四分之一波片71从圆偏振光产生与扫描镜72一起旋转的线性偏振光。线性偏振光将从也旋转的扫描镜72反射。然后，线性偏振的激光脉冲序列将与目标73的外表面接触。理想地，该装置在入射到旋转的镜表面和目标表面上时提供相同的激光偏振特性，因此，圆形目标上的整个扫描的烧蚀条件相同。在该示例中，目标73具有与图6的目标62相似的特征。作为烧蚀的结果，材料74将被分离并从目标73的表面喷射。喷射的材料74向前朝向基底75传播并且粘附并且冷凝于其上，从而形成涂层，或者形成整个涂层的一部分。
图8示出了还包括聚焦透镜81的扫描装置的又一个实施例。聚焦透镜81位于光学开关和四分之一波片82之间。从聚焦透镜81到目标84表面的光束路径长度可以通过调节聚焦透镜81的位置来改变，以确保适当地聚焦到目标84表面上。此外，可以用聚焦透镜81调节光斑尺寸。需要聚焦透镜81的移动，以便当移动目标以烧蚀整个目标表面时在目标84表面上产生恒定的激光光斑尺寸。其他元件与图7一致。换句话说，扫描镜83将以与四分之一波片82相同的角速度和方向旋转。从目标84表面露出的分离材料85将被引向基底86，在那里它粘附并形成涂层或其一部分。
图9示出了其中旋转镜91放置在目标92的平面上方的装置的侧视图。与先前实施例相比，根据图9的实施例的主要区别在于在镜91上的激光脉冲序列的入射角不是45度。这例示了在设备中装置部件及其取向的可能性，使得从目标92分离的喷射材料93的方向相对于基底94是最佳的。通过还调整目标92的高度，扫描线可以智能地控制，以确保目标92的平滑和均匀的磨损。
图10示出了其中目标102可以水平和竖直地移动的装置的侧视图。此外，目标102的横截面侧视图是矩形。该实施例另外具有与图9的实施例相同的原理，但是具有目标102的双向移动可能性，目标102上的扫描线位置以及目标102和基底104之间的距离都可以是容易控制。这允许目标102表面上的各种扫描图案，以使目标102平滑且均匀地磨损。分离的材料103流甚至可以具有与朝向镜101的入射激光脉冲序列相同的方向。在该示例中，在镜101中的反射角小于90度。
图11示出了一种装置的侧视图，其中附加的反射表面113用于传播的激光脉冲序列，其中目标114可在两个方向上移动。该装置包括聚焦透镜111和镜112，其将入射的激光指向钝角(在90和180度之间)。此后，反射的激光脉冲序列与另外的反射表面113接触，在该示例中可以调节该反射表面的相对于镜112的高度。此外，在该示例中，附加的反射表面113在该侧视图像中沿水平方向放置。该装置使得能够通过镜112的旋转以及附加的反射表面113的移动来扫描目标114表面上的激光脉冲序列。目标114的移动在该构造中可能根本不需要，但是可以用于补偿目标114的磨损或用于产生另外的扫描图案。
在附加反射之后，激光脉冲序列被引导到根据本发明的目标114的表面上，其中目标114具有与图10中的目标102相似的特性。分离的材料115将沿向上的方向(或一些其他选定的方向)传播，并且最后，它将面对并粘附到基底116的表面上。
最后，在本发明的又一个实施例中，图12示出了一种装置的侧视图，其中附加的反射表面123用于传播的激光脉冲序列，其中倾斜的表面目标124可在竖直方向上移动。该装置还包括聚焦透镜121和旋转镜122，旋转镜122对进入的激光脉冲序列进行钝角反射。可以调节附加的反射表面123的高度，并且受附加的反射表面123影响的反射激光脉冲序列将最终撞击倾斜表面目标124的表面。可以调节目标124的高度。在激光脉冲碰撞到目标124上之后的结果是分离材料125云。分离的材料125将到达，接触并粘附到基底126的表面上，因此，它在基底126上形成涂层或涂层的一部分。
应注意到，这些示例不一定表示任何最佳构造，而是显示与本发明相关的可能性和自由度。此外，可以在相同的设置中使用若干不同尺寸的激光源和目标。
接下来讨论该装置的各种其他元件，以及可用于该装置的不同元件的不同参数选项。对于上面段落中已经介绍的部件，还更详细地讨论了一些澄清特征和特性。
涂覆装置的能量来自激光源，其参数可由控制单元控制。激光源能够发射非常短的激光脉冲，其中可以选择脉冲长度，例如，从500fs到100ns的范围。此外，可以通过控制单元选择激光脉冲的重复频率，例如，从100kHz到100MHz的范围内。还可以指定单个激光脉冲的能量，并且在一个实施例中，选择其在2μJ...100μJ的范围内。
而且，在本发明中，所公开的扫描原理不限制适用的激光参数。然而，可预见的益处来自于使用高脉冲重复率，其需要目标表面上的高扫描速度以实现脉冲的分离。将激光功率有效地分配到更大的表面区域(更长的扫描路径)上允许利用高平均激光功率。当考虑脉冲激光沉积方法的工业实用性时，这些是重要因素。
例如，以40MHz的重复率到达的脉冲的分离，在目标的表面上具有50μm的光斑尺寸的脉冲将需要2000m/s的扫描速度。在具有500mm的曲率半径的圆弧目标的情况下，这需要扫描镜在40000rpm下旋转。
激光脉冲串，即一系列激光脉冲，被引导到一个或多个光学元件，其可用于将激光光斑精确地聚焦到所需距离，并且还用于选择和调整激光脉冲的光斑尺寸。在高斯强度分布的情况下，单个激光脉冲的光斑直径可以限定为“FWHM”(半峰全宽)或强度水平等于强度峰值的1/e2倍的宽度。出于简化的原因，仅描绘了单个光学元件，但是在实际装置中，可以存在多个反射，聚焦和/或以其他方式操纵输入激光脉冲及其强度分布的各种元件。光学元件可以是透镜、镜、衍射元件、波片、偏振器或滤光元件。
该装置包括光学切换器件，其被构造成在期望的时间点将输入的激光脉冲引导到期望的扫描镜。这些时间点由镜和目标的几何装置以及镜的旋转速度限定。在一个实施例中，镜(可以是平面对象，或三角形或多边形元件的外表面)可以围绕轴线旋转，以便实现所需的对准角度。
如果目标是环形或超环面形或圆形板，则入射激光脉冲序列与反射元件中的反射激光脉冲序列之间形成的角度可以是钝角，但替代地可以是锐角，或者是直角。
当扫描镜旋转时，优选地以恒定的角速度旋转，烧蚀点沿着第一目标的表面移动。在从开始旋转360度之后，烧蚀点将与早先受影响的扫描线重合。通常，目标表面的均匀磨损对于烧蚀和沉积条件的稳定性是优选的，尤其是在工艺较长时间运行的工业中。为了避免由于重叠导致的顺序扫描线的重叠和在目标表面上形成深槽，需要目标相对于扫描线的移动或扫描线在目标上的移动。可以将运动设置为在给定时间点的阶梯式变化或者作为缓慢、连续的运动。该运动的方向取决于目标几何形状和扫描装置。在某些情况下，该运动将导致目标表面和光学器件之间的距离发生变化。在这些情况下，需要与目标的移动同步地移动光学器件，以便在目标表面上保持激光束特性和烧蚀条件。扫描线可以通过扫描镜和光学器件的移动或者通过扫描镜和目标之间的附加的移动镜来移动。
撞击目标的激光脉冲将部分地吸收到材料中并部分地反射，吸收深度以及吸收和反射能量的量取决于目标和激光脉冲的特性。在合适的条件下，单个激光脉冲可导致烧蚀，即从目标表面移除和释放材料。通过激光烧蚀喷射的材料可以包含电离材料(等离子体)、激发或中性原子(蒸气)、带电或中性粒子、目标材料的碎片，这取决于目标材料和激光脉冲的特性。材料移除也可能是累积过程的结果，其中若干后续激光脉撞击目标上的相同区域。
在目标材料中吸收但在材料移除过程中不消耗的能量的分数将有助于提高目标的温度。通常，较短的激光脉冲将导致目标材料中较少的热效应。然而，除了脉冲长度之外，还有其他因素，例如激光波长以及激光脉冲的空间和时间强度分布，影响特性。
在合适的条件下，从目标喷射的材料可以行进到基底的表面。可以将基底(图1中未示出)放置在第一目标附近的适当位置，使得喷射的材料流撞击基底的表面，冷凝并粘附在其上，形成薄的材料层。在许多情况下，基底是平面板，其可以静止放置，或者为了提高涂覆过程的生产率，作为例如通过应用辊到辊原理的移动基底。基底可具有几乎任何形状和尺寸，但涂层均匀性和特征受到PLD工艺的视线性质以及操纵待涂覆对象的可能方式的限制。
整个PLD装置通常放置在可以实现真空条件的封闭腔室中。还可以以受控的方式将气态材料送入腔室中，从而可以精确地控制腔室的压力。还可以在腔室中使用一些保护器件(未示出)，以保护诸如镜和透镜的光学元件免受由可能向后传播到光学元件上的分离材料产生的污染。这可以是物理覆盖对象，其可以具有用于行进激光脉冲通过的小间隙。
当然，当需要时，最初或在PLD过程期间可以设置和改变激光源参数。
作为本发明及其实施例的概述，本发明介绍了一种用于涂覆基底的激光烧蚀装置。该装置包括控制单元；发射激光脉冲的至少一个激光源；至少两个目标，其中至少两个目标中的每一个的烧蚀表面形成为圆弧；至少两个可控制的扫描镜，每个都可绕其轴线旋转，并且这些扫描镜构造成以相同的角速度彼此同步旋转；可控制的光学开关，其可以将入射的激光脉冲引导到至少两个不同的路径，其中入射的激光脉冲指向光学开关，并且输出脉冲一次被引导到选定的扫描镜，并且进一步被引导到所述至少两个目标中的所选择的目标，其中所述控制单元被构造为在选定的时间段内激活所述光学开关，使得烧蚀的材料连续地从所述至少两个目标分离，以便在所述基底上形成涂层。
在本发明的一个实施例中，目标的弧相加在一起形成完整的圆。
在本发明的一个实施例中，将基底放置在目标的近距离处，以使烧蚀的材料作为单层涂层或作为多层涂层粘附到基底上。
在本发明的一个实施例中，存在两个由不同材料或材料组合物制成的目标。
在本发明的一个实施例中，目标的形状类似于圆环、圆柱体、圆锥体、截锥体、或在其端部倾斜或歪斜的圆柱形元件，或者目标是板。
在本发明的一个实施例中，在烧蚀过程期间，控制单元被构造为同时控制所有扫描镜的旋转，并且光学开关被装置成将激光脉冲引导到所选择的扫描镜达给定时间段。
在本发明的一个实施例中，到达目标表面的激光脉冲是线性或椭圆或圆偏振的。
在本发明的一个实施例中，通过旋转器件对所有扫描镜将旋转速度选择为相互相同。
在本发明的一个实施例中，至少两个扫描镜的旋转轴彼此平行排列。
在本发明的一个实施例中，第一目标由第一物质制成，第二目标由不同于第一物质的第二物质制成，其中该装置被构造为当接通所述装置时制造在基底的顶部上具有交替的第一和第二物质的分层涂层。
在本发明的一个实施例中，该装置包括两个半圆形目标。
在本发明的一个实施例中，该装置包括三个目标，每个目标具有120度弧。
在本发明的一个实施例中，该装置包括四个目标，每个目标具有90度弧。
在本发明的一个实施例中，该装置包括六个目标，每个目标具有60度弧。
在本发明的一个实施例中，光学处理器件用在使用中的激光源和光学开关之间，和/或在光学开关和扫描镜之间。
在本发明的一个实施例中，光学处理器件包括四分之一波片，其将入射激光脉冲的偏振从圆偏振光转换成线偏振光。
在本发明的一个实施例中，光学处理器件包括至少一个聚焦透镜，其沿着传播激光脉冲的路径的纵向放置能够被调节。
在本发明的一个实施例中，可以调节目标的放置，使得扫描镜和目标之间的距离和/或目标和基底之间的距离可以改变。
在本发明的一个实施例中，在扫描镜和待烧蚀的目标之间放置另外的反射表面，用于将传播的激光脉冲引导到目标上的受控烧蚀点。
此外，本发明的发明构思还公开了用于涂覆基底的相应激光烧蚀方法，该方法包括以下步骤：
-通过至少一个激光源发射激光脉冲；
-通过控制单元分别控制至少两个可控制的扫描镜的旋转，每个扫描镜围绕其轴线旋转；
-控制光学开关，用于将激光脉冲从光学开关一次引导到单个选定的扫描镜；
-其中扫描镜以相同的角速度彼此同步旋转，其中发射的激光脉冲指向所选择的扫描镜，并且反射的脉冲指向至少两个目标中的选定目标，其中至少两个目标中的每个的烧蚀表面形成为圆弧；其中，
-在选定的时间段内将发射的激光脉冲从一个扫描镜切换到另一个扫描镜，使得烧蚀的材料连续地从至少两个目标上分离，以便在基底上形成涂层。
在根据本发明的方法的一个实施例中，目标的弧相加在一起形成完整的圆。
本发明不仅仅限于所给出的实例，而是由以下权利要求限定本发明的范围。

Claims (21)

1.一种用于涂覆基底(64，75，86，94，104，116，126)的激光烧蚀装置，其中该装置包括：
-控制单元，
-发射激光脉冲的至少一个激光源，其特征在于，该装置还包括
-至少两个目标(11-12，31-34，41-46，51-53，62，73，84，92，102，114，124)，其中至少两个目标中的每个的烧蚀表面形成为圆弧，
-至少两个可控制的扫描镜(13-14，35-36，47-49，54-56，61，72，83，91，101，112，122)，每个分别围绕其轴是可旋转的，并且该扫描镜构造成以相同的角速度彼此同步旋转，
-可控制的光学开关(15，37，40，57)，其能够将入射激光脉冲引导至至少两个不同的路径，其中入射激光脉冲指向光学开关(15，37，40，57)并且输出脉冲一次被引导到选定的扫描镜(13-14，35-36，47-49，54-56，61，72，83，91，101，112，122)，并进一步指向至少两个目标中的选定目标，其中
-控制单元被构造为在选定的时间段内激活光学开关(15，37，40，57)，使得烧蚀的材料(63，74，85，93，103，115，125)与至少两个目标(11-12，31-34，41-46，51-53，62，73，84，92，102，114，124)连续分离，以便在基底(64，75，86，94，104，116，126)上形成涂层。
2.根据权利要求1所述的激光烧蚀装置，其特征在于，所述目标(11-12，31-34，41-46，51-53，62，73，84，92，102，114，124)的弧相加一起形成完整的圆。
3.根据权利要求1所述的激光烧蚀装置，其特征在于，基底(64，75，86，94，104，116，126)放置在目标(11-12，31-34，41-46，51-53，62，73，84，92，102，114，124)的近距离处，以便使烧蚀材料作为单层涂层或多层涂层粘附在基底上。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的激光烧蚀装置，其特征在于，存在两个目标(11-12，31-34，41-46，51-53，62，73，84，92，102，114，124)由不同材料或材料组合物制成。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的激光烧蚀装置，其特征在于，所述目标(11-12，31-34，41-46，51-53，62，73，84，92，102，114，124)被成形为像圆环、圆柱体、圆锥体、截锥体、或在其端部倾斜或歪斜的圆柱形元件，或目标(11-12，31-34，41-6，51-53，62，73，84，92，102，114，124)是板。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的激光烧蚀装置，其特征在于，在烧蚀过程中，控制单元被构造为同时控制所有扫描镜(13-14，35-36，47-49，54-56，61，72，83，91，101，112，122)的旋转，以及光学开关(15，37，40，57)被装置成将激光脉冲引导到所选择的扫描镜达给定时间段。
7.根据权利要求1-3中任一项所述的激光烧蚀装置，其特征在于，到达目标表面的激光脉冲是线性或椭圆或圆偏振的。
8.根据权利要求1-3中任一项所述的激光烧蚀装置，其特征在于，对于所有扫描镜(13-14，35-36，47-49，54-56，61，72，83，91，101，112，122)，通过旋转器件将旋转速度选择为相互相同。
9.根据权利要求1-3中任一项所述的激光烧蚀装置，其特征在于，所述至少两个扫描镜(13-14，35-36，47-49，54-56，61，72，83，91，101，112，122)的旋转轴彼此平行排列。
10.根据权利要求1-3中任一项所述的激光烧蚀装置，其特征在于，第一目标(11)由第一物质制成，第二目标(12)由不同于第一物质的第二物质制成，其中，所述装置被构造成在所述装置接通时制造在所述基底(64，75，86，94，104，116，126)的顶部上具有交替的第一和第二物质的分层涂层。
11.根据权利要求1-3中任一项所述的激光烧蚀装置，其特征在于，所述装置包括两个半圆形目标(11，12)。
12.根据权利要求1-3中任一项所述的激光烧蚀装置，其特征在于，所述装置包括三个目标(51-53)，每个目标具有120度弧。
13.根据权利要求1-3中任一项所述的激光烧蚀装置，其特征在于，所述装置包括四个目标(31-34)，每个目标具有90度弧。
14.根据权利要求1-3中任一项所述的激光烧蚀装置，其特征在于，所述装置包括六个目标(41-46)，每个目标具有60度弧。
15.根据权利要求1-3中任一项所述的激光烧蚀装置，其特征在于，光学处理器件(71，81，82，111，121)被用在使用中的激光源和光学开关(15，37，40，57)和/或在光学开关(15，37，40，57)和扫描镜(13-14，35-36，47-49，54-56，61，72，83，91，101，112，122)之间。
16.根据权利要求15所述的激光烧蚀装置，其特征在于，光学处理器件(71，81，82，111，121)包括四分之一波片(71)，其将入射激光脉冲的偏振从圆偏振光转换成线性偏振光。
17.根据权利要求15所述的激光烧蚀装置，其特征在于，所述光学处理器件(71，81，82，111，121)包括至少一个聚焦透镜(81，111，121)，该聚焦透镜沿传播的激光脉冲的路径的纵向放置能够被调节。
18.根据权利要求1-3中任一项所述的激光烧蚀装置，其特征在于，能够调节目标(62，73，84，92，102，114，124)的放置，使得扫描镜(61，72，83，91，101，112，122)和目标之间的距离和/或目标和基底(64，75，86，94，104，116，126)之间的距离能够被调节。
19.根据权利要求1-3中任一项所述的激光烧蚀装置，其特征在于，在扫描镜(112，122)和待烧蚀的目标(114，124)之间放置另外的反射表面(113，123)，用于将传播的激光脉冲引导到目标(114，124)上的受控烧蚀点。
20.一种用于涂覆基底(64，75，86，94，104，116，126)的激光烧蚀方法，该方法包括以下步骤：
-通过至少一个激光源发射激光脉冲，其特征在于，该方法还包括以下步骤：
-通过控制单元控制至少两个可控制的扫描镜(13-14，35-36，47-49，54-56，61，72，83，91，101，112，122)的旋转，每个扫描镜分别围绕其轴线旋转；
-控制光学开关(15，37，40，57)，用于将激光脉冲一次从光学开关引导到单个选定的扫描镜(13-14，35-36，47-49，54-56，61，72，83，91，101，112，122)；
-其中扫描镜以相同的角速度彼此同步旋转，其中发射的激光脉冲指向选定的扫描镜，反射的脉冲指向至少两个目标(11-12，31-34，41-46，51-53，62，73，84，92，102，114，124)中的选定目标，其中至少两个目标中的每个的烧蚀表面形成为圆弧；其中，
-在选定的时间段内将发射的激光脉冲从一个扫描镜(13-14，35-36，47-49，54-56，61，72，83，91，101，112，122)切换到另一个扫描镜(13-14，35-36，47-49，54-56，61，72，83，91，101，112，122)，使得烧蚀材料(63，74，85，93，103，115，125)从至少两个目标(11-12，31-34，41-46，51-53，62，73，84，92，102，114，124)连续地分离，以便在基底(64，75，86，94，104，116，126)上形成涂层。
21.根据权利要求20所述的激光烧蚀方法，其特征在于，所述目标(11-12，31-34，41-46，51-53，62，73，84，92，102，114，124)的弧相加一起形成完整的圆。
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0677157A (ja) * 1992-08-24 1994-03-18 Fujitsu Ltd 導電体層堆積方法及び装置
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Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0677157A (ja) * 1992-08-24 1994-03-18 Fujitsu Ltd 導電体層堆積方法及び装置
WO2016102757A1 (en) * 2014-12-23 2016-06-30 Picodeon Ltd Oy Lighthouse scanner with a rotating mirror and a circular ring target

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