本发明提供了一种激光诱导等离子体直写沉积装置，包括直写沉积加工头、基片、工作台、激光发射模块、吹气模块和多自由度运动模块，基片设置在工作台上，激光发射模块用于发射聚焦激光束；吹气模块用于向直写沉积加工头内吹气；多自由度运动模块用于提供二维或三维运动；直写沉积加工头呈筒形中空结构；内部空腔为真空腔，第一端部上设置有靶材，第二端部设置有激光入射窗；侧壁上设置有气体吹入口，另一侧设置有锥形喷嘴。本发明通过滤网、电/磁场等实现对等离子体的筛选，并通过高温锥形喷嘴实现等离子体的聚焦喷射，结合直写喷嘴与基板的相对运动，可实现图形化薄膜涂层的直接制备。本发明还同时提供给了一种激光诱导等离子体直写沉积方法。
1.一种激光诱导等离子体直写沉积装置，其特征在于，包括直写沉积加工头(1)、基片(2)、工作台(3)、激光发射模块(4)、吹气模块和多自由度运动模块，所述基片(2)设置在工作台(3)上，所述激光发射模块(4)用于发射聚焦激光束；所述吹气模块用于向直写沉积加工头(1)内吹气；所述多自由度运动模块用于提供二维或三维运动，使直写沉积加工头(1)与工作台(3)发生相对运动；
所述直写沉积加工头(1)呈筒形中空结构；所述直写沉积加工头(1)的筒形内部空腔为真空腔，所述真空腔具有两个端部，分别为第一端部和第二端部；第一端部上设置有可旋转的靶材安装座(13)，靶材安装座(13)上沿圆周方向均匀设置有多个圆形安装孔，多个圆形安装孔的圆心位于同一圆周上；多个圆形安装孔的中心轴线与靶材安装座(13)的中心轴线平行；多个靶材(5)分别固定安装在多个圆形安装孔上，其安装方位使得所述多个靶材(5)的中心轴线，以及靶材安装座(13)的中心轴线均相互平行；直写沉积加工头(1)的第二端部设置有一激光入射窗(6)；
所述直写沉积加工头(1)筒形内部空腔的侧壁上设置有一气体吹入口(7)，另一侧与气体吹入口(7)相对的位置设置有一锥形喷嘴(8)，所述锥形喷嘴(8)带有加热元件(14)；所述直写沉积加工头(1)筒形内部空腔内设置有过滤网(12)，所述过滤网(12)是高温陶瓷材质的细网状薄屏或者是孔隙结构的陶瓷薄屏；所述过滤网(12)设置在靶材(5)与等离子体汇聚区域之间，在靶材(5)与等离子体汇聚区域之间施加有电场和/或磁场，用于加速等离子体的带电粒子。
2.根据权利要求1所述的激光诱导等离子体直写沉积装置，其特征在于，在锥形喷嘴(8)的出口处，设有一个气动或电动控制的遮挡片，用于选择性的挡住或不挡住携带等离子体的气流从锥形喷嘴(8)的出口喷出。
3.一种激光诱导等离子体直写沉积方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)根据需要制备的薄膜涂层的图形和成分，设计多段加工路径，并确定与每段加工路径相对应的靶材(5)的材质；
(2)将与每段加工路径相对应的一个或多个靶材(5)安装在直写沉积加工头(1)的真空腔内的靶材安装座(13)上；
(3)将基片(2)固定在工作台(3)上，并调整好直写沉积加工头(1)与基片(2)的方位，使得直写沉积加工头(1)与基片(2)相对，而且直写沉积加工头(1)与基片(2)可以进行三维相对运动；
(4)调整激光光路，使得从外部进入直写沉积加工头(1)的真空腔内的聚焦激光束(9)的焦点恰好位于第一段加工路径所对应的靶材(5)上；并将第一段加工路径作为当前加工路径；
(5)判断当前加工路径是否需要沉积，若当前加工路径不需要沉积时，则控制直写沉积加工头(1)与工作台(3)按照当前加工路径发生相对运动，之后转入步骤(11)；
(7)使聚焦激光束(9)辐照靶材(5)，靶材(5)表面产生高温高压的等离子体(11)，等离子体(11)在直写沉积加工头(1)内膨胀飞行；
(8)从直写沉积加工头(1)侧壁上的气体吹入口(7)向真空腔内吹气，控制气体吹入口(7)向真空腔内的吹气流量，使得需要高温锥形喷嘴(8)喷射沉积时，加工头内腔气压保持高于大气压；同时在靶材(5)与等离子体汇聚区域之间施加电场和/或磁场，使得等离子体的带电粒子加速；
(9)膨胀飞行的等离子体(11)中的大原子团及大体积熔融飞溅物被过滤网(12)筛选掉，其余等离子体通过过滤网(12)，在气体的定向作用下，进入高温锥形喷嘴(8)内；
(10)控制直写沉积加工头(1)与工作台(3)按照当前加工路径发生相对运动；控制高温锥形喷嘴(8)持续进行等离子体的聚焦喷射，在基片(2)表面制备出当前加工路径所对应的图形化的薄膜涂层；
(11)关闭激光、电场、磁场，同时停止吹气；若锥形喷嘴(8)的出口处设置有遮挡片，则开启遮挡片挡住锥形喷嘴(8)的出口，使得等离子体不沉积；
(12)判断下一段加工路径所对应的靶材(5)与当前加工路径所对应的靶材(5)是否一致；若一致，则直接进入步骤(13)；
若不一致，则转动靶材安装座(13)，使得聚焦激光束(9)的焦点恰好位于下一段加工路径所对应的靶材(5)上；
(13)将下一段加工路径作为当前加工路径，重复执行步骤(5)‑(12)，依次完成每段加工路径的等离子体的聚焦喷射，实现基片(2)表面图形化的薄膜涂层的制备；
一种激光诱导等离子体直写沉积方法和装置
技术领域
[0001] 本发明属于激光应用技术领域，具体涉及一种激光诱导等离子体直写沉积方法和装置。
背景技术
[0002] 激光加工是将激光束照射到工件的表面，以激光的高能量来切除、熔化材料以及改变物体表面性能。由于激光加工是无接触式加工，工具不会与工件的表面直接摩擦产生阻力，所以激光加工的速度极快、加工对象受热影响的范围较小而且不会产生噪音。由于激光束的能量和光束的移动速度均可调节，因此激光加工可应用到不同层面和范围上。
[0003] 直写技术不是一种单一的工艺，而是从快速原型制造领域发展起来的制造电子传感元件和微结构的一类新工艺技术的统称，但“直写”(Direct Write)一词并非新概念，如我们用笔写字就属于一种典型的直写工艺过程，它本质上可看作是在大脑意识中的字体笔划图形驱动下的油墨材料沉积过程(从笔内流出沉积到纸张上)。在此基础上，可以认为“任何可以由预先设计的图形数据驱动在某种材料表面实现材料的沉积、转移或处理的工艺或技术”均可归之为直写技术，换言之，任何不是由图形数据直接驱动的加工方法，如硅基微加工工艺、LIGA工艺等，均不属于直写技术。
[0004] 直写技术能够依照计算机程序预设的形状和尺寸要求，在所指定的基板表面去除或者沉积所指定的各种材料，形成所需要功能结构的技术和工艺。与传统的基板制造技术相比，直写技术具有不需掩膜、制造精度高、易于修改、研制周期短、材料选择范围广、材料利用率高、对环境污染小等优点。直写技术主要分为减成法和加成法两种。减成法指采用特定工具在基板表面进行刻蚀或者雕刻等去除过程，该方法的工艺简单可靠，所使用的工具可以是聚焦离子束、激光束、金刚石刀具等，但所制造的微结构功能主要局限于基板相关材料。加成法是指采用特殊的工具在基板表面添加新的材料来形成微结构的过程。加成法所添加的材料不受基板材料的限制，因此可以制备的微结构种类更多，功能也更广泛。在众多的加成法直写技术中，比较成熟和应用广泛的主要有Micropen直写技术和M3D技术，但Micropen直写技术所需要的设备比较复杂，M3D技术能够适用的浆料种类较少。
[0005] 等离子体是由大量正负带电粒子和中性粒子组成的，并表现出集体行为的一种准中性气体。它已区别于物质的固、该、气三种状态，而称为物质的第四态。等离子体的集体行为体现在带电粒子的作用不局限在它自身周围，它的运动引起的空间电荷局部集中，产生空间电荷场，电荷的运动也会产生电流引起的磁场，这样的电荷电场和电流磁场，对远处的带电粒子运动发生积极的影响，因此等离子体是一个完整的整体。
[0006] 脉冲激光沉积(PulsedLaserDeposition简称PLD)技术，是伴随着激光技术的发展而一步步发展起来的。人们发现激光与固体作用时，在固体表面附近区域会产生一个由该固体成分粒子形成的发光的等离子体区，如果这些处于等离子体状态的物质离子向外喷射，并沉积于衬底上，就会形成薄膜，这就是激光沉积薄膜技术。PLD的主要制膜过程可简单描述为：一束激光通过聚焦，从窗口进入真空室。激光束的入射角度可以任意选，但一般为了提高沉积效率，常选择与靶材表面成45°。激光照射到靶材上，使靶材瞬时获得1～10J/2
cm的能量密度，烧蚀产物受激光辐射形成高温高压等离子体羽辉。等离子体羽辉中包括了离子、电子、中性原子、分子以及大原子团等成分。等离子体经过在真空室的膨胀飞行，最终到达基底表面沉积成膜。目前，脉冲激光沉积技术已用来制作具备外延特性的晶体薄膜。陶瓷氧化物(ceramicoxide)、氮化物膜(nitridefilms)、金属多层膜
(metallicmultilayers)，以及各种超晶格(superlattices)等都可以用脉冲激光沉积技术来制作。但是，脉冲激光沉积技术目前还只能制备薄膜，不能制备图形化的涂层。
发明内容
[0007] 本发明针对上述现有技术的不足，提供了一种能够制备图形化涂层的激光诱导等离子体直写沉积装置；本发明还同时提供了一种能够制备图形化涂层的激光诱导等离子体直写沉积方法。
[0008] 本发明是通过如下技术方案实现的：
[0009] 一种激光诱导等离子体直写沉积装置，包括直写沉积加工头、基片、工作台、激光发射模块、吹气模块和多自由度运动模块，所述基片设置在工作台上，所述激光发射模块用于发射聚焦激光束；所述吹气模块用于向直写沉积加工头内吹气；所述多自由度运动模块用于提供二维或三维运动，使直写沉积加工头与工作台发生相对运动；
[0010] 所述直写沉积加工头呈筒形中空结构；所述直写沉积加工头的筒形内部空腔为真空腔，所述真空腔具有两个端部，分别为第一端部和第二端部；第一端部上设置有可旋转的靶材安装座，靶材安装座上沿圆周方向均匀设置有多个圆形安装孔，多个圆形安装孔的圆心位于同一圆周上；多个圆形安装孔的中心轴线与靶材安装座的中心轴线平行；多个靶材分别固定安装在多个圆形安装孔上，其安装方位使得所述多个靶材的中心轴线，以及靶材安装座的中心轴线均相互平行；直写沉积加工头的第二端部设置有一激光入射窗；
[0011] 所述直写沉积加工头筒形内部空腔的侧壁上设置有一气体吹入口，另一侧与气体吹入口相对的位置设置有一锥形喷嘴，所述锥形喷嘴带有加热元件；所述直写沉积加工头筒形内部空腔内设置有过滤网，所述过滤网可以是高温陶瓷材质的细网状薄屏，也可以是孔隙结构的陶瓷薄屏；所述过滤网设置在靶材与等离子体汇聚区域之间，在靶材与等离子体汇聚区域之间施加有电场和/或磁场，用于加速等离子体的带电粒子。
[0012] 优选的，在锥形喷嘴的出口处，设有一个气动或电动控制的遮挡片，用于选择性的挡住或不挡住携带等离子体的气流从锥形喷嘴的出口喷出。
[0013] 本发明还同时提供了一种激光诱导等离子体直写沉积方法，包括如下步骤：
[0014] (1)根据需要制备的薄膜涂层的图形和成分，设计多段加工路径，并确定与每段加工路径相对应的靶材的材质；
[0015] (2)将与每段加工路径相对应的一个或多个靶材安装在直写沉积加工头的真空腔内的靶材安装座上；
[0016] (3)将基片固定在工作台上，并调整好直写沉积加工头与基片的方位，使得直写沉积加工头与基片相对，而且直写沉积加工头与基片可以进行三维相对运动；
[0017] (4)调整激光光路，使得从外部进入直写沉积加工头的真空腔内的聚焦激光束的焦点恰好位于第一段加工路径所对应的靶材上；并将第一段加工路径作为当前加工路径；
[0018] (5)判断当前加工路径是否需要沉积，若当前加工路径不需要沉积时，则控制直写沉积加工头与工作台按照当前加工路径发生相对运动，之后转入步骤(11)；
[0019] 若当前加工路径需要沉积，则进入步骤(6)；
[0020] (6)若激光未开启，则开启激光；否则，不做操作；
[0021] (7)使聚焦激光束辐照靶材，靶材表面产生高温高压的等离子体，等离子体在直写沉积加工头内膨胀飞行；
[0022] (8)从直写沉积加工头侧壁上的气体吹入口向真空腔内吹气，控制气体吹入口向真空腔内的吹气流量，使得需要高温锥形喷嘴喷射沉积时，加工头内腔气压保持高于大气压；同时在靶材与等离子体汇聚区域之间施加电场和/或磁场，使得等离子体的带电粒子加速；
[0023] (9)膨胀飞行的等离子体中的大原子团及大体积熔融飞溅物被过滤网筛选掉，其余等离子体通过过滤网，在气体的定向作用下，进入高温锥形喷嘴内；
[0024] (10)控制直写沉积加工头与工作台按照当前加工路径发生相对运动；控制高温锥形喷嘴持续进行等离子体的聚焦喷射，在基片表面制备出当前加工路径所对应的图形化的薄膜涂层；
[0025] (11)关闭激光、电场、磁场，同时停止吹气；若锥形喷嘴的出口处设置有遮挡片，则开启遮挡片挡住锥形喷嘴的出口，使得等离子体不沉积；
[0026] (12)判断下一段加工路径所对应的靶材与当前加工路径所对应的靶材是否一致；若一致，则直接进入步骤(13)；
[0027] 若不一致，则转动靶材安装座，使得聚焦激光束的焦点恰好位于下一段加工路径所对应的靶材上；
[0028] (13)将下一段加工路径作为当前加工路径，重复执行步骤(5)‑(12)，依次完成每段加工路径的等离子体的聚焦喷射，实现基片表面图形化的薄膜涂层的制备；
[0029] (14)关闭激光。
[0030] 本发明具有如下有益效果：
[0031] 1、本发明利用激光诱导等离子体的可控沉积，激光诱导产生等离子体的原理与现有脉冲激光沉积技术相似，采用聚焦激光束辐照靶材物质，产生等离子体，不同的是脉冲激光沉积技术不能实现对等离子体的筛选和可控图形化沉积，一般只能制备大块面积的薄膜，而本发明通过滤网、电/磁场等实现对等离子体的筛选(去除大原子团及偶尔的大体积熔融飞溅物)，并通过高温锥形喷嘴实现等离子体的聚焦喷射，结合直写喷嘴与基板的相对运动，可实现图形化薄膜涂层的直接制备。
[0032] 2、本发明的激光诱导等离子体直写沉积方法，沉积的图形化膜层物质成分与靶的化学计量相同，即具有良好的保成分性；通过设置多个不同材质的靶材并自动转换，易获得期望化学计量比的多组分、多层次、梯度成分等任意定制成分薄膜涂层。
[0033] 3、本发明的激光诱导等离子体直写沉积方法，通过对等离子体的筛选(去除大原子团及偶尔的大体积熔融飞溅物)，并通过高温锥形喷嘴实现等离子体的聚焦喷射，具有沉积速率高，衬底温度要求低，制备的薄膜均匀的特点。
[0034] 4、本发明的激光诱导等离子体直写沉积方法，工艺参数任意调节，对靶材的种类没有限制，具有极大的兼容性。
[0035] 5、本发明的激光诱导等离子体直写沉积方法与装置，通过图形化沉积路径的设计，配合以基片与直写喷嘴的三维运动编程(类似3D打印工艺的分层切片、层层堆积原理)，具备直写三维微结构的能力，完全突破了传统脉冲激光沉积技术的能力瓶颈。
[0036] 6、本发明的激光诱导等离子体直写沉积方法与装置，便于清洁处理，可以制备多种薄膜材料。
附图说明
[0037] 图1为本发明所述激光诱导等离子体直写沉积装置的结构示意图。
具体实施方式
[0038] 下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
[0039] 如图1所示，本发明提供了一种激光诱导等离子体直写沉积装置，包括直写沉积加工头1、基片2、工作台3、激光发射模块4、吹气模块和多自由度运动模块，所述基片2设置在工作台3上，所述激光发射模块4用于发射聚焦激光束；所述吹气模块用于向直写沉积加工头1内吹气；所述多自由度运动模块用于提供二维或三维运动，使直写沉积加工头1与工作台3发生相对运动；所述多自由度运动模块可以与工作台3连接，使工作台3运动，直写沉积加工头1保持不动；也可以与直写沉积加工头1连接，使直写沉积加工头1运动，工作台3保持不动。
[0040] 所述直写沉积加工头1呈筒形中空结构，其材质为耐高温结构陶瓷、高温氧化物或者高温非氧化物，如氮化硼(熔点可达3000摄氏度)；所述直写沉积加工头1的筒形内部空腔为真空腔，所述真空腔具有两个端部，分别为第一端部和第二端部。
[0041] 第一端部上设置有可旋转的靶材安装座13，靶材安装座13上沿圆周方向均匀设置有多个圆形安装孔，多个圆形安装孔的圆心位于同一圆周上；多个圆形安装孔的中心轴线应该与靶材安装座13的中心轴线平行。
[0042] 多个靶材5分别固定安装在多个圆形安装孔上，其安装方位使得所述多个靶材5的中心轴线，以及靶材安装座13的中心轴线均相互平行，即靶材5的安装是偏心的，这样在靶材安装座13旋转时，激光束可以聚焦作用在不同的靶材5上。
[0043] 直写沉积加工头1的第二端部设置有一激光入射窗6，激光入射窗6的作用一方面是透射激光，另一方面是密封腔体。
[0044] 所述直写沉积加工头1筒形内部空腔的侧壁上设置有一气体吹入口7，另一侧与气体吹入口7相对的位置设置有一锥形喷嘴8，所述锥形喷嘴8带有加热元件14，使其保持高温，减少等离子体在喷嘴内壁的凝结。为了便于描述，下面将以锥形喷嘴8的中心轴线为中心轴，以锥形喷嘴8的大端口径为半径的圆柱形区域称为等离子体汇聚区域。
[0045] 优选的，在锥形喷嘴8的出口处，设有一个气动或电动控制的遮挡片，可以选择性的挡住或不挡住携带等离子体的气流从锥形喷嘴8的出口喷出；
[0046] 所述直写沉积加工头1筒形内部空腔内还设置有过滤网12，所述过滤网12设置在靶材5与等离子体汇聚区域之间，所述过滤网12可以是高温陶瓷材质的细网状薄屏，也可以是孔隙结构的陶瓷薄屏。
[0047] 在靶材5与等离子体汇聚区域之间还施加有电场和/或磁场，可以是加工头内设置对应机构装置施加，也可以是外场施加，作用在于加速等离子体的带电粒子。
[0048] 本发明还提供了一种激光诱导等离子体直写沉积方法，具体包括如下步骤：
[0049] (1)根据需要制备的薄膜涂层的图形和成分，设计多段加工路径，并确定与每段加工路径相对应的靶材5的材质；
[0050] (2)将与每段加工路径相对应的一个或多个靶材5安装在直写沉积加工头1的真空腔内的靶材安装座13上；
[0051] (3)将基片2固定在工作台3上，并调整好直写沉积加工头1与基片2的方位，使得直写沉积加工头1与基片2相对，而且直写沉积加工头1与基片2可以进行三维相对运动；
[0052] (4)调整激光光路，使得从外部进入直写沉积加工头1的真空腔内的聚焦激光束9的焦点恰好位于第一段加工路径所对应的靶材5上；并将第一段加工路径作为当前加工路径；
[0053] (5)判断当前加工路径是否需要沉积，若当前加工路径不需要沉积时(也就是该段加工路径为沉积图形时的空行程，即一条沉积路径末尾到下一条沉积路径开始的行程)，则控制直写沉积加工头1与工作台3按照当前加工路径发生相对运动，之后转入步骤(12)；
[0054] 若当前加工路径需要沉积，则进入步骤(6)；
[0055] (6)若激光未开启，则开启激光；否则，不做操作，直接进入步骤(7)；
[0056] (8)使聚焦激光束9辐照靶材5，靶材5表面产生高温高压的等离子体11，等离子体11在直写沉积加工头1内膨胀飞行；
[0057] (9)从直写沉积加工头1侧壁上的气体吹入口7向真空腔内吹气，控制气体吹入口7向真空腔内的吹气流量，使得需要高温锥形喷嘴8喷射沉积时，加工头内腔气压保持高于大气压的一定数值范围内(典型的如1～100KPa)；同时在靶材5与等离子体汇聚区域之间施加电场和/或磁场，使得等离子体的带电粒子加速；
[0058] (10)膨胀飞行的等离子体11中的大原子团及大体积熔融飞溅物被过滤网12筛选掉，其余等离子体通过过滤网12，在气体的定向作用下，进入高温锥形喷嘴8内；
[0059] (11)控制直写沉积加工头1与工作台3按照当前加工路径发生相对运动；控制高温锥形喷嘴8持续进行等离子体的聚焦喷射，在基片2表面制备出当前加工路径所对应的图形化的薄膜涂层；
[0060] (12)关闭激光、电场、磁场，同时停止吹气；若锥形喷嘴8的出口处设置有遮挡片，则开启遮挡片挡住锥形喷嘴8的出口，使得等离子体不沉积；
[0061] (13)判断下一段加工路径所对应的靶材5与当前加工路径所对应的靶材5是否一致；若一致，则直接进入步骤(14)；
[0062] 若不一致，则转动靶材安装座13，使得聚焦激光束9的焦点恰好位于下一段加工路径所对应的靶材5上；
[0063] (14)将下一段加工路径作为当前加工路径，重复执行步骤(5)‑(14)，依次完成每段加工路径的等离子体的聚焦喷射，实现基片2表面图形化的薄膜涂层的制备；
[0064] (15)关闭激光。
[0065] 本发明可改变为多种方式对本领域的技术人员是显而易见的，这样的改变不认为脱离本发明的范围。所有这样的对所述领域的技术人员显而易见的修改，将包括在本权利要求的范围之内。
