CN102479651B - 一种用于深紫外激光器与光发射电子显微镜连接的连接杆 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于深紫外激光器与光发射电子显微镜连接的连接杆，包括径向截面为圆筒形的连接杆体，硬磁体环、光学元件、软磁体材料的不锈钢滑块；硬磁体环穿套于连接杆体的外部，硬磁体环的内圈为圆形、并与连接杆体同轴；于连接杆体的内部与硬磁体环相对应的位置处设有光学元件，光学元件为透镜，透镜的主光轴与连接杆体同轴；不锈钢滑块为圆环形，不锈钢滑块与光学元件相固接，并与连接杆体同轴设置。将CaF2聚光镜置于光学组件中，运用此连接装置，实现了波长为177.3nm的深紫外激光光路的调节并将激光有效地聚焦到PEEM系统中的样品表面。

Description

一种用于深紫外激光器与光发射电子显微镜连接的连接杆
技术领域
本发明涉及一种利用磁力作用原理调节封闭体系内光学元件的方法，利用此方法实现封闭体系中光路的有效调节。该方法可以实现从高压，常压，到超高真空等不同气氛中光路的连接和光路的调整，应用于光学仪器、真空仪器等设备中。施用于深紫外激光和紫外激光光源与光发射电子显微镜(PEEM)的连接，实现了PEEM用的深紫外激光和紫外激光等激发光源的光路的有效调节，应用于表面化学、表面物理、薄膜生长、集成电路等表面科学研究和应用领域。
背景技术
许多光学元件常常需要置于封闭体系中，为了实现光路的调整，需要对这些光学元件进行有效地操控。如何在封闭系统之外对这些光学元件进行有效的调控在很多情况下是需要解决的一个难题。我们利用磁力作用原理，通过内置软铁磁体和外置硬铁磁体之间的磁力耦合来对内置于封闭体系中的光学元件进行有效调控，这为许多光学仪器、真空仪器等系统中光学元件的调节提供了一条简单而有效的途径。
例如，深紫外激光和紫外激光具有亮度高、方向性好、单色性好、相干性好等特点，特别是其波长短、能量高。这些优点使其在光电子能谱、光电子发射显微镜、拉曼光谱、荧光光谱、光化学、光刻微加工等技术领域有着重要的应用。但是由于深紫外激光和紫外激光在空气中存在很强的吸收，并且这些激光对人体也有一定的危害，因此需要将深紫外激光和紫外激光光路置于封闭体系中，处于真空或惰性气体保护的条件下。同时，激光光源与相关的显微镜、光谱仪等装置的连接需要采用真空腔体密封的方式。相比较于红外、可见等激光光路，其调节可以在开放的环境下进行，利用光学支架来调节各种光学透镜的几何位置，实现光路的聚焦、偏转等功能。但是对深紫外激光和紫外激光而言，对处于封闭体系中的各种光学元件进行调控则存在一定的困难，如何实现对激光光路的有效调节对深紫外激光和紫外激光的应用将是一个挑战。解决的途径之一是将透镜及透镜支架固定在封闭系统中，利用外控马达对光路进行调节。但是光学透镜支架需要较大的空间，使得整个光路系统体积庞大；此外，外控马达对光路调节比较有限，并且控制复杂，价格昂贵。特别是，有些光路需要在高真空甚至超高真空条件下工作，这样对光学支架、调控马达、外接电缆等材料要求较高，在很多情况下实际上无法满足超高真空的兼容性。因此，亟需发展一种简单的方法对处于真空或气体保护状态下的深紫外激光光路进行有效的调节。
在许多真空系统中为了实现在高真空或超高真空条件下的样品传递，通常采用在真空腔体外置磁力环来控制样品传递的方式。外置磁力环为硬磁体与真空腔体外壁紧密接触，真空腔体内部与之相互作用的为软磁体材料。样品传递结构单元则固定在真空系统内的软磁体材料上。这种方法实现了在真空系统之外对样品进行操控但是又不破坏真空系统中的真空状态。基于相似的原理我们发明了一种光路调节装置，实现在封闭体系之外对深紫外激光和紫外激光进行聚焦、偏转等调控，并设计了一种用于深紫外激光和紫外激光光源与光发射电子显微镜(PEEM)进行对接的装置。此装置用于深紫外激光PEEM，是利用高强度、波长为177.3nm的激光作为激发光源获得高分辨的PEEM图像。
设计光路在真空或流动的氮气气氛下进行传播，所以需要在封闭体系内进行光路的调节。为了获取超高真空环境，一般采用刀口法兰加无氧铜垫圈的密封方式。两端用刀口法兰密封的不锈钢连接装置有可能实现深紫外激光在传播时的无衰减。在连接装置内部安装光学透镜等元件用于实现深紫外激光的聚焦、光路偏转、光学偏振等功能。利用外置硬磁铁体与处于封闭体系中内置光学透镜间的磁力耦合作用来调节光路，通过这种磁力作用进行外控调节的方式实现封闭体系内的光学元件的操控是一种简单、实用、高效的途径。
该方法及利用该方法设计的连接装置除了用于深紫外激光和紫外激光光源与光发射电子显微镜(PEEM)的连接外，在光电子能谱、拉曼光谱、荧光光谱、光化学、光刻微加工等系统与激光连接也会有广泛的应用。
发明内容
本发明提供一种用于深紫外激光器与光发射电子显微镜连接的连接杆，用于深紫外激光和紫外激光光源与光发射电子显微镜的连接，实现在该连接装置外部有效调节装置中的激光光路。
为了实现深紫外激光在封闭体系内的调节，本发明采用的技术方案为：
一种用于深紫外激光器与光发射电子显微镜连接的连接杆，包括径向截面为圆筒形的连接杆体，硬磁体环、光学元件、软磁体材料的不锈钢滑块；
硬磁体环穿套于连接杆体的外部，硬磁体环的内圈为圆形、并与连接杆体同轴；
于连接杆体的内部与硬磁体环相对应的位置处设有光学元件，光学元件为透镜，透镜的主光轴与连接杆体同轴；不锈钢滑块为圆环形，不锈钢滑块与光学元件相固接，并与连接杆体同轴设置，不锈钢滑块可沿连接杆体的轴向滑动、并可沿连接杆体的径向转动。
于所述的硬磁体环的外侧壁上包裹有磁力屏蔽罩；
所述光学元件通常为圆形透镜；光学元件和不锈钢滑块通过圆环形卡帽固定连接，于卡帽的一端端面上设有拉取柱；
于不锈钢滑块的两端固接有聚四氟乙烯环，聚四氟乙烯环的外径大于不锈钢滑块的外径；
于连接杆体的两端设有分别用于与深紫外激光器和光发射电子显微镜对接的刀口法兰。连接杆的两端均采用刀口法兰密封；
于靠近光发射电子显微镜一端的刀口法兰上设有放气阀；阀门安装在连接杆的远离深紫外激光器一侧的刀口法兰侧面，避免了在充入流动气氛时死体积的产生；
于硬磁体环或磁力屏蔽罩的外侧壁上设置有用于与连接杆体定位的固定螺栓。
所述连接杆体上的硬磁体环、光学元件和软磁体材料的不锈钢滑块为1组或2组以上。
所述不锈钢连接杆形成一个封闭体系，两端用刀口法兰并可以与其他系统相连接。其中一端与深紫外激光和紫外激光光源相连，另一端与处于超高真空状态的PEEM系统相连。
本发明具有如下特点：
1.本发明提出利用磁力作用原理调节置于封闭体系内光学元件的新方法，此方法简单、有效，易于实现；
2.本发明实现了在封闭体系外部对处于封闭体系内部的光学元件进行有效调控，用于深紫外激光与光发射电子显微镜的连接，有效地控制深紫外激光入射到PEEM系统中的样品表面上；
3.本发明实现的装置结构简单，安装和维护简便，适用于从常压至超高真空等条件；
附图说明
图1是深紫外激光器与PEEM的连接装置的整体结构示意图。包括1：放气阀；2：刀口法兰；3：硬磁体环；4：连接杆体；5：固定螺栓。光学元件组件置于连接杆的内部。
图2是置于封闭的连接装置内部的光学元件组件(连接杆内部的部分)和置于封闭的连接装置外部的硬磁铁组件(连接杆外部的部分)的结构示意图。包括3：硬磁体环；4：连接杆体；6：聚四氟乙烯环；7：光学元件；8：卡帽；9：软磁体材料的不锈钢滑块；10：拉取柱。
图3是Ru(0001)单晶表面的深紫外激光PEEM图像。通过外控的方式操控置于连接杆内部的CaF2聚焦透镜。光学透镜处于准直状态得到样品表面上的实际PEEM图像(图3a)；调整光学透镜使得其处于非准直状态，由于激光光路偏转产生衍射现象，所得图像为激光衍射所产生的条纹结构，没有得到样品表面的PEEM图像(图3b)。
图4是生长在Ru(0001)单晶表面上的金属Pb岛深紫外激光PEEM图像。通过外控的方式前后拉动连接杆内部的CaF2聚焦透镜，调节激光的聚焦状态。透镜焦点位于样品表面时能够得到亮度较高的PEEM图像(图4a)；将透镜拉远使得其处于非聚焦状态则得到亮度较低的PEEM图像(图4b)。
具体实施方式
如图1和2所示，
一种用于深紫外激光器与光发射电子显微镜连接的连接杆，包括径向截面为圆筒形的连接杆体4，硬磁体环3、光学元件7、软磁体材料的不锈钢滑块9；
硬磁体环3穿套于连接杆体4的外部，硬磁体环3的内圈为圆形、并与连接杆体4同轴；
于连接杆体4的内部与硬磁体环3相对应的位置处设有光学元件7，光学元件7为透镜，透镜的主光轴与连接杆体4同轴；
不锈钢滑块9为圆环形，不锈钢滑块与光学元件7相固接，并与连接杆体同轴设置，不锈钢滑块可沿连接杆体4的轴向滑动、并可沿连接杆体的径向转动。
于所述的硬磁体环的外侧壁上包裹有磁力屏蔽罩；于硬磁体环3或磁力屏蔽罩的外侧壁上设置有用于与连接杆体4定位的固定螺栓5。
外置硬磁体组件，包括硬磁体环、磁力屏蔽罩(可选)、固定螺栓。硬磁体环与连接杆外壁紧密接触，通过移动硬磁体环带动固定聚光透镜的不锈钢滑块前后移动，自由旋转。永久磁力环上安装有固定螺栓，可以通过该固定螺栓定位不锈钢滑块及光学透镜。磁力屏蔽罩(为可选装置)，可以消除磁力环磁场对其他部件的影响。
所述光学元件7为圆形透镜；光学元件和不锈钢滑块9通过圆环形卡帽8固定连接，于卡帽8的一端端面上设有拉取柱10。
于不锈钢滑块9的两端固接有聚四氟乙烯环6，聚四氟乙烯环的外径大于不锈钢滑块的外径。
于连接杆体4的两端设有分别用于与深紫外激光器和光发射电子显微镜对接的刀口法兰2。
于靠近光发射电子显微镜一端的刀口法兰上设有放气阀1。
所述连接杆体4上的硬磁体环3、光学元件7和软磁体材料的不锈钢滑块9为2组以上。
本发明用于(深)紫外激光器与光发射电子显微镜的连接，利用磁力作用原理调节置于封闭体系内光学元件，实现该连接杆中激光光路的有效调节。深紫外激光通过封闭的连接装置入射到PEEM系统中的样品表面。连接装置中内置有光学元件组件，用于深紫外激光光路的调节。
将内置于封闭体系中的光学组件与软磁体耦合，外置组件包括硬磁体部件，利用磁力作用原理实现置于封闭体系内光学元件的有效调节；
所述内置光学组件包括光学透镜，为石英、CaF2、宝石等光学材料，具有透光、聚焦、光路偏转、光学偏振控制等功能。光学透镜通过卡帽固定在不锈钢滑块上，实现在连接杆中前后移动，自由旋转。
所述内置光学组件中不锈钢滑块为软磁体材料，实现与外置硬磁铁体的磁力耦合；不锈钢滑块两端由聚四氟乙烯环固定并起到支撑作用，聚四氟乙烯环边缘切有缺口以方便气体流动或者抽空系统。
实施例1
将利用磁力作用原理调节置于封闭体系内光学元件应用于深紫外激光和紫外激光光源与光发射电子显微镜的连接，实现该连接装置中激光光路的有效调节。连接装置两端分别用刀口法兰与激光系统的腔体和PEEM系统的真空腔体连接，实现连接装置中保持高真空到超高真空的环境。深紫外激光从光源系统中的出光口进入封闭的连接装置，连接装置中内置光学元件组件，通过外部的磁组件调整连接装置内的激光光路。
实施例2
连接杆内光学透镜处于准直状态。如图3a所示，图像视野大小为50μm。样品为干净的Ru(0001)单晶表面。通过移动、旋转外置硬磁力环调整光学透镜至深紫外激光光路准直，得到的PEEM图像可以清晰地观察到样品表面的特征结构。
实施例3
连接杆内光学透镜处于非准直状态。如图3b所示，图像视野大小为50μm。样品为干净的Ru(0001)单晶表面。当光学透镜未调整至激光光路准直时可以在PEEM图像中观察到由激光衍射产生的条纹。此时激光产生的衍射条纹严重的干扰了样品表面的结构信息。
通过比较图3a和3b可以发现当连接装置内安装有光学透镜时，通过改变透镜的位置及偏转可以很大程度地影响深紫外激光光路的聚焦及偏转从而控制PEEM系统的成像质量。
实施例4
透镜与样品距离等于透镜焦距，激光聚焦到样品表面。如图4a所示，图像视野大小为20μm。样品为生长在Ru(0001)单晶表面上的金属Pb岛，激光光斑聚焦到样品表面得到亮度较高的PEEM图像，可以清晰地看到Pb岛在Ru(0001)单晶表面的分布情况。
实施例5
透镜与样品距离大于透镜焦距，并调整光路至最佳的聚焦状态。如图4b所示，图像视野大小为20μm。样品为金属Pb岛在Ru(0001)单晶表面上(同4a)，只能得到亮度较低的PEEM图像。
通过图4a和4b可以发现通过外控磁体部件，前后拉动CaF2透镜可以控制连接装置中透镜与样品的距离。当透镜与样品的距离等于透镜焦距时可以使深紫外激光聚焦到样品表面得到亮度较高的PEEM图像。

Claims (9)

1.一种用于深紫外激光器与光发射电子显微镜连接的连接杆，其特征在于：
包括径向截面为圆筒形的连接杆体(4)，硬磁体环(3)、光学元件(7)、软磁体材料的不锈钢滑块(9)
硬磁体环(3)穿套于连接杆体的外部，硬磁体环(3)的内圈为圆形、并与连接杆体(4)同轴；
连接杆体(4)的内部与硬磁体环(3)相对应的位置处设有光学元件(7)，光学元件(7)为透镜，透镜的主光轴与连接杆体(4)同轴；
不锈钢滑块(9)为圆环形，不锈钢滑块(9)与光学元件(7)相固接，并与连接杆体(4)同轴设置，不锈钢滑块(9)可沿连接杆体(4)的轴向滑动、并可沿连接杆体(4)的径向转动；
于硬磁体环(3)的外侧壁上设置有用于与连接杆体(4)定位的固定螺栓(5)。
2.按照权利要求1所述的连接杆，其特征在于：
于所述的硬磁体环(3)的外侧壁上包裹有磁力屏蔽罩。
3.按照权利要求1所述的连接杆，其特征在于：所述光学元件(7)为圆形透镜。
4.按照权利要求1所述的连接杆，其特征在于：所述光学元件(7)和不锈钢滑块(9)通过圆环形卡帽(8)固定连接，于卡帽(8)的一端端面上设有拉取柱(10)。
5.按照权利要求1或2所述的连接杆，其特征在于：
于不锈钢滑块(9)的两端固接有聚四氟乙烯环(6)，聚四氟乙烯环(6)的外径大于不锈钢滑块(9)的外径。
6.按照权利要求1所述的连接杆，其特征在于：于连接杆体(4)的两端设有分别用于与深紫外激光器和光发射电子显微镜对接的刀口法兰(2)。
7.按照权利要求6所述的连接杆，其特征在于：于靠近光发射电子显微镜一端的刀口法兰(2)上设有放气阀(1)。
8.按照权利要求2所述的连接杆，其特征在于：
磁力屏蔽罩的外侧壁上设置有用于与连接杆体(4)定位的固定螺栓(5)。
9.按照权利要求1或2所述的连接杆，其特征在于：
所述连接杆体(4)上的硬磁体环(3)、光学元件(7)和软磁体材料的不锈钢滑块(9)为1组或2组以上。
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