CN105047510B - 深紫外激光器与光发射电子显微镜的对接系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种深紫外激光器与光发射电子显微镜的对接系统，包括依次连接的真空密封管路、第二柔性密封管路、入射透镜和第一柔性密封管路，真空密封管路用于连接深紫外激光器，第一柔性密封管路用于连接光发射电子显微镜，本发明通过在第一柔性密封管路和/或第二柔性密封管路的旁侧附设调节机构，从而使得通过调节机构与第一柔性密封管路的配合和/或调节机构与第二柔性密封管路的配合实现对入射窗口沿轴向的一维调节以及沿倾斜角度方向的二维调节，解决了现有技术中因装配误差存在的倾斜角度偏差无法调节的问题，方便了激光对准样品。

Description

深紫外激光器与光发射电子显微镜的对接系统

技术领域

本发明涉及一种深紫外激光器与光发射电子显微镜的对接系统，属于电子光学技术领域。

背景技术

光发射电子显微镜(PEEM)的工作原理为光电效应。一束高能量光束照射在样品上，满足激发条件时，光电子将从样品表面溢出形成发射。电子镜筒通过观察样品表面发射的电子，可以获得极高分辨率的表面形貌、化学成分和磁性信息。

光发射电子显微镜的分辨率与光源光强直接相关，观测样品的范围与光子有关，也就是高亮度、短波长的激光源有利于系统分辨率的提高。鉴于此考虑，我国科学家将177.3nm深紫外激光源引入，形成了深紫外激光光发射电子显微镜，分辨率优于10nm。但是，深紫外激光容易被空气吸收，因此整体光路需要位于高真空密封的腔体内；另外，激光器体积庞大，直接搬动对准极其困难。上述问题导致了深紫外激光器与光发射电子显微镜对接时对准调节十分困难。

为此，现有技术如中国专利CN102479651A公开了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，其说明书内容公开了外置硬磁铁体为穿套于连接杆体的磁体圆环，利用磁力控制真空连接杆体内与软磁铁不锈钢滑块固接的光学透镜做轴向滑动或径向转动，用于深紫外激光器与光发射电子显微镜的对接。然而，该现有技术在实际使用过程中存在以下问题：1、该现有技术中，由于装配误差的存在，聚焦透镜与激光光路间可能会存在偏差，而该现有技术只能对聚焦透镜进行轴向调节，无法进行倾斜角度的调节， 调节受限，对接效果差，无法将激光有效地聚焦到样品表面；2、该现有技术中，对接系统采用刚性连接，当对接真空通道发生振动时，光学透镜随之振动，聚焦斑在样品上将发生较大位移，严重影响光发射电子显微镜的测量效果。

此外，作为激发光源的紫外激光或深紫外激光均为非可见光，无法直接进行观测调节。目前，常用的解决方法为使用一束可见激光作为指示光，但由于指示光与紫外激光或深紫外激光并不能达到完全重合，而且由于光学透镜存在色差，两束激光通过聚焦系统后，焦点位置偏差较大，因此指示效果较差，仅可用于粗调。

发明内容

为此，本发明所要解决的主要技术问题在于现有技术的深紫外激光器与光发射电子显微镜的对接效果差以及因外接设备震动对光发射电子显微镜工作产生干扰的问题，从而提供一种对接效果好且能减小外接设备因震动而对光发射电子显微镜工作产生干扰的用于深紫外激光器与光发射电子显微镜的对接系统。

为解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：

一种深紫外激光器与光发射电子显微镜的对接系统，包括：

真空密封管路，所述真空密封管路的一侧用于密封连接深紫外激光器的发射端；

入射窗口，用于对深紫外激光器发射的深紫外激光进行聚焦；

第一柔性密封管路，所述第一柔性密封管路一侧与所述入射窗口一侧密封连接，所述第一柔性密封管路另一侧用于密封连接光发射电子显微镜入射接口；

第二柔性密封管路，所述第二柔性密封管路一侧与所述入射窗口密封连接，所述第二柔性密封管路另一侧密封连接到所述真空密封管路的用于密封连接深紫外激光器的发射端一侧的相对另一侧上；

所述第一柔性密封管路和第二柔性密封管路中至少其中之一的旁侧附设 有调节机构，通过所述调节机构与所述第一柔性密封管路的配合或所述调节机构与所述第二柔性密封管路的配合可驱动所述入射窗口沿轴向和相对于轴线倾斜的方向移动。

所述真空密封管路、所述入射窗口、所述第一柔性密封管路以及所述第二柔性密封管路的两侧分别设有法兰端，所述真空密封管路、所述入射窗口、所述第一柔性密封管路以及所述第二柔性密封管路通过对应的所述法兰端密封连接。

所述调节机构安装于所述第一柔性密封管路的旁侧，所述调节机构包括轴向调节部和二维倾斜角度调节部，所述轴向调节部包括与所述第一柔性密封管路的连接所述光发射电子显微镜一侧的法兰端固定连接的第一法兰架和与所述第一柔性密封管路的连接所述入射窗口一侧的法兰端固定连接的第二法兰架、连接于所述第一法兰架和所述第二法兰架之间以使两法兰架能够沿轴向相对移动的至少一组线性导轨以及连接于所述第一法兰架和第二法兰架之间的轴向间距调节组件，通过操纵所述轴向间距调节组件可驱动两所述法兰架沿着所述线性导轨相对移动。

所述轴向间距调节组件包括与所述第一法兰架和第二法兰架分别连接并位于两者之间的丝杠以及套设于所述丝杠上的螺母，通过旋转操纵所述丝杠，在所述丝杠与所述螺母的配合下，可使所述丝杠带动所述第二法兰架相对于所述第一法兰架沿轴向移动。

所述轴向间距调节组件还包括用于旋转操纵所述丝杠的手轮。

所述二维倾斜调节部包括密封连接于所述第二法兰架与所述入射窗口之间的法兰，所述法兰通过至少一个调节螺柱安装在所述第二法兰架上，所述调节螺柱的端部设有调节螺母，通过操纵所述调节螺母可驱动所述法兰相对于所述第二法兰架沿二维倾斜角度方向移动。

还包括适于设置在光发射电子显微镜的样品台上的，用于指示深紫外激光照射位置的荧光样品，所述荧光样品上镀有可在深紫外激光照射下发出可见光的荧光粉。

所述荧光样品包括指示面和装配卡槽，在所述指示面镀有所述可在深紫外激光照射下发出可见光的荧光粉，所述装配卡槽适于安装到光发射电子显微镜的样品台上。

所述指示面呈圆锥台状，所述指示面的半锥角适配于深紫外激光的入射角度，且半锥角的角度与深紫外激光的入射角度之和等于90度。

所述入射窗口包括双面CF金属法兰和用于聚焦的透镜，所述透镜封接于所述双面CF金属法兰内部。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

1、本发明的深紫外激光器与光发射电子显微镜的对接系统，在用于聚焦的入射窗口的两侧密封连接柔性密封管路，并在其中一个柔性密封管路旁侧附设调节机构，通过调节机构与该柔性密封管路的配合可驱动所属入射窗口沿轴向和二维倾斜角度方向移动，实现了较好的聚焦效果，同时不会对光发射电子显微镜的工作及激光传输产生不良影响；另外，入射窗口另一侧的柔性密封管路，一方面起到补偿调节机构带动入射窗口移动时的机械位移的作用，另一方面还能起到隔振作用，减小了连接深紫外激光器的真空密封管路因震动而对光发射电子显微镜的工作的干扰。

2、本发明的深紫外激光器与光发射电子显微镜的对接系统，其轴向间距调节组件为丝杠螺母副，包括连接于第一法兰架和第二法兰架之间的丝杠和套设于丝杠上的螺母，丝杠螺母副调节精度高，通过采用丝杠螺母副可以精准调节第一法兰架和第二法兰架之间的轴向间距，不仅提高了使用者的工作效率，而且有利于使用者观测以得到更准确的实验数据；另外，丝杠螺母副结构简单，容易制造，有利于降低本发明对接系统的生产成本。

3、本发明的深紫外激光器与光发射电子显微镜的对接系统，其用于调节入射窗口沿二维倾斜角度方向移动的二维倾斜调节部包括密封连接于第二法兰架与所述入射窗口之间的法兰，所述法兰通过至少一个调节螺柱安装在所述第二法兰架上，所述调节螺柱的端部设有调节螺母，通过操纵所述调节螺母可驱动所述法兰相对于所述第二法兰架沿二维倾斜角度方向移动，本发明的二维倾斜调节部充分利用了轴向调节部中的法兰架结构，结构简单，设计巧妙，进一步降低了对接系统的生产成本。

4、本发明的深紫外激光器与光发射电子显微镜的对接系统，还包括用于指示深紫外激光照射位置的荧光样品，所述荧光样品的指示面镀有可在深紫外激光照射下发出可见光的荧光粉，当深紫外激光照射到指示面时将激发可见荧光，可见荧光可以准确的反应出深紫外激光的位置并且指示效果好，可见荧光可以直接用眼睛观察进行调节，使得使用者可以方便并准确地进行对准调节。

5、本发明的深紫外激光器与光发射电子显微镜的对接系统，通过将指示面设计为圆锥台状并且半锥角为15度，使得光束指示效果更好。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中

图1是本发明深紫外激光器与光发射电子显微镜的对接系统的结构示意图；

图2是本发明深紫外激光器与光发射电子显微镜的对接系统的立体结构示意图(未示出荧光样品)；

图3是本发明深紫外激光器与光发射电子显微镜的对接系统的调节机构的立体结构示意图；

图4是本发明深紫外激光器与光发射电子显微镜的对接系统的入射窗口的纵剖视图；

图5是光发射电子显微镜的局部结构图；

图6本发明深紫外激光器与光发射电子显微镜的对接系统的荧光样品的结构示意图；

图7是图6的纵剖视图。

图中附图标记表示为：1-真空密封管路，11-四通接口，2-第二柔性密封管路，3-入射窗口，31-双面CF金属法兰，32-透镜，4-第一柔性密封管路，5-调节机构，51-第一法兰架，52-第二法兰架，53-线性导轨，54-丝杠，55-螺母，56-手轮，57-调节螺柱，58-调节螺母，6-荧光样品，61-指示面，62-装配卡槽，71-光发射电子显微镜入射接口，8-法兰，

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

图1本发明深紫外激光器与光发射电子显微镜的对接系统的结构示意图；图2是是本发明深紫外激光器与光发射电子显微镜的对接系统的立体结构示意图(未示出荧光样品)。如图1和图2所示，一种深紫外激光器与光发射电子显微镜的对接系统包括：依次密封连接的真空密封管路1、第二柔性密封管路2、入射窗口3和第一柔性密封管路4。

其中，所述真空密封管路1的管路两侧具有法兰端，其中一个法兰端用于密封连接到深紫外激光器发射端的法兰接口上；所述第一柔性密封管路4一侧和所述第二柔性密封管路2的两侧也具有法兰端，所述入射窗口3两侧具有法兰接口，所述第一柔性密封管路4的一法兰端与所述入射窗口3一侧的法兰接口密封连接，所述第一柔性密封管路4的另一法兰端用于密封连接到光发射电子显微镜的入射接口71处的法兰接口上，所述第二柔性密封管路2一侧的法兰端与所述入射窗口3另一侧的法兰接口密封连接，所述第二柔性密封管路2另一侧的法兰端密封连接到所述真空密封管路1的另一法兰端上，所述第二柔性密封管路2通过所述真空密封管路1与深紫外激光器连 接，满足了工作距离的要求，所述第一柔性密封管路4的旁侧附设有调节机构5，通过所述调节机构5与所述第一柔性密封管路4的配合可驱动所述入射窗口3沿轴向和倾斜角度方向移动，便于激光对准和聚焦。在本实施例中，所述真空密封管路1、所述入射窗口3、所述第一柔性密封管路4以及所述第二柔性密封管路2通过对应的所述法兰端实现密封连接，但是并不限于通过法兰端的连接来实现密封连接，现有技术中的密封连接形式并且能够达到真空管路密封要求的都可以在本发明中应用。

在本实施例中，所述第一柔性密封管路4优选为超高真空CF波纹管，所述第二柔性密封管路2优选为波纹管。

在本实施例中，所述入射窗口3一方面起到真空密封作用，用于隔离光发射电子显微镜与对接系统两个不同真空度的空间，另一方面可对激光进一步聚焦；所述第二柔性密封管路2用于补偿调节机构5移动时的机械位移同时还能起到隔振作用；所述真空密封管路1用于进行光发射电子显微镜与深紫外激光器的连接。

通过所述调节机构和所述第一柔性密封管路的设置，可以实现对入射窗口3沿轴向和二维倾斜角度方向进行调节，保证了对接效果。另外，所述入射窗口3另一侧的第二柔性密封管路2可以补偿入射窗口移动时的位移并且可以降低激光器振动时对光发射电子显微镜的干扰。

需要说明的是，所述调节机构5并不限于安装到所述第一柔性密封管路4的旁侧，在其他实施例中，所述调节机构还可以安装到第二柔性密封管路2的旁侧。当所述调节机构安装到所述第二柔性密封管路2的旁侧时，通过所述调节机构和第二柔性密封管路2的配合可驱动所述所述入射窗口3沿轴向和倾斜角度方向移动，所述入射窗口3另一侧的所述第一柔性密封管路4以补偿入射窗口移动时的位移并且可以降低激光器振动时对光发射电子显微镜的干扰。

如图2和图3所示，所述调节机构5包括轴向调节部和二维倾斜角度调节部。所述轴向调节部包括第一法兰架51、第二法兰架52、至少一组线性 导轨53和轴向间距调节组件。具体地，所述第一法兰架51与所述第一柔性密封管路4的连接所述光发射电子显微镜一侧的法兰端固定连接，所述第二法兰架52与所述第一柔性密封管路4的连接所述入射窗口3一侧的法兰端固定连接，所述第一法兰架51和第二法兰架52间隔平行对应设置，至少一组所述线性导轨53连接于所述第一法兰架51和所述第二法兰架52之间，本实施例中，所述线性导轨53优选为两组，所述轴向间距调节组件连接于所述第一法兰架51和第二法兰架52之间，通过操纵所述轴向间距调节组件可驱动两所述法兰架沿着所述线性导轨53相对移动。

进一步地，所述轴向间距调节组件采用丝杠螺母副，所述丝杠螺母副包括连接于所述第一法兰架51和第二法兰架52之间的丝杠54以及套设于所述丝杠54上的螺母55。需要说明的是，本发明中的所述轴向间距调节组件并不限于丝杠螺母副，在其他实施例中所述轴向间距调节组件还可以为能够控制活塞杆伸缩量的气缸或液压缸组件。但是，本发明中轴向间距调节组件优选为丝杠螺母副，原因是丝杠螺母副不仅调节精度较高，易控制，而且制造成本低，有利于降低对接系统整体的生产成本。

再进一步地，为了方便调节，所述轴向间距调节组件还包括用于操纵丝杠54的手轮56，通过对所述手轮56的操纵可使所述丝杠54与所述螺母55相互配合以实现两法兰架沿轴向相对移动。所述丝杠螺母副在所述手轮56的驱动下，即可驱动所述第二法兰架52相对于所述第一法兰架51作平稳的、高精度的一维轴向移动。

另外，本实施例的二维倾斜调节部是在轴向调节部基础上设置的，如图2和图3所示，所述二维倾斜调节部包括密封连接于所述第二法兰架52与所述入射窗口3之间的法兰8，所述法兰8通过至少一个调节螺柱57安装在所述第二法兰架52上，所述调节螺柱57的端部设有调节螺母58，通过操纵所述调节螺母58可驱动所述法兰8相对于所述第二法兰架52沿二维倾斜角度方向移动。具体地，所述调节螺柱57和所述调节螺母58设为四组，分别布置在所述法兰8的四个角上。所述二维调节部充分利用了轴向调节部中法兰架结构，结构简单， 设计巧妙，进一步降低了对接系统整体的生产成本。需要说明的是，本发明对所述调节螺柱和所述调节螺母的数量不作具体限定，根据实际需求，还可以设置为三组、五组、六组等。

为了克服现有技术中通过可见激光作为深紫外激光的指示光而导致的指示效果差，仅能用于粗调的缺陷，如图5和图6所示，本实施例的对接系统还包括用于指示深紫外激光照射位置的荧光样品6，所述荧光样品6能够在深紫外激光的照射下可发出可见光，由于该可见光是在深紫外激光照射下发出的，因此该可见光直接反应出深紫外激光的准确位置，使得深紫外激光可以根据该可见光进行精细调节。所述荧光样品6还包括装配卡槽62，通过装配卡槽62的设计可使得荧光样品6能够装配到光发射电子显微镜的样品台上。

如图5所示，所述荧光样品6位于所述光发射电子显微镜样品室2内部的样品台74上，所述光发射电子显微镜的物镜72设于所述样品室73的上部并与所述样品台74对应，所述入射接口71设于所述样品室73的斜上方，来自本实施例的对接系统的激光通过所述入射接口71射到所述荧光样品6上。

具体地，本实施例中，所述荧光样品6的指示面61涂有Y2O3:Eu3+荧光粉，为得到较好的光束指示效果，所述荧光样品6的指示面61呈圆锥台状，所述指示面61的半锥角适配于深紫外激光的入射角度，且半锥角的角度与深紫外激光的入射角度之和等于90度这样的设计是为了使得锥面正对激光束，方便观察位置。在本实施例中，激光入射角度为75度，半锥角的角度α为15度。但是半锥角的角度α不限于15度，如果激光入射角度为60度，则半锥角的角度为30度，如果激光入射角度为70度，则半锥角的角度为20度，本发明对于激光入射角度以及半锥角的角度α不作具体限制。

本实施例中，如图4所示，所述入射窗口3包括双面CF金属法兰31和用于聚焦的透镜32，通过将所述透镜32封接于所述双面CF金属法兰31内部，实现了透镜与金属法兰的超高真空封接。

另外，本实施例的所述真空密封管路1上密封接入四通接口11，轴向两个接口位于深紫外激光的通路上，径向两个接口分别连接真空计和漏阀。所述真空计和所述漏阀用于实现本实施例的对接系统抽真空后充入氮气等工作气体。

根据以上所描述的结构，以下说明本实施例的对接系统的工作过程：

本实施例的对接系统安装后，首先进行机械对准，确保深紫外激光器发出的激光可穿过对接系统内部形成的光束通道射入到光发射电子显微镜样品室的荧光样品上，这样，荧光样品的指示面上将得到指示可见的光斑；然后，调节样品台的工作距离，使得荧光样品位于合适位置；观察指示可见光斑，如果光斑没有位于指示面的中心位置，则操纵调节机构的轴向调节部和/或二维倾斜调节部，将光斑调整到指示面的中心；调节完毕后，更换样品，即可进行正常观测。

最后需要说明的是，本发明的对接系统不仅适用于深紫外激光器与光发射电子显微镜之间的连接，还可用于与光电子能谱、光刻系统等的连接。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种深紫外激光器与光发射电子显微镜的对接系统，其特征在于，包括：

真空密封管路(1)，所述真空密封管路(1)的一侧用于密封连接深紫外激光器的发射端；

入射窗口(3)，用于对深紫外激光器发射的深紫外激光进行聚焦；

第一柔性密封管路(4)，所述第一柔性密封管路(4)一侧与所述入射窗口(3)一侧密封连接，所述第一柔性密封管路(4)另一侧用于密封连接光发射电子显微镜入射接口(71)；

第二柔性密封管路(2)，所述第二柔性密封管路(2)一侧与所述入射窗口(3)密封连接，所述第二柔性密封管路(2)另一侧密封连接到所述真空密封管路(1)的用于密封连接深紫外激光器的发射端一侧的相对另一侧上；

所述第一柔性密封管路(4)和第二柔性密封管路(2)中至少其中之一的旁侧附设有调节机构(5)，通过所述调节机构(5)与所述第一柔性密封管路(4)的配合或所述调节机构(5)与所述第二柔性密封管路(2)的配合可驱动所述入射窗口(3)沿轴向和相对于轴线倾斜的方向移动；所述调节机构(5)安装于所述第一柔性密封管路(4)的旁侧，所述调节机构(5)包括轴向调节部和二维倾斜角度调节部，所述轴向调节部包括与所述第一柔性密封管路(4)的连接所述光发射电子显微镜一侧的法兰端固定连接的第一法兰架(51)和与所述第一柔性密封管路(4)的连接所述入射窗口(3)一侧的法兰端固定连接的第二法兰架(52)、连接于所述第一法兰架(51)和所述第二法兰架(52)之间以使两法兰架能够沿轴向相对移动的至少一组线性导轨(53)以及连接于所述第一法兰架(51)和第二法兰架(52)之间的轴向间距调节组件，通过操纵所述轴向间距调节组件可驱动两所述法兰架沿着所述线性导轨(53)相对移动。

2.根据权利要求1所述的深紫外激光器与光发射电子显微镜的对接系统，其特征在于，所述真空密封管路(1)、所述入射窗口(3)、所述第一柔性密封管路(4)以及所述第二柔性密封管路(2)的两侧分别设有法兰端，所述真空密封管路(1)、所述入射窗口(3)、所述第一柔性密封管路(4)以及所述第二柔性密封管路(2)通过对应的所述法兰端密封连接。

3.根据权利要求1所述的对接系统，其特征在于，所述轴向间距调节组件包括与所述第一法兰架(51)和第二法兰架(52)分别连接并位于两者之间的丝杠(54)以及套设于所述丝杠(54)上的螺母(55)，通过旋转操纵所述丝杠(54)，在所述丝杠(54)与所述螺母(55)的配合下，可使所述丝杠(54)带动所述第二法兰架(52)相对于所述第一法兰架(51)沿轴向移动。

4.根据权利要求3所述的对接系统，其特征在于，所述轴向间距调节组件还包括用于旋转操纵所述丝杠(54)的手轮(56)。

5.根据权利要求4所述的对接系统，其特征在于：所述二维倾斜调节部包括密封连接于所述第二法兰架(52)与所述入射窗口(3)之间的法兰(8)，所述法兰(8)通过至少一个调节螺柱(57)安装在所述第二法兰架(52)上，所述调节螺柱(57)的端部设有调节螺母(58)，通过操纵所述调节螺母(58)可驱动所述法兰(8)相对于所述第二法兰架(52)沿二维倾斜角度方向移动。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的对接系统，其特征在于：还包括适于设置在光发射电子显微镜的样品台上的，用于指示深紫外激光照射位置的荧光样品(6)，所述荧光样品(6)上镀有可在深紫外激光照射下发出可见光的荧光粉。

7.根据权利要求6所述的对接系统，其特征在于，所述荧光样品(6)包括指示面(61)和装配卡槽(62)，在所述指示面(61)镀有所述可在深紫外激光照射下发出可见光的荧光粉，所述装配卡槽(62)适于安装到光发射电子显微镜的样品台上。

8.根据权利要求7所述的对接系统，其特征在于：所述指示面(61)呈圆锥台状，所述指示面(61)的半锥角适配于深紫外激光的入射角度，且半锥角的角度与深紫外激光的入射角度之和等于90度。

9.根据权利要求1所述的对接系统，其特征在于：所述入射窗口(3)包括双面CF金属法兰(31)和用于聚焦的透镜(32)，所述透镜(32)封接于所述双面CF金属法兰(31)内部。