CN105259161A - 一种智能控制的激光等离子体测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

一种智能控制的激光等离子体测量装置及测量方法，装置包括激光器、聚焦透镜、电子显微镜、分束镜和反射镜；真空腔室测量窗口上有测量狭缝；真空腔室内有样品架位移台驱动的正方体样品架；聚焦透镜安于电动平移台上；电子显微镜连计算机；数字脉冲延迟发生器连激光器、移动控制器和函数信号发生器，移动控制器连计算机、电动平移台和样品架位移台。测量时，触发使激光器产生激光脉冲，从左上角开始激光烧蚀样品靶，样品靶按“弓”字型轨迹移动，至激光烧蚀位置到样品靶右下角，激光脉冲烧蚀过程中，对激光等离子体进行空间分辨测量。该测量方法能保证激光等离子体的稳定性，极大的提高激光等离子体实验的可重复性，实现靶材高效利用。

Description

一种智能控制的激光等离子体测量装置及测量方法

技术领域

本发明属于激光等离子体原子光谱技术领域，涉及一种智能控制的激光等离子体测量装置；本发明还涉及一种利用该装置测量等离子体的方法。

背景技术

激光等离子体技术（Laserproducedplasma，简称LPP）是利用高能量脉冲激光聚焦于靶材料表面，烧蚀靶材产生等离子体，通过对等离子体光谱进行分析，可以得到原子结构信息、等离子体参数和动力学特性的一种技术。激光等离子体技术作为一种非常有效的实验方法，已广泛应用于天体物理、核聚变物理、光刻光源以及元素分析等领域的研究中。

目前实验室所搭建的激光等离子体实验装置，每次测量只能获得特定延迟时间、特定空间位置的等离子体光谱。激光作用于靶材所产生的等离子体在真空中会迅速向外膨胀，形成等离子体羽。等离子体随着时间和空间快速演化，要获得等离子体在演化过程中更多的信息，就需要进行多次测量。由于激光烧蚀靶材会在靶面上形成烧蚀坑，如果激光持续作用于靶面的同一位置，产生的等离子体的稳定性会变差，这会很大程度上降低等离子体光谱测量的可重复性。

为了准确的获得不同空间位置处的等离子体信息，智能控制的激光等离子体空间分辨测量装置对激光等离子体光谱实验以及工业应用具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种计算机控制的操作简便、智能化、精度高的激光等离子体测量装置。

本发明的另一个目的是提供一种用上述装置测量等离子体的方法。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：

本发明激光等离子体测量装置是计算机控制的一种操作简便、智能化、精度高的激光等离子体测量装置。利用该测量装置提出的测量方法对激光等离子体进行空间测量时，靶材二维智能移动的方法可以保证激光等离子体的稳定性，极大的提高了激光等离子体实验的可重复性，另一方面也可以实现靶材的高效利用。该测量方法中设计的激光作用于靶面的图示化模拟，使靶面的二维移动控制，更加直观，更加方便，实现了智能化控制。同时，采用“等离子体移动法”实现了激光等离子体的高精度空间分辨测量。并实现了激光等离子体测量装置的智能化控制。

附图说明

图1是本发明激光等离子体测量装置的示意图。

图2是本发明激光等离子体测量装置中样品架位移台的示意图。

图3是本发明测量方法中样品靶二维移动示意图。

图4是本发明测量方法中给出的靶面网格示意图。

图5是激光脉冲能够作用于图4所示网格中的作用点的示意图。

图6是激光脉冲作用于图5所示作用点后的示意图。

图7是整个靶面被激光脉冲作用后的示意图。

图中：1.激光器，2.分束镜，3.反射镜，4.能量计，5.电动平移台，6.聚焦透镜，7.第一石英窗，8.第二石英窗，9.电子显微镜，10.第三石英窗，11.真空规管接口，12.分子泵接口，13.计算机，14.真空腔室，15.正方体样品架，16.测量窗口，17.测量狭缝，18.移动控制器，19.样品靶，20.函数信号发生器，21.数字脉冲延迟发生器，22.连接杆，23.样品靶X轴平移台，24.样品靶Z轴平移台，25.样品靶Y轴平移台，26.样品靶旋转台。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

如图1所示，本发明激光等离子体测量装置，包括激光器1、能量计4、聚焦透镜6、计算机13、真空腔室14以及平行设置的分束镜2和反射镜3，分束镜2与水平面之间的夹角和反射镜3与水平面之间的夹角均为45°，分束镜2位于激光器1和反射镜3之间。真空腔室14的侧壁上分别设有第一石英窗7、第二石英窗8、第三石英窗10、真空规管接口11、分子泵接口12和测量窗口16，测量窗口16上设有测量狭缝17。真空腔室14内设有正方体样品架15，正方体样品架15与设于真空腔室14外的样品架位移台相连接，该样品架位移台可驱动正方体样品架15沿X轴、Y轴和Z轴方向移动，并可驱动正方体样品架15绕Y轴转动。聚焦透镜6位于第一石英窗7和反射镜3之间，聚焦透镜6安装于电动平移台5上。第二石英窗8外设有电子显微镜9，电子显微镜9与计算机13相连接。激光器1采用脉冲激光器，激光器1与数字脉冲延迟发生器21相连接，数字脉冲延迟发生器21分别与移动控制器18和函数信号发生器20相连，移动控制器18还分别与计算机13、电动平移台5和样品架位移台相连接。

图2为本发明激光等离子体测量装置中的样品架位移台，包括样品靶X轴平移台23、样品靶Z轴平移台24、样品靶Y轴平移台25和样品靶旋转台26，样品架位移台通过连接杆22与正方体样品架15相连接。样品靶X轴平移台23通过连接杆22驱动正方体样品架15沿X轴方向移动；样品靶Z轴平移台24通过连接杆22驱动正方体样品架15沿Z轴方向移动；样品靶Y轴平移台25通过连接杆22驱动正方体样品架15沿Y轴方向移动，样品靶旋转台26通过连接杆22驱动正方体样品架15绕Y轴转动。

正方体样品架15为铝合金壳体。

本发明提供了一种利用上述测量装置进行激光等离子体测量的方法，具体按以下步骤进行：

步骤1：在正方体样品架15的四个侧壁上均并排装载两块样品靶19，样品靶19长35mm、宽26mm，分子泵接口12连接分子泵，真空规管接口11连接真空计；

步骤2：手动触发函数信号发生器20，函数信号发生器20产生触发信号，该触发信号将触发数字延迟脉冲发生器21，数字延迟脉冲发生器21接收到该触发信号后触发激光器1产生第一次激光脉冲，该激光束经过分束镜2时，分束镜2将其中5%的激光束分出，并将该部分激光束输出到能量计4上，能量计4通过接收到的激光束检测激光器1输出的激光能量大小；另一部分激光束通过分束镜2后，到达反射镜3，反射镜3将激光束转向后射向聚焦透镜6，通过聚焦透镜6的激光束从第一石英窗7进入真空腔室14内，并照射到样品架15朝向第一石英窗7的侧面安装的样品靶19上；通过移动控制器18使电动平移台5沿激光入射方向往复轻微移动，调节聚焦透镜6改变激光聚焦后的焦点距离样品靶19表面的距离；同时，通过样品靶X轴平移台23、样品靶Z轴平移台24、样品靶Y轴平移台25和样品靶旋转台26调整正方体样品架15，使样品靶19与激光束相垂直，并使首次激光脉冲作用于朝向激光束的两个样品靶19中一个样品靶19靶面左上角靠近边缘的位置；首次激光脉冲结束后，数字延迟脉冲发生器21给移动控制器18提供一个触发信号，移动控制器18将接收到的触发信号输送给计算机13，计算机13接收到信号后向移动控制器18发送指令，通过移动控制器18控制样品靶19在所在平面内进行二维移动。即首先通过样品靶X轴平移台23带动样品靶19沿X轴正方向移动一步；再次通过函数信号发生器20产生下一个触发信号，并将该触发信号发送给触发数字延迟脉冲发生器21，数字延迟脉冲发生器21接收到该触发信号后触发激光器1产生第二次激光脉冲，第二次激光脉冲作用于样品靶19产生等离子体，然后通过样品靶X轴平移台23带动样品靶19沿X轴正方向再移动一步；接着激光每作用一次后，就使样品靶19沿X轴正方向移动一步，直至激光脉冲作用于样品靶19的位置接近靶面右边缘时，通过样品靶Y轴平移台25带动样品靶沿Y轴负方向向上移动一步；之后在每一次激光脉冲结束后通过样品靶X轴平移台23控制靶面沿X轴负方向横向移动，当激光脉冲作用的位置到达样品靶19的左端边缘附近时，控制样品靶19沿Y轴负方向再走一步，这样就完成了一次往复运动；此后，计算机13通过移动控制器18控制样品架位移台使样品靶19按照“弓”字型的运动轨迹进行移动，一直到激光烧蚀位置到达样品靶19的下端边缘。

样品靶19二维移动的步长由激光作用于样品靶19形成烧蚀坑的大小来确定，具体为：调节电子显微镜9的位置和焦距，使其对激光作用于样品靶19的位置清晰成像，固定电子显微镜9；在一次激光脉冲结束后，通过计算机13控制电子显微镜对样品靶19靶面进行成像，然后通过与标尺比较确定烧蚀坑的直径；由于激光能量的不稳定以及不同的聚焦条件，导致激光作用于靶面之后形成的烧蚀坑的大小有所差别，所以样品靶19移动步长的确定准则是：多次测量选取最大的烧蚀坑的直径作为靶面19二维移动的步长。

在激光烧蚀过程中，计算机13给移动控制器18发出指令，移动控制器18控制样品架位移台按“弓”字型的运动轨迹进行移动，如图3所示，图3中的白色圆为每次激光脉冲在样品靶19上的烧蚀坑，图中箭头方向为每次激光脉冲后样品靶19的移动方向。通过这样的运动轨迹使整个靶面被全部利用，这不但保证了每次激光脉冲都能作用于新的靶面位置，而且也实现了靶材的高效利用。

本发明测量方法在控制界面中显示激光作用于靶面的图示化的模拟，激光作用于靶面的图示化模拟与激光实际作用于靶面的位置是完全匹配的。这样可以使靶面的二维移动控制更加直观方便。激光作用于靶面的图示化模拟的设计方案为：首先对靶面信息进行分析，在控制软件中输入靶面横向和纵向的尺寸，第一次激光作用后计算出每次移动的步长，然后在界面上给出靶面作用区域横向和纵向的网格数，如图4所示；最后给出激光的作用区域，用白色圆来表示，如图5所示；接下来与靶面二维移动的方式同步，激光脉冲作用结束后，图示化模拟中激光作用区域的第一个白色圆变为黑色圆，表示该位置已经被激光作用，如图6所示；每次激光作用结束后白色圆变为黑色。按照这样的方式，每次激光作用的位置为下一个白色圆的位置；如前面所述，按照“弓”字型的运动模式，直到所有的白色圆都变为黑色圆为止，表示所有的区域都作用结束，给出“靶面已使用完，请换靶”的提示信息。激光作用于靶面的图示化模拟与靶面的二维移动同步，可以使激光作用于靶面的位置一目了然，进一步提升了实验效率。

在激光脉冲烧蚀样品靶19靶面时，采用真空紫外光谱仪通过测量狭缝17对激光烧蚀产生的激光等离子体进行空间分辨测量；测量采用“等离子体移动法”，具体为：计算机13通过移动控制台18控制样品架移动台进行四维移动，将所要进行测量的样品靶19移动到测量狭缝17的探测位置，此时所测量的是靠近靶面位置的等离子体；接着，计算机13给移动控制器18发出指令，移动控制器18控制样品靶Z轴平移台24和电动位移台5同时同向移动，使样品靶19和聚焦透镜6作为一个整体向激光入射方向同时移动相同的距离，以保证进行空间分辨测量时，激光作用于靶面所产生的等离子体是稳定的，此时所测量的是远离靶面一定距离的等离子体，这相当于将等离子体做了移动，所以称之为“等离子体移动法”；此后每次测量之后将样品靶Z轴平移台24和电动位移台5同时移动相同的距离，直到测量狭缝17探测不到等离子体的辐射光为止，完成一次激光等离子体的空间分辨测量。电动位移台5和样品靶Z轴平移台24的分辨率可以达到微米量级，能够实现激光等离子体的高精度空间分辨测量。

在进行激光等离子体光谱测量时，如果移动测量狭缝17，则需要同时移动真空紫外光谱仪，而真空紫外光谱仪体积庞大，并接有很多真空设备，同时，主光轴也会随着移动而发生变化，因此，本发明测量装置中的测量狭缝17固定不动，而是移动样品靶19和聚焦透镜6。

函数信号发生器20与数字延迟脉冲发生器21相连用来产生触发信号。数字延迟脉冲发生器21与激光器1以及移动控制器18相连用来给激光器1和移动控制器18提供时序信号。电子显微镜9包括电子目镜和物镜。

Claims (7)

1.一种智能控制的激光等离子体测量装置，其特征在于，包括激光器（1）、能量计（4）、聚焦透镜（6）、计算机（13）、真空腔室（14）以及平行设置的分束镜（2）和反射镜（3），分束镜（2）位于激光器（1）和反射镜（3）之间；真空腔室（14）的侧壁上分别设有第一石英窗（7）、第二石英窗（8）、第三石英窗（10）、真空规管接口（11）、分子泵接口（12）和测量窗口（16），测量窗口（16）上设有测量狭缝（17）；真空腔室（14）内设有正方体样品架（15），正方体样品架（15）与设于真空腔室（14）外的样品架位移台相连接，该样品架位移台可驱动正方体样品架（15）在四维方向上运动；聚焦透镜（6）位于第一石英窗（7）和反射镜（3）之间，聚焦透镜（6）安装于电动平移台（5）上；第二石英窗（8）外设有电子显微镜（9），电子显微镜（9）与计算机（13）相连接；激光器（1）与数字脉冲延迟发生器（21）相连接，数字脉冲延迟发生器（21）分别与移动控制器（18）和函数信号发生器（20）相连，移动控制器（18）还分别与计算机（13）、电动平移台（5）和样品架位移台相连接。

2.根据权利要求1所述的智能控制的激光等离子体测量装置，其特征在于，所述的样品架位移台包括样品靶X轴平移台（23）、样品靶Z轴平移台（24）、样品靶Y轴平移台（25）和样品靶旋转台（26），样品架位移台通过连接杆（22）与正方体样品架（15）相连接；样品靶X轴平移台（23）通过连接杆（22）驱动正方体样品架（15）沿X轴方向移动；样品靶Z轴平移台（24）通过连接杆（22驱动正方体样品架（15）沿Z轴方向移动；样品靶Y轴平移台（25）通过连接杆（22）驱动正方体样品架（15）沿Y轴方向移动，样品靶旋转台（26）通过连接杆（22）驱动正方体样品架（15）绕Y轴转动。

3.根据权利要求1所述的智能控制的激光等离子体测量装置，其特征在于，分束镜（2）与水平面之间的夹角和反射镜（3）与水平面之间的夹角均为45°。

4.一种利用权利要求1所述智能控制的激光等离子体测量装置对激光等离子体进行空间测量的方法，其特征在于，该测量方法具体按以下步骤进行：

步骤1：在正方体样品架（15）的四个侧壁上均并排装载两块样品靶（19），分子泵接口（12）连接分子泵，真空规管接口（11）连接真空计；

步骤2：手动触发函数信号发生器（20），函数信号发生器（20）产生触发信号，该触发信号将触发数字延迟脉冲发生器（21），数字延迟脉冲发生器（21）接收到该触发信号后触发激光器（1）产生第一次激光脉冲，该激光束经过分束镜（2）时，分束镜（2）将一部分激光束分出并输出到能量计（4）上，能量计（4）通过接收到的激光束检测激光器（1）输出的激光能量大小；另一部分激光束通过分束镜（2）到达反射镜（3），反射镜（3）将激光束转向后射向聚焦透镜（6），通过聚焦透镜（6）的激光束从第一石英窗（7）进入真空腔室（14）内，并照射到样品架（15）朝向第一石英窗（7）的侧面安装的样品靶（19）上；通过移动控制器（18）使电动平移台（5沿激光入射方向往复移动，调节聚焦透镜（6）改变激光聚焦后的焦点距离样品靶（19）表面的距离；同时，通过样品架位移台调整正方体样品架（15），使样品靶（19）与激光束相垂直，并使首次激光脉冲作用于朝向激光束的两个样品靶（19）中一个样品靶（19）靶面左上角边缘的位置；首次激光脉冲结束后，数字延迟脉冲发生器（21）给移动控制器（18）提供一个触发信号，移动控制器（18）将接收到的触发信号输送给计算机（13），计算机（13）接收到信号后向移动控制器（18）发送指令，移动控制器（18）通过样品架移动台控制样品靶（19）在所在平面内进行二维移动：即首先使样品靶（19）沿X轴正方向移动一步，再通过函数信号发生器（20）产生下一个触发信号，并将该触发信号发送给触发数字延迟脉冲发生器（21），数字延迟脉冲发生器（21）接收到该触发信号后触发激光器（1）产生第二次激光脉冲，第二次激光脉冲作用于样品靶（19）产生等离子体，然后使样品靶（19）沿X轴正方向再移动一步；接着激光每作用一次后，就使样品靶（19）沿X轴正方向移动一步，直至激光脉冲作用于样品靶（19）的位置接近靶面右边缘时，通过样品架移动台使样品靶（19）沿Y轴负方向向上移动一步；之后在每一次激光脉冲结束后通过样品架移动台使样品靶（19）沿X轴负方向移动，当激光脉冲作用的位置到达样品靶（19）的左端边缘时，使样品靶（19）沿Y轴负方向再移动一步，这样就完成了一次往复运动；此后，计算机（13通过移动控制器（18）控制样品架位移台使样品靶（19）按照“弓”字型的运动轨迹进行移动，一直到激光烧蚀位置到达样品靶（19）的下端边缘；

在激光脉冲烧蚀样品靶（19）靶面时，采用真空紫外光谱仪通过测量狭缝（17）对激光烧蚀产生的激光等离子体进行空间分辨测量。

5.根据权利要求4所述的对激光等离子体进行空间测量的方法，其特征在于，样品靶（19）二维移动的步长由激光作用于样品靶（19）形成烧蚀坑的大小来确定，具体为：调节电子显微镜（9）的位置和焦距，使其对激光作用于样品靶（19）的位置清晰成像，固定电子显微镜（9）；在一次激光脉冲结束后，通过计算机（13）控制电子显微镜（9）对样品靶（19）靶面进行成像，通过与标尺比较确定烧蚀坑的直径，对同一烧蚀坑进行多次测量，选取烧蚀坑的最大直径作为靶面（19）二维移动的步长。

6.根据权利要求4所述的对激光等离子体进行空间测量的方法，其特征在于，采用“等离子体移动法”对激光等离子体进行空间测量：计算机（13）通过移动控制台（18）控制样品架移动台进行四维移动，将所要进行测量的样品靶（19）移动到测量狭缝（17）的探测位置，此时所测量的是靠近靶面位置的等离子体；接着，计算机（13）给移动控制器（18）发出指令，移动控制器（18）控制样品架移动台和电动位移台（5）同时同向移动，使样品靶（19）和聚焦透镜（6）作为一个整体向激光入射方向同时移动相同的距离，此时所测量的是远离靶面一定距离的等离子体；此后每次测量之后将样品架移动台和电动位移台（5）同时移动相同的距离，直到测量狭缝（17）探测不到等离子体的辐射光为止，完成一次激光等离子体的空间分辨测量。

7.根据权利要求4所述的对激光等离子体进行空间测量的方法，其特征在于，在计算机（13）的控制界面中显示激光作用于靶面的图示化的模拟，激光作用于靶面的图示化模拟与激光实际作用于靶面的位置是完全匹配的；激光作用于靶面的图示化模拟为：首先输入靶面横向尺寸和纵向尺寸，第一次激光作用后计算出每次移动的步长，然后在界面上给出靶面作用区域横向和纵向的网格数；最后给出激光的作用区域，用白色圆来表示；接下来与靶面二维移动的方式同步，激光脉冲作用结束后，图示化模拟中激光作用区域的第一个白色圆变为黑色圆，表示该位置已经被激光作用；每次激光作用结束后白色圆变为黑色，按照这样的方式，每次激光作用的位置为下一个白色圆的位置；按照“弓”字型的运动模式，直到所有的白色圆都变为黑色圆为止，表示所有的区域都作用结束，给出“靶面已使用完，请换靶”的提示信息。