CN107884918A - 一种强磁场下高能紫外激光导入装置 - Google Patents

一种强磁场下高能紫外激光导入装置 Download PDF

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朱顺进
周晓军
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魏巍
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盛志高
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Abstract

本发明公开了一种强磁场下高能紫外激光导入装置，包括：全反射棱镜(4)设于反射箱(3)内，并且反射箱(3)上对应全反射棱镜入射光通光面的位置设有入射口，对应全反射棱镜反射光通光面的位置设有反射口；非球面会聚透镜(1)设于可伸缩镜筒(2)的前端，而可伸缩镜筒(2)的后端固定在反射箱(3)的入射口上；反射箱(3)和可伸缩镜筒(2)的后端伸入到超导磁体的镗孔内，从而入射的高能紫外激光依次经过非球面会聚透镜(1)和全反射棱镜(4)聚焦到目标靶材(5)上。本发明能够更加稳定可靠地将高能紫外激光导入并聚焦到强磁场中的靶材上，而且采用了一体化结构设计，使安装拆卸和激光光路调节更加方便，经济耐用。

Description

一种强磁场下高能紫外激光导入装置
技术领域
本发明涉及材料制备装备领域，尤其涉及一种强磁场下高能紫外激光导入装置。
背景技术
近几年来，材料制备领域中利用高能紫外激光(通常需要的激光能量密度在每平方厘米数个焦耳以上)进行材料加工与合成的研究越来越多，例如：脉冲激光沉积(PLD)技术通常采用的就是短波长(紫外)准分子脉冲激光器，利用这种短波长(紫外)准分子脉冲激光器发射的高能紫外激光照射靶材激发等离子体羽，就可以进行薄膜沉积；因此高能紫外激光在材料制备领域有着巨大应用前景。PLD技术可以沉积制备高质量的复杂成分和高熔点薄膜材料，这已经成为当前材料科学研究中不可缺少的薄膜制备技术。此外，利用高能紫外激光可以在较低温度甚至室温条件下辅助晶化材料，这也具有十分重要的应用前景。
磁场作为一种理想的非接触的外场驱动力，可以影响到材料生长过程中的晶粒形核、长大、晶界迁移和再结晶等过程，从而会对材料的微结构和性能起到调控作用，因此在脉冲激光沉积薄膜过程中引入强磁场以实现对薄膜的微结构和功能进行调控越来越受到人们的关注；例如：在强磁场下进行脉冲激光沉积制备薄膜，可以获得柱状纳米结构的锰氧化物薄膜材料，这种薄膜材料具有大的低场磁电阻效应。然而，目前的强磁场通常由超导磁体产生，而超导磁体的镗孔空间狭窄，并且需要极低温的工作条件，因此将高能紫外激光引入超导磁体腔内(强磁场环境)进行材料制备具有一定技术难度。
在现有技术中，授权公告号为CN103774097B的中国专利中公开了一种强磁场下脉冲激光沉积薄膜制备装置，其技术方案是利用会聚透镜和激光导入腔将会聚的高能紫外激光引入到超导磁体的镗孔内，然后采用抗高能激光的反射镜作为激光反射装置将会聚的高能紫外激光反射后聚焦到目标靶材表面，从而实现了在强磁场下进行脉冲激光沉积制备薄膜；但是现有抗高能紫外激光的反射镜通常是由多层介质膜(例如：HfO2/SiO2膜系)构成，具有大的光子能量的高能紫外激光容易损伤介质膜，因此要获得高损伤阈值的介质膜反射镜并不容易。以反射248nm的高能紫外激光为例，普通热蒸发技术所制得的介质膜反射镜激光损伤阈值一般在4J/cm2以内，而脉冲激光薄膜沉积过程中反射镜上的能量密度峰值通常超过4J/cm2，因此这种介质膜反射镜非常容易损坏。原理上高质量的介质膜反射镜其激光损伤阈值可以达到很高，但高质量介质膜对镀膜技术和工艺控制要求非常高，所以制备高损伤阈值的介质膜反射镜成本也非常高。介质膜反射镜损伤带来的直接结果是使会聚到靶材上的脉冲激光能量很快衰减，不能激发等离子体羽辉，无法正常工作。即使介质膜轻微的损伤也会影响镀膜质量，造成镀膜质量不可控。此外，上述专利所公开的技术方案中，会聚透镜与激光导入腔是分立的，因此在激光光路调节上很不方便。
发明内容
针对现有技术中的上述不足之处，本发明提供了一种强磁场下高能紫外激光导入装置，不仅解决了现有高能紫外激光反射装置的容易损坏、加工困难、成本高等技术问题，能够更加稳定可靠地将高能紫外激光导入并聚焦到强磁场中的靶材上，而且采用了一体化结构设计，使安装拆卸和激光光路调节更加方便，经济耐用。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种强磁场下高能紫外激光导入装置，用于伸入到超导磁体的镗孔内，并将高能紫外激光聚焦到目标靶材5上，包括：非球面会聚透镜1、可伸缩镜筒2、反射箱3和全反射棱镜4；全反射棱镜4的底面为反射面，全反射棱镜4的两个斜侧面分别为入射光通光面和反射光通光面；全反射棱镜4设于反射箱3内，并且反射箱3上对应入射光通光面的位置设有入射口，对应反射光通光面的位置设有反射口；非球面会聚透镜1设于可伸缩镜筒2的内部前端，而可伸缩镜筒2的后端固定在反射箱3的入射口上；反射箱3和可伸缩镜筒2的后端伸入到超导磁体的镗孔内，并且反射箱3的反射口对准所述镗孔内的目标靶材5，从而入射的高能紫外激光依次经过非球面会聚透镜1和全反射棱镜4聚焦到目标靶材5上。
优选地，非球面会聚透镜1与全反射棱镜4之间的距离小于非球面会聚透镜1的焦距。
优选地，所述非球面会聚透镜1的conic参数为-0.5～-0.8。
优选地，全反射棱镜4的反射面的法线方向与非球面会聚透镜1的光轴之间夹角α为65°全反射棱镜4的反射面与全反射棱镜4的入射光通光面之间夹角β为65°；全反射棱镜4的反射面与全反射棱镜4的反射光通光面之间夹角γ为65°。
优选地，所述反射箱3的反射口上设有透光保护窗片6。
优选地，可伸缩镜筒2的后端通过螺纹7固定在反射箱3的入射口上，并采用螺纹紧固件8进行加固。
优选地，非球面会聚透镜1通过透镜压圈9固定在可伸缩镜筒2的内部前端。
优选地，全反射棱镜4通过多个压簧片10固定在反射箱3内。
优选地，非球面会聚透镜1、可伸缩镜筒2、反射箱3和全反射棱镜4均采用无磁或弱磁性材料制成。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明提供的强磁场下高能紫外激光导入装置采用全反射棱镜替代了现有技术中介质膜反射镜用于对高能紫外激光进行反射，从而避免了现有高能紫外激光反射装置中介质膜反射镜容易损坏、加工困难、成本高等技术问题，并且能够更加稳定可靠地将高能紫外激光导入并聚焦到强磁场中的靶材上；同时，该强磁场下高能紫外激光导入装置将非球面会聚透镜1、可伸缩镜筒2、反射箱3和全反射棱镜4的一体化结构设计，这使得安装拆卸和光路调节更加方便，并且经济耐用。此外，该强磁场下高能紫外激光导入装置的所有部件均采用无磁或弱磁性材料制成，并且全反射棱镜4是通过多个压簧片10固定在反射箱3内，因此本发明所提供的强磁场下高能紫外激光导入装置不仅可以用于强磁场下高能紫外激光导入聚焦，而且可以用于高温环境下高能紫外激光导入聚焦。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例提供强磁场下高能紫外激光导入装置的结构示意图。
图2为本发明实施例提供全反射棱镜4的结构示意图。
图3为本发明实施例提供压簧片10的结构示意图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
下面对本发明所提供的强磁场下高能紫外激光导入装置进行详细描述。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
如图1、图2和图3所示，一种强磁场下高能紫外激光导入装置，用于伸入到超导磁体的镗孔内，并将高能紫外激光聚焦到目标靶材5上，其结构包括：非球面会聚透镜1、可伸缩镜筒2、反射箱3和全反射棱镜4。全反射棱镜4的底面为反射面，全反射棱镜4的两个斜侧面分别为入射光通光面和反射光通光面；全反射棱镜4设于反射箱3内，并且反射箱3上对应入射光通光面的位置设有入射口，对应反射光通光面的位置设有反射口；非球面会聚透镜1设于可伸缩镜筒2的内部前端，而可伸缩镜筒2的后端通过螺纹7固定在反射箱3的入射口上；反射箱3和可伸缩镜筒2的后端伸入到超导磁体的镗孔内，且反射箱3的反射口对准所述镗孔内的目标靶材5，从而入射的高能紫外激光依次经过非球面会聚透镜1和全反射棱镜4聚焦到目标靶材5上。
其中，该强磁场下高能紫外激光导入装置的各部件可以包括以下实施方案：
(1)非球面会聚透镜1与全反射棱镜4之间的距离小于非球面会聚透镜1的焦距，从而可以通过调节可伸缩镜筒2的伸缩长度方便地使高能紫外激光经过全反射棱镜4反射后聚焦到目标靶材5。
(2)所述非球面会聚透镜1的二次曲面常量conic参数最好为-0.5～-0.8，并且可以根据针对不同材料、不同紫外激光波长进行优化设计，而非球面会聚透镜1的抛光面粗糙度最好≤3埃，从而可以最大限度地消除球差，有效减小高能紫外激光的能量浪费，使高能紫外激光最大程度地聚焦到目标靶材5上。在实际应用中，非球面会聚透镜1可以通过透镜压圈9固定在可伸缩镜筒2的内部前端，而可伸缩镜筒2的最前端可以设有用于安装到其他设备(例如：真空腔体设备)上的内螺纹12。
(3)全反射棱镜4可以根据入射激光波长、所处空间以及入射与出射的偏转角进行合理设计，例如：全反射棱镜4可以采用等腰梯形全反射棱镜，并且其面型精度PV<0.2λ，棱镜角度精度＜0.0028°，抛光面粗糙度＜3埃，这可以以光线垂直与棱镜面的方式正入射和出射，从而能够最大程度地减小光能损失，使高能紫外激光最大程度地聚焦到目标靶材5上。在实际应用中，全反射棱镜4可以通过多个压簧片10固定在反射箱3内，这可以有效避免全反射棱镜4与反射箱3因其热膨胀系数不同而损坏全反射棱镜4，从而使该强磁场下高能紫外激光导入装置可以在高温环境下使用；例如：如图1所示，对应等腰梯形全反射棱镜的顶面和一个非透光侧面可以各设有一个压簧片10，而对应等腰梯形全反射棱镜的入射光通光面可以设有两个不遮挡入射光的压簧片10。
(4)反射箱3的反射口上最好设有透光保护窗片6，并且透光保护窗片6最好通过窗片压圈11固定在反射箱3的反射口上，从而透光保护窗片6可以在不遮光的情况下将反射箱3的反射口密封，即全反射棱镜4反射出的高能紫外激光可以穿过透光保护窗片6后聚焦到目标靶材5上，这可以有效保护全反射棱镜4，以避免受到污染。
(5)可伸缩镜筒2的后端可以通过螺纹7固定在反射箱3的入射口上，并可以采用螺纹紧固件8进行加固，从而可以实现可伸缩镜筒2与反射箱3的密闭连接，有效保护非球面会聚透镜1和全反射棱镜4，以避免受到污染。
(6)全反射棱镜4的反射面的法线方向与非球面会聚透镜1的光轴之间夹角α最好为65°，全反射棱镜4的反射面与全反射棱镜4的入射光通光面之间夹角β最好为65°，全反射棱镜4的反射面与全反射棱镜4的反射光通光面之间夹角γ最好为65°，这可以保证高能紫外激光经过全反射棱镜4反射后最大程度地聚焦到目标靶材5。
(7)本发明所提供的强磁场下高能紫外激光导入装置的所有部件均采用无磁或弱磁性材料制成，从而可以避免该强磁场下高能紫外激光导入装置受到磁场力的作用，或者因采用强磁性材料产生对磁场的干扰；例如：可伸缩镜筒2、反射箱3、透镜压圈9、螺纹紧固件8、窗片压圈11可以用铝合金材料制成，压簧片10可以采用无磁不锈钢制成。而非球面会聚透镜1、全反射棱镜4和透光保护窗片6可以根据所用紫外激光波长和强度选择不同材料，通常可采用JGS1石英玻璃，或者可采用CaF2、MgF2、BaF2、Al2O3晶体材料中的至少一种，从而可以保证具有较高的透光率，避免能量损耗和棱镜自身被高能紫外激光损坏。
具体地，本发明所提供的强磁场下高能紫外激光导入装置的原理是：入射的高能紫外激光51经过非球面会聚透镜1会聚后，以正入射的方式进入全反射棱镜4，当光线到达全反射棱镜4的反射面并且入射角大于棱镜反射面的全反射临界角时，入射光全反射以正入射的方式从全反射棱镜4的反射光通光面出射，出射的高能紫外激光52穿过透光保护窗片6并聚焦到目标靶材5上，从而可以对目标靶材5进行材料加工和制备。
进一步地，与现有技术相比，本发明所提供的强磁场下高能紫外激光导入装置至少具有以下优点：
(1)本发明所提供的强磁场下高能紫外激光导入装置采用全反射棱镜替代了现有技术中的介质膜反射镜，用以对高能紫外激光进行反射，从而避免了出现现有高能紫外激光反射装置中介质膜反射镜容易损坏、加工困难、成本高等技术问题，并且能够更加稳定可靠地将高能紫外激光导入并聚焦到强磁场中的靶材上。
(2)本发明所提供的强磁场下高能紫外激光导入装置将非球面会聚透镜1设于可伸缩镜筒2的内部前端，而可伸缩镜筒2的后端固定在反射箱3的入射口上，并将全反射棱镜4设于反射箱3内，从而实现了将非球面会聚透镜1、可伸缩镜筒2、反射箱3和全反射棱镜4的一体化结构设计，这使得安装拆卸和光路调节更加方便，并且经济耐用。
(3)本发明所提供的强磁场下高能紫外激光导入装置的所有部件均采用无磁或弱磁性材料制成，并且全反射棱镜4是通过多个压簧片10固定在反射箱3内，因此本发明所提供的强磁场下高能紫外激光导入装置不仅可以用于强磁场下高能紫外激光导入聚焦，而且可以用于高温环境下高能紫外激光导入聚焦。
(4)本发明所提供的强磁场下高能紫外激光导入装置可适用于波长为157nm、193nm、248nm、308nm、353nm的高能紫外脉冲激光，并且可用于强磁场下的脉冲激光沉积和紫外激光辅助晶化等材料制备技术领域。
综上可见，本发明实施例不仅解决了现有高能紫外激光反射装置中介质膜反射镜容易损坏、加工困难、成本高等技术问题，能够更加稳定可靠地将高能紫外激光导入并聚焦到强磁场中的靶材上，而且采用了一体化结构设计，使安装拆卸和光路调节更加方便，经济耐用。
为了更加清晰地展现出本发明所提供的技术方案及所产生的技术效果，下面以具体实施例对本发明实施例所提供的强磁场下高能紫外激光导入装置进行详细描述。
实施例1
如图1、图2和图3所示，一种强磁场下高能紫外激光导入装置，用于伸入到超导磁体的镗孔内，并将波长为248nm的高能紫外准分子脉冲激光聚焦到目标靶材5上，其具体结构可以包括：非球面会聚透镜1、可伸缩镜筒2、反射箱3和全反射棱镜4。
全反射棱镜4的底面为反射面，全反射棱镜4的两个斜侧面分别为入射光通光面和反射光通光面。全反射棱镜4设于反射箱3内，并且反射箱3上对应入射光通光面的位置设有入射口，对应反射光通光面的位置设有反射口；反射箱3的反射口上设有透光保护窗片6，并且透光保护窗片6是通过窗片压圈11固定在反射箱3的反射口上。
非球面会聚透镜1通过透镜压圈9固定在可伸缩镜筒2的内部前端，而可伸缩镜筒2的后端固定在反射箱3的入射口上，并且非球面会聚透镜1与全反射棱镜4之间的距离小于非球面会聚透镜1的焦距。
反射箱3和可伸缩镜筒2的后端伸入到超导磁体的镗孔内，且反射箱3的反射口对准所述镗孔内的目标靶材5，从而入射的高能紫外激光依次经过非球面会聚透镜1和全反射棱镜4聚焦到目标靶材5上。
其中，该强磁场下高能紫外激光导入装置的各部件包括以下具体实施方案：
(1)全反射棱镜4为等腰梯形全反射棱镜，并且通过多个压簧片10固定在反射箱3内；如图1所示，该等腰梯形全反射棱镜的顶面、入射光通光面和一个垂直侧面均与反射箱3的内壁具有约2mm的间隙，并且对应顶面和一个垂直侧面的间隙处处各设有一个压簧片10，对应入射光通光面的间隙处设有两个不遮挡入射光的压簧片10。所述压簧片10由厚度为0.2mm的316LN无磁不锈钢制成。
(2)所述非球面会聚透镜1、全反射棱镜4和透光保护窗片6均采用JGS1石英玻璃制成，并且JGS1石英玻璃的基本光学参数如下：折射率1.5058，表面透过率0.959，全反射临界角41.614°。非球面会聚透镜1的焦距为430.0mm±2mm，二次曲面常量conic参数为-0.581，聚焦透镜相对孔径为0.0058，抛光面粗糙度≤3埃；全反射棱镜4的面型精度PV<0.2λ，棱镜角度精度＜0.0028°，抛光面粗糙度＜3埃，尺寸公差为±0.05mm。
(3)全反射棱镜4的反射面的法线方向与非球面会聚透镜1的光轴之间夹角α最好为65°，全反射棱镜4的反射面与全反射棱镜4的入射光通光面之间夹角β最好为65°，全反射棱镜4的反射面与全反射棱镜4的反射光通光面之间夹角γ最好为65°，这可以保证高能紫外激光经过全反射棱镜4反射后最大程度地聚焦到目标靶材5。
(4)可伸缩镜筒2的后端通过螺纹7固定在反射箱3的入射口上，并采用螺纹紧固件8进行加固。可伸缩镜筒2的最前端设有用于安装到其他设备(例如：真空腔体设备)上的内螺纹12。可伸缩镜筒2、反射箱3、透镜压圈9、螺纹紧固件8、窗片压圈11可以用铝合金材料制成。
具体地，本发明实施例1所提供的强磁场下高能紫外激光导入装置可以满足授权公告号为CN103774097B的中国专利中所记载的具体实施例1的应用需求，并且能有效避免出现现有高能紫外激光反射装置中介质膜反射镜的容易损坏、加工困难、成本高等技术问题。
综上可见，本发明实施例不仅解决了现有高能紫外激光反射装置的容易损坏、加工困难、成本高等技术问题，能够更加稳定可靠地将高能紫外激光导入并聚焦到强磁场中的靶材上，而且采用了一体化结构设计，使安装拆卸和光路调节更加方便，经济耐用。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种强磁场下高能紫外激光导入装置，用于伸入到超导磁体的镗孔内，并将高能紫外激光聚焦到目标靶材(5)上，其特征在于，包括：非球面会聚透镜(1)、可伸缩镜筒(2)、反射箱(3)和全反射棱镜(4)；
全反射棱镜(4)的底面为反射面，全反射棱镜(4)的两个斜侧面分别为入射光通光面和反射光通光面；全反射棱镜(4)设于反射箱(3)内，并且反射箱(3)上对应入射光通光面的位置设有入射口，对应反射光通光面的位置设有反射口；
非球面会聚透镜(1)设于可伸缩镜筒(2)的内部前端，而可伸缩镜筒(2)的后端固定在反射箱(3)的入射口上；
反射箱(3)和可伸缩镜筒(2)的后端伸入到超导磁体的镗孔内，并且反射箱(3)的反射口对准所述镗孔内的目标靶材(5)，从而入射的高能紫外激光依次经过非球面会聚透镜(1)和全反射棱镜(4)聚焦到目标靶材(5)上。
2.根据权利要求1所述的强磁场下高能紫外激光导入装置，其特征在于，非球面会聚透镜(1)与全反射棱镜(4)之间的距离小于非球面会聚透镜(1)的焦距。
3.根据权利要求1或2所述的强磁场下高能紫外激光导入装置，其特征在于，所述非球面会聚透镜(1)的conic参数为-0.5～-0.8。
4.根据权利要求1或2所述的强磁场下高能紫外激光导入装置，其特征在于，全反射棱镜(4)的反射面的法线方向与非球面会聚透镜(1)的光轴之间夹角(α)为65°全反射棱镜(4)的反射面与全反射棱镜(4)的入射光通光面之间夹角(β)为65°；全反射棱镜(4)的反射面与全反射棱镜(4)的反射光通光面之间夹角(γ)为65°。
5.根据权利要求1或2所述的强磁场下高能紫外激光导入装置，其特征在于，所述反射箱(3)的反射口上设有透光保护窗片(6)。
6.根据权利要求1或2所述的强磁场下高能紫外激光导入装置，其特征在于，可伸缩镜筒(2)的后端通过螺纹(7)固定在反射箱(3)的入射口上，并采用螺纹紧固件(8)进行加固。
7.根据权利要求6所述的强磁场下高能紫外激光导入装置，其特征在于，非球面会聚透镜(1)通过透镜压圈(9)固定在可伸缩镜筒(2)的内部前端。
8.根据权利要求1或2所述的强磁场下高能紫外激光导入装置，其特征在于，全反射棱镜(4)通过多个压簧片(10)固定在反射箱(3)内。
9.根据权利要求1或2所述的强磁场下高能紫外激光导入装置，其特征在于，非球面会聚透镜(1)、可伸缩镜筒(2)、反射箱(3)和全反射棱镜(4)均采用无磁或弱磁性材料制成。
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