CN110802326B - 一种通过激光加工阴极发射体单尖锥的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种通过激光加工阴极发射体单尖锥的方法，包括以下步骤：(1)激光光束经聚焦镜聚焦后，形成聚焦光束；(2)将阴极发射体安装到可旋转运动装置上；(3)阴极发射体和可旋转运动装置沿同一旋转轴进行旋转运动；(4)聚焦光束中心线与旋转运动中的阴极发射体呈一定角度移动靠近并在聚焦光束焦点处接触，利用激光去除阴极发射体材料，实现阴极发射体单尖锥加工。本发明的方法与湿腐蚀法、高温氧作用离子腐蚀法、电化学腐蚀法相比，可以同时实现对钨、锆、金属氧化物和六硼化镧等场发射阴极发射体单尖锥的高效加工，并且曲率半径可控、加工过程无污染。

Description

一种通过激光加工阴极发射体单尖锥的方法

技术领域

本发明属于材料加工技术领域，具体涉及一种通过激光加工阴极发射体单尖锥的方法。

背景技术

单尖锥阴极发射体是一种常见的场发射阴极，应用于扫描电子显微镜、电子束光刻系统和电子束曝光系统等。在场发射过程中高场强更利于电子的发射，为了得到强场，最常用的方法是将阴极发射体加工成尖锥的结构，阴极发射体尖锥尖端曲率半径要做到亚微米级以此来降低阴极的工作电压。目前单尖锥阴极发射体材料包括钨、锆、金属氧化物、碳纤维和六硼化镧等，阴极发射体单尖锥的加工方法主要有湿腐蚀法、高温氧作用离子腐蚀法、电化学腐蚀法，然而在加工过程环保性、加工效率以及尖锥尖端曲率半径加工控制等方面均存在一定局限性。例如，与其他方法相比，虽然电化学腐蚀法能够制备出曲率半径小，表面光洁度较好的单尖锥阴极发射体，但是需要数小时的电化学腐蚀时间，效率较低且加工过程环保性较差。

发明内容

(1)要解决的技术问题

鉴于现有技术中存在的不足，针对场发射阴极发射体对单尖锥加工的需求，本发明提供了一种通过激光加工阴极发射体单尖锥的方法，可以同时实现对钨、锆、金属氧化物和六硼化镧等场发射阴极发射体单尖锥的高效加工，并且曲率半径可控、加工过程无污染。

(2)技术方案

一种通过激光加工阴极发射体单尖锥的方法，包括以下步骤：

(1)激光光束1经聚焦镜2聚焦后，形成聚焦光束3；

(2)将阴极发射体4安装到可旋转运动装置5上；

(3)阴极发射体4和可旋转运动装置5沿同一旋转轴6进行旋转运动；

(4)聚焦光束3中心线与旋转运动中的阴极发射体4呈一定角度移动靠近并在聚焦光束3焦点处接触，利用激光去除阴极发射体材料，实现阴极发射体单尖锥加工。

进一步地，所述激光光束1，脉冲宽度为≤100纳秒(ns)，波长≤1064纳米(nm)。

进一步地，上述步骤(1)中，所述聚焦镜2包括聚焦物镜和聚焦透镜，焦距f≥10mm。

进一步地，所述阴极发射体4所用的阴极材料包括钨、锆、金属氧化物和六硼化镧。

进一步地，所述可旋转运动装置5，可实现沿旋转轴6稳定360°转动，转动速率≥10r/min。

进一步地，上述步骤(4)中，聚焦光束3中心线与旋转运动中的阴极发射体4所呈的一定角度，通过可旋转运动装置5沿垂直于纸面轴旋转实现。

进一步地，上述步骤(4)中，聚焦光束3中心线与旋转运动中的阴极发射体4所呈的一定角度，通过聚焦光束3沿垂直于纸面轴旋转实现。

由以上的技术方案可知，本发明的有益效果是：

本发明通过激光加工阴极发射体单尖锥的方法，利用聚焦激光光束中心轴与旋转运动中的阴极发射体呈一定角度并在聚焦光束焦点处接触，激光去除阴极发射体材料后，实现阴极发射体单尖锥加工，加工过程通过调整聚焦激光光束与旋转运动中的阴极发射体所呈的角度，控制阴极发射体曲率半径。与湿腐蚀法、高温氧作用离子腐蚀法、电化学腐蚀法相比，该方法可以同时实现对钨、锆、金属氧化物和六硼化镧等场发射阴极发射体单尖锥的高效加工，并且曲率半径可控、加工过程无污染。

附图说明

图1是激光加工阴极发射体单尖锥方法示意图，通过调节旋转装置，实现阴极发射体与聚光光束中心轴所呈角度的调节，其中激光光束-1，聚焦镜-2，聚焦光束-3，阴极发射体-4，可旋转运动装置-5，旋转轴-6。

图2是激光加工阴极发射体单尖锥方法示意图，通过调节聚焦光束旋转，实现其中心轴与与阴极发射体旋转轴所呈角度的调节，其中激光光束-1，聚焦镜-2，聚焦光束-3，阴极发射体-4，可旋转运动装置-5，旋转轴-6。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参照附图并结合实施例来详细说明本申请。

实施例1

本实施例提供一种通过激光加工六硼化镧阴极发射体单尖锥的方法，能够制备曲率半径在亚微米级的六硼化镧阴极发射体单尖锥，并且曲率半径可控制。包括如下步骤：

(1)飞秒激光(240fs、800nm)光束1经聚焦透镜2(f＝100mm)聚焦后，形成聚焦光束3；

(2)将六硼化镧阴极发射体4(φ10mm×50mm)安装到可旋转运动装置5上，可旋转运动装置5具有二维旋转机构，可实现六硼化镧阴极发射体4高速旋转运动以及六硼化镧阴极发射体4与聚焦光束3所呈角度调节；

(3)设置可旋转运动装置5转速100r/min，调节可旋转运动装置5使其与聚光光束3中心轴呈30°；

(4)利用聚焦光束3对高速旋转的六硼化镧阴极发射体4进行材料去除，实现阴极发射体单尖锥加工。

实施例2

本实施例提供一种通过激光加工钨阴极发射体单尖锥的方法，能够制备曲率半径在亚微米级的六硼化镧阴极发射体单尖锥，并且曲率半径可控制。包括如下步骤：

(1)皮秒激光(3fs、1030nm)光束1经聚焦透镜2(f＝150mm)聚焦后，形成聚焦光束3；

(2)将钨阴极发射体4(φ10mm×40mm)安装到可旋转运动装置5上，可旋转运动装置5可实现钨阴极发射体4高速旋转运动，设置可旋转运动装置5转速200r/min；

(3)聚焦光束3具有倾斜旋转功能，调节聚光光束3倾斜角度使其中心轴与钨阴极发射体4旋转轴呈45°；

(4)利用聚焦光束3对高速旋转的钨阴极发射体4进行材料去除，实现阴极发射体单尖锥加工。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不限制于本申请。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围内。

Claims (6)

1.一种通过激光加工阴极发射体单尖锥的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)激光光束(1)经聚焦镜(2)聚焦后，形成聚焦光束(3)；

(2)将阴极发射体(4)安装到可旋转运动装置(5)上，所述阴极发射体(4)所用的阴极材料包括钨、锆、金属氧化物和六硼化镧；

(3)阴极发射体(4)和可旋转运动装置(5)沿同一旋转轴(6)进行旋转运动；

(4)聚焦光束(3)中心线与旋转运动中的阴极发射体(4)呈一定角度移动靠近并在聚焦光束(3)焦点处接触，利用激光去除阴极发射体材料，实现阴极发射体单尖锥加工，加工过程通过调整聚焦激光光束与旋转运动中的阴极发射体所呈的角度，控制阴极发射体曲率半径；所述聚焦激光光束与阴极发射体所呈的角度为30°或45°。

2.根据权利要求1所述的一种通过激光加工阴极发射体单尖锥的方法，其特征在于，所述激光光束(1)，脉冲宽度为≤100纳秒，波长≤1064纳米。

3.根据权利要求1所述的一种通过激光加工阴极发射体单尖锥的方法，其特征在于，上述步骤(1)中，所述聚焦镜(2)包括聚焦物镜和聚焦透镜，焦距f≥10mm。

4.根据权利要求3所述的一种通过激光加工阴极发射体单尖锥的方法，其特征在于，所述可旋转运动装置(5)，可实现沿旋转轴(6)稳定360°转动，转动速率≥10r/min。

5.根据权利要求1所述的一种通过激光加工阴极发射体单尖锥的方法，其特征在于，上述步骤(4)中，聚焦光束(3)中心线与旋转运动中的阴极发射体(4)所呈的一定角度，通过可旋转运动装置(5)沿垂直于纸面轴旋转实现。

6.根据权利要求1所述的一种通过激光加工阴极发射体单尖锥的方法，其特征在于，上述步骤(4)中，聚焦光束(3)中心线与旋转运动中的阴极发射体(4)所呈的一定角度，通过聚焦光束(3)沿垂直于纸面轴旋转实现。

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