CN114323264B

CN114323264B - 一种测量真空设备内激光的原位能量测量装置及测量方法

Info

Publication number: CN114323264B
Application number: CN202210002464.0A
Authority: CN
Inventors: 廖昭亮
Original assignee: University of Science and Technology of China USTC
Current assignee: University of Science and Technology of China USTC
Priority date: 2022-01-04
Filing date: 2022-01-04
Publication date: 2023-06-20
Anticipated expiration: 2042-01-04
Also published as: CN114323264A

Abstract

本发明公开了一种测量真空设备内激光的原位能量测量装置及测量方法，包括：能量计，安装在外部工作台上；导光壳，安装在真空壳体的入射口上；驱动部，驱动部的外部连接至导光壳上，驱动部的移动端设置有反光镜，可以帮助使用者得到真实的激光能量密度，帮助使用者保证不同批次生长的样品具有同样的激光能量密度，从而极大的帮助使用者提高样品的制备重复性和薄膜的质量。

Description

一种测量真空设备内激光的原位能量测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及激光测量技术领域，具体而言，涉及一种测量真空设备内激光的原位能量测量装置及测量方法。

背景技术

当代许多电子器件、传感器、探测器以及光学元件等都需要用到真空镀膜技术，尤其是电子学元器件，绝大多数都以薄膜材料为载体，因此高质量的薄膜生长非常关键，脉冲激光沉积是其中一种比较普遍使用的真空镀膜技术，它采用高能量脉冲激光轰击特定材料制定的靶材，产生包含靶材中各类元素组成的原子、离子和分子团等组成的等离子体羽辉。羽辉扩散到正对着靶材的基片上重新结晶成晶体，从而成膜。一个好的制备过程需要优化激光的能量、生长温度、真空背景的气体(通常为氧)的分压以及靶和基片的距离等等；

一般激光都是通过一个透明的视窗法兰进入真空腔体并到达靶材。由于目前的许多商业高能激光能量计都只能在大气下使用，所以激光的能量测量都是在激光进入到真空腔体之前进行测试，在实际使用时，如制备样品的过程中，也会有等离子羽辉扩散到激光视窗法兰，并沉积在视窗内侧，从而降低视窗的激光透过率，造成能量的衰减，从而我们无法得知实际到达靶材的能量，另一方面能量的衰减也会使得我们可获取的能量密度受限，使得一些需要高能量密度生长的膜无法制备，因此视窗的镀膜污染会严重影响高质量薄膜的生长，所以在薄膜制备过程中，一般需要定期取下视窗进行清洗，把表面镀的膜去除掉来重新获得高透射率的视窗，不过，这种方式只解决了能量衰减导致的能量密度受限问题，并不能帮助我们获得真实的到达靶材的能量，另一种常见方式是在视窗里面再放一块可以活动的玻璃，它可以通过外部的磁耦合或者机械传动等调整位置，在这个玻璃前面再放置一个金属窗口用于激光入射，这样使用一段时间后，只会镀上窗口后面的部分，通过移动玻璃到未沉积过的地方，可以得到新的没有材料沉积的玻璃区域用于激光透射，这种方式虽然可以延长视窗的维护周期，但也一样不能帮助我们获得真实的到达靶材的能量，为此提出一种测量真空设备内激光的原位能量测量装置及测量方法。

发明内容

根据本发明的实施例旨在解决或改善上述技术问题中的至少之一。

根据本发明的实施例的第一方面在于提供一种测量真空设备内激光的原位能量测量装置。

本发明的第二方面在于提出一种测量真空设备内激光的原位能量的测量方法。

发明第一方面的实施例提供了一种测量真空设备内激光的原位能量测量装置，包括：能量计，安装在外部工作台上；导光壳，安装在真空壳体的入射口上；驱动部，所述驱动部的外部连接至所述导光壳上，所述驱动部的移动端设置有反光镜；其中，所述导光壳上设置有至少两个导出口，所述导出口分别对应所述能量计和所述真空壳体的入射口，所述反光镜设置在所述导光壳内部，且用于改变所述导光壳内部的光路。

根据本发明提供的一种测量真空设备内激光的原位能量测量装置及测量方法，将反光镜设置在导光壳内部，且通过驱动部带动，使得导光壳内部的激光光路能够发生改变，以便进行激光能量的检测和激光对外部工件的加工，通过能量计隔离设置在导光壳外部，一方面能够使得能量计在现有的技术下置于大气中工作，另一方面能够降低对导光壳导光壳内部真空环境的破坏，设置两个以上的导出口，使得激光在反光镜的反射调节下能够进行多方向的射出，以便在同一环境中进行检测和使用，降低不同因素对测量结果和对照实施造成的误差影响，可以帮助使用者得到真实的激光能量密度，帮助使用者保证不同批次生长的样品具有同样的激光能量密度，从而极大的帮助使用者提高样品的制备重复性和薄膜的质量。

另外，根据本发明的实施例提供的技术方案还可以具有如下附加技术特征：

上述任一技术方案中，所述驱动部包括：线性位移台，设置在所述导光壳上，所述线性位移台的移动端与所述反光镜相连接；真空法兰，固定在所述线性位移台和所述导光壳之间。

在该技术方案中，通过线型位移台能够进行反光镜的双向的线性移动，以便进行反光镜的伸出和缩回，以便装置在激光能量测量和激光照射加工中的反复切换，通过真空法兰可对线性位移台和导光壳之间进行装配密封，保证了导光壳内部不会对线性位移台暴露露点，增强了导光壳内部的密封性，保证了使用和测试中的环境稳定。

上述任一技术方案中，所述导光壳上开设有导入口，所述导入口与任意的所述导出口同轴设置，至少两个所述导出口的轴线相互不平行。

在该技术方案中，通过开设导入口与外部激光器密封装配，以便对导光壳内部进行激光导入，通过导入口与任意的导出口同轴设置，使得激光从导入口射入时能够在不被干扰的前提下从一个导出口直接射出，将至少两个导出口的轴线相互不平行设置，使得导出口之间具有夹角，以便通过反光镜的反射作用将激光射向不同的方向和导出口，以便进行检测和加工的不同种类操作。

上述任一技术方案中，所述导出口上安装有视窗法兰，所述导光壳通过所述视窗法兰与所述真空壳体的入射口固定装配，且经过所述视窗法兰向外导通所述光路。

在该技术方案中，通过将视窗法兰分别的设置在每一个导出口上，使得激光无论是处于能量检测还是加工中都会经过视窗法兰，一方面方便在透射激光的前提下进行导光壳内部的真空密封，另一方面能够控制变量，降低激光在检测和加工中的最终输出能量之间的偏差。

上述任一技术方案中，所述导光壳还包括：真空阀门，所述真空阀门与所述导光壳靠近所述真空壳体的一端相连通。

在该技术方案中，加设真空阀门对真空壳体和导光壳之间进行阻拦，以便对导光壳内部进行真空设置，加设真空阀门可以关阀，然后，把导光壳放气，同时不影响真空壳体的真空，把被污染的视窗法兰内部的视窗卸出来清理，去掉污染层，重新装上，抽好导光壳的真空，然后开阀与真空壳体连上。

上述任一技术方案中，所述测量真空设备内激光的原位能量测量装置还包括：导转座，安装在所述反光镜底部，且与所述线性位移台移动端转动连接。

在该技术方案中，加设导转座，以便进行反光镜的转动，以便在初期的使用中进行光路的反射调节和后期对不同形态的导光壳进行适配改变。

本发明的第二方面技术方案中提供了一种测量真空设备内激光的原位能量的测量方法，包括如下步骤：启动线性位移台带动反光镜向上移动，使反光镜置于导光壳内部激光的光路上；从导入口进行激光的射入，启动能量计测得反射激光能量；根据能量计测得的反射激光能量与进入导入口的激光能量，计算比例因子；根据比例因子进行真空壳体内部加工所需激光能量的计算；所述测量真空设备内激光的原位能量测量方法采用第一方面任一技术方案提供的测量真空设备内激光的原位能量测量装置，进行实验测量。

在该技术方案中，测量真空设备内激光的原位能量测量方法具有上述技术方案中任意的测量真空设备内激光的原位能量测量装置的全部有益效果，通过先行的实验检测，算处比例因子，以便在后续的生产加工中面对不同能量值的激光都能够进行快速的计算和加工实施。

上述任一技术方案中，根据测得的反射激光能量与进入导入口的激光能量，计算比例因子按照下述公式进行计算：

f＝Iin/IRef

Iin为进入导入口的激光能量，IRe为能量计测量到的反射激光能量，f为比例因子。

在该技术方案中，因为透过视窗法兰后的激光被由腔体外的能量计测量其能量，由于处于垂直于激光路径侧边的视窗法兰一般不会被污染，其激光透过率是不随使用时间变化的，是一固定值，所以在单次测量后即可进行不同能量值的激光直接的更改实施，大大加快了后续的生产加工和技术指标的修改。

上述任一技术方案中，根据比例因子进行真空壳体内部加工所需激光能量按照下述公式进行计算：

Iin＝IRef*f

在该技术方案中，根据之前测定的比例因子即可进行导入口的激光能量实际的所需量，以便进行不同能量值的激光的更改，加快了后续的数值修改速度，无需次次测算。

根据本发明的实施例的附加方面和优点将在下面的描述部分中变得明显，或通过根据本发明的实施例的实践了解到。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的激光能量测定时的结构示意图；

图3为本发明的激光镀膜时的结构示意图；

图4为本发明的反光镜及其连接结构示意图。

其中，图1至图4中附图标记与部件名称之间的对应关系为：

1能量计、2导光壳、201导出口、202导入口、203视窗法兰、204真空阀门、205排气口、3驱动部、301线性位移台、302真空法兰、4反光镜、5真空壳体、6导转座。

具体实施方式

为了可以更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

请参阅图1-4，本发明第一方面的实施例提供了一种测量真空设备内激光的原位能量测量装置，包括：能量计1，安装在外部工作台上；导光壳2，安装在真空壳体5的入射口上；驱动部3，驱动部3的外部连接至导光壳2上，驱动部3的移动端设置有反光镜4；其中，导光壳2上设置有至少两个导出口201，导出口201分别对应能量计1和真空壳体5的入射口，反光镜4设置在导光壳2内部，且用于改变导光壳2内部的光路。

根据本发明提供的一种测量真空设备内激光的原位能量测量装置及测量方法，将反光镜4设置在导光壳2内部，且通过驱动部3带动，使得导光壳2内部的激光光路能够发生改变，以便进行激光能量的检测和激光对外部工件的加工，通过能量计1隔离设置在导光壳2外部，一方面能够使得能量计1在现有的技术下置于大气中工作，另一方面能够降低对导光壳2导光壳2内部真空环境的破坏，设置两个以上的导出口201，使得激光在反光镜4的反射调节下能够进行多方向的射出，以便在同一环境中进行检测和使用，降低不同因素对测量结果和对照实施造成的误差影响，可以帮助使用者得到真实的激光能量密度，帮助使用者保证不同批次生长的样品具有同样的激光能量密度，从而极大的帮助使用者提高样品的制备重复性和薄膜的质量，能量计1通过现有技术进行固定和测量(可固定于外部工作台上)，且置于导光壳2外部。

上述任一实施例中，如图1-4所示，驱动部3包括：线性位移台301，设置在导光壳2上，线性位移台301的移动端与反光镜4相连接；真空法兰302，固定在线性位移台301和导光壳2之间。

在该实施例中，通过线型位移台能够进行反光镜4的双向的线性移动，以便进行反光镜4的伸出和缩回，以便装置在激光能量测量和激光照射加工中的反复切换，通过真空法兰302可对线性位移台301和导光壳2之间进行装配密封，保证了导光壳2内部不会对线性位移台301暴露露点，增强了导光壳2内部的密封性，保证了使用和测试中的环境稳定。

上述任一实施例中，如图1-4所示，导光壳2上开设有导入口202，导入口202与任意的导出口201同轴设置，至少两个导出口201的轴线相互不平行。

在该实施例中，通过开设导入口202与外部激光器密封装配，以便对导光壳2内部进行激光导入，通过导入口202与任意的导出口201同轴设置，使得激光从导入口202射入时能够在不被干扰的前提下从一个导出口201直接射出，将至少两个导出口201的轴线相互不平行设置，使得导出口201之间具有夹角，以便通过反光镜4的反射作用将激光射向不同的方向和导出口201，以便进行检测和加工的不同种类操作。

进一步地，导入口202和导出口201均为圆形设置。

上述任一实施例中，如图1-4所示，出口上安装有视窗法兰203，导光壳2通过视窗法兰203与真空壳体5的入射口固定装配，且经过视窗法兰203向外导通光路。

在该实施例中，通过将视窗法兰203分别的设置在每一个导出口201上，使得激光无论是处于能量检测还是加工中都会经过视窗法兰203，一方面方便在透射激光的前提下进行导光壳2内部的真空密封，另一方面能够控制变量，降低激光在检测和加工中的最终输出能量之间的偏差。

上述任一实施例中，如图1-4所示，导光壳2还包括：真空阀门204，真空阀门204与导光壳2靠近真空壳体5的一端相连通。

在该实施例中，加设真空阀门201对真空壳体5和导光壳2之间进行阻拦，以便对导光壳2内部进行真空设置，加设真空阀门204可以关阀，然后，把导光壳2放气，同时不影响真空壳体5的真空，把被污染的视窗法兰203内部的视窗卸出来清理，去掉污染层，重新装上，抽好导光壳2的真空，然后开阀与真空壳体5连上。

进一步地，导光壳2外壁开设排气孔205，可与外部真空泵相连接，以便进行内部气体的排空，且排气孔205与外部真空泵的连接处设置有阀门以便进行导光壳2与外部的导通和隔离。

上述任一实施例中，如图1-4所示，测量真空设备内激光的原位能量测量装置还包括：导转座6，安装在反光镜4底部，且与线性位移台301移动端转动连接。

在该实施例中，加设导转座6，以便进行反光镜4的转动，以便在初期的使用中进行光路的反射调节和后期对不同形态的导光壳2进行适配改变。

请参阅图1-4，本发明的第二方面实施例中提供了一种测量真空设备内激光的原位能量的测量方法，包括如下步骤：启动线性位移台301带动反光镜4向上移动，使反光镜4置于导光壳2内部激光的光路上；从导入口202进行激光的射入，启动能量计1测得反射激光能量；根据能量计1测得的反射激光能量与进入导入口202的激光能量，计算比例因子；根据比例因子进行真空壳体5内部加工所需激光能量的计算；测量真空设备内激光的原位能量测量方法采用第一方面任一实施例提供的测量真空设备内激光的原位能量测量装置，进行实验测量。

在该实施例中，测量真空设备内激光的原位能量的测量方法具有上述实施例中任意的测量真空设备内激光的原位能量测量装置的全部有益效果，通过先行的实验检测，算处比例因子，以便在后续的生产加工中面对不同能量值的激光都能够进行快速的计算和加工实施。

上述任一实施例中，如图1-4所示，根据测得的反射激光能量与进入导入口202的激光能量，计算比例因子按照下述公式进行计算：

f＝Iin/IRef

Iin为进入导入口202的激光能量，IRe为能量计1测量到的反射激光能量，f为比例因子。

在该实施例中，因为透过视窗法兰203后的激光被由腔体外的能量计1测量其能量，由于处于垂直于激光路径侧边的视窗法兰203一般不会被污染，其激光透过率是不随使用时间变化的，是一固定值，所以在单次测量后即可进行不同能量值的激光直接的更改实施，大大加快了后续的生产加工和技术指标的修改。

上述任一实施例中，如图1-4所示，根据比例因子进行真空壳体5内部加工所需激光能量按照下述公式进行计算：

Iin＝IRef*f

在该实施例中，根据之前测定的比例因子即可进行导入口202的激光能量实际的所需量，以便进行不同能量值的激光的更改，加快了后续的数值修改速度，无需次次测算。

具体的实施步骤：

反光镜4设置在一个线性直推位移台的移动端上表面，线性直推位移台可以上下伸缩，移动端装有反光镜4的线性直推位移台通过真空法兰302固定到导光壳2上，通过线性直推位移台，可以把反光镜4位置调节到激光的光路上，这样入射的激光被反射到能量计1对应的视窗法兰203一端，入射的激光透过导入口202后被反射到视窗法兰203，透过视窗法兰203后的激光被由腔体外的能量计1测量其能量，由于处于垂直于激光路径侧边的视窗法兰203一般不会被污染，其激光透过率是不随使用时间变化的，是一固定值，此外反光镜4是背对激光前进方式，并且只有在测能量时放在激光路径上，其它时间都在导光壳2的底部里面，反光镜4表面也不会被污染，因此反光镜4也有固定的不随设备使用时间变化的反射率；这样进入到导入口202后的激光能量(Iin)和能量计1测量到的反射激光能量(IRef)具有固定的比例因子f(f＝Iin/IRef)，这个比例因子f可以在设备使用前进行较准，之后每次进行能量测量都可以通过这个比例因子换算得到Iin＝IRef*f，正常使用激光后，可以把反光镜4退出激光路径。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。