CN114378054A - 一种真空型三维扫描激光表面清洗和收集装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种真空型三维扫描激光表面清洗和收集装置。把三维扫描激光放在真空靶外，简化了移动靶台和移动激光器所需的复杂设计，减少了装置经济成本。把待清洗的样品及收集装置放在真空靶室中进行，阻止了清洗目标逃逸到环境中污染环境，同时真空腔室起到防辐射作用，特别适用于剧毒样品和辐射类样品的清洗和收集，并且很好地保护了已清洗样品表面的洁净。样品安装台与等离子体吸收靶筒连上抑制电势，有效地阻止等离子体的逃逸，增加等离子的收集效率。独特的光路结构，光学机构做移动扫描运动时，总光程可实验自动补偿，激光聚焦光斑可自锁到样品靶面上。
Description
技术领域
本发明涉及激光表面清洗和收集装置，尤其是涉及一种真空型三维扫描激光表面清洗和收集装置。
背景技术
激光表面清洗作为一项成熟技术已经广泛应用于工业领域，具有无研磨、非接触、无热效应和适用于各种材质物体的清洗等特点，激光清洗可以解决采用传统清洗方式无法解决的问题。其工作原理是激光束聚焦于固体表面，由于表面吸收高功率密度激光的能量后形成等离子体，等离子体冲击波进一步冲击周围杂质颗粒，使其剥离。应用过程中一般采用短脉冲激光，可以有效避免固体内表面受热损伤。
激光表面清洗需要完成激光束斑在样品表面的位置扫描，常见的激光表面清洗装置通常把移动机构设置样品靶台和移动激光器上。当是对有毒物质和辐射物质的表面清洗和收集时会导致环境污染和设备污染。
发明内容
本发明的目的就是为了提供一种真空型三维扫描激光表面清洗和收集装置。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种真空型三维扫描激光表面清洗和收集装置，包括直流电源，以及沿光路依次设置的第一方向移动聚焦透镜组件、固定反射镜、第二方向移动反射镜组件和第一方向移动反射镜组件和真空靶室，所述固定反射镜的入射光线和反射光线，以及第二方向移动反射镜组件的反射光线在同一平面中且与第一方向移动反射镜组件的反射光线第二方向；
所述真空靶室内设有等离子体屏蔽室，等离子体吸收室，等离子体吸收靶筒和样品安装台，且所述真空靶室、等离子体屏蔽室和等离子体吸收室上设有用于经由第一方向移动反射镜组件反射的光线射入至样品安装台上的入口，所述等离子体吸收室置于等离子体屏蔽室内，所述等离子体吸收靶筒和样品安装台均置于等离子体吸收室内，所述等离子体吸收靶筒位于样品安装台被光线照射的一侧；
所述等离子体屏蔽室连接至所述直流电源的正极，所述等离子体吸收室连接至直流电源的负极。
所述第一方向移动聚焦透镜组件包括聚焦透镜、透镜安装座和第一电动平移台组成，所述聚焦透镜通过透镜安装座安装于第一电动平移台上，所述第一电动平移台为一维电动平移台；
所述第二方向移动反射镜组件包括第一反射镜、第一反射镜安装座和第二电动平移台组成，所述第一反射镜通过第一反射镜安装座安装于第二电动平移台上，所述第二电动平移台为一维电动平移台；
所述第一方向移动反射镜组件包括第二反射镜、第二反射镜安装座和第三电动平移台组成，所述第二反射镜通过第二反射镜安装座安装于第三电动平移台上，所述第三电动平移台为一维电动平移台；
所述第二反射镜的法线入射至第二反射镜的光线的夹角为45度。
所述第二反射镜的轴面和样品安装台平面呈90度设置。
所述等离子体屏蔽室和等离子体吸收室的主体均为金属空心圆柱筒。
所述金属空心圆柱筒的两端分别设有下滤网底板和上滤网盖板。
所述等离子体吸收靶筒为金属圆筒，通过螺栓固定安装于等离子体吸收室内壁。
所述金属圆筒的内壁经过磨砂处理。
所述样品安装台上的样品由绝缘安装件固定。
所述第一方向为水平方向，第二方向为竖直方向。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明装置中把三维扫描激光放在真空靶外，通过控制三个电动平移台实现激光聚焦光斑在样品表面的三维扫描清洗。该设计不用移动样品靶台，也不用移动激光器，通过移动电动平移台上的安装镜座来实现三维扫描清洗。该设计简化了移动靶台或者激光器所需的复杂设计，减少了装置经济成本。
2、本发明装置中把待清洗的样品及收集装置放在真空靶室中进行，真空腔室很好地阻止了清洗目标逃逸到环境中污染环境。同时真空腔室还起到防辐射作用。本发明装置特别适用于剧毒样品和辐射类样品的清洗和收集。
3、本发明装置中把待清洗的样品及收集装置放在真空靶室中进行，杜绝了激光作用到样品表面时与背景气体的二次高温灼烧反应，很好地保护了已清洗样表面的洁净。
4、本发明装置中把等离子体屏蔽室与样品安装台的电位相连，为正电势区。把等离子体吸收室与等离子体吸收靶筒的电位相连，为负电势区。当激光轰击样品靶面产生等离子体时，等离子体中目标离子都是带正电荷，靶台的正电势把目标离子推向负电势区的离子体吸收靶筒。有效地防止等离子体的逃逸，增加等离子的收集效率。
5、本发明装置中独特的光路结构，把水平移动聚焦透镜组放在光路前，移动透镜时不会影响后方光路的准直性。把水平移动反射镜组上的反射镜面和样品靶台平面成90度安装，当水平移动该反射镜时，透镜中心到靶点的总光程自动补偿，激光聚焦光斑可自锁到样品靶面上。
附图说明
图1为本发明的原理示意图；
图2为本发明的结构示意图；
其中：1、水平移动聚焦透镜组件，2、固定反光镜，3、垂直移动反射镜组件，4、水平移动反射镜组件，5、真空靶室，6、样品，31、第一反射镜安装架，32、第一反射镜，41、第二反射镜安装架，42、第二反射镜，43、第三电动平移台，51、等离子体屏蔽室，52、等离子体吸收室，53、样品安装台，54、等离子体吸收靶筒，101、脉冲激光，102、激光等离子体。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
一种真空型三维扫描激光表面清洗和收集装置，如图1和图2所示，包括直流电源，以及沿光路依次设置的水平方向移动聚焦透镜组件、固定反射镜、竖直方向移动反射镜组件和水平方向移动反射镜组件和真空靶室5，固定反射镜的入射光线和反射光线，以及竖直方向移动反射镜组件的反射光线在同一平面中且与水平方向移动反射镜组件的反射光线竖直方向；
真空靶室5内设有等离子体屏蔽室51，等离子体吸收室52，等离子体吸收靶筒54和样品6安装台，且真空靶室5、等离子体屏蔽室51和等离子体吸收室52上设有用于经由水平方向移动反射镜组件反射的光线射入至样品6安装台上的入口，等离子体吸收室52置于等离子体屏蔽室51内，等离子体吸收靶筒54和样品6安装台均置于等离子体吸收室52内，等离子体吸收靶筒54位于样品6安装台被光线照射的一侧。
等离子体屏蔽室51连接至直流电源的正极，等离子体吸收室52连接至直流电源的负极。
水平移动聚焦透镜组件1，用于通过水平移动透镜位置来调整入射到样品靶片上的激光聚焦光斑的深度位置。水平方向移动聚焦透镜组件包括聚焦透镜、透镜安装座和第一电动平移台组成，聚焦透镜通过透镜安装座安装于第一电动平移台上，第一电动平移台为一维电动平移台。通过控制第一电动平移台沿着水平方向，即x方向的移动来调整聚焦透镜的位置，进而调整激光聚焦光斑在样品靶面深度方向，即z方向的位置。此为激光光斑的第一维度扫描，即深度方向的扫描，
垂直移动反射镜组件3，用于通过垂直移动反射镜位置来调整入射到样品靶片上的激光聚焦光斑的垂直位置。竖直方向移动反射镜组件包括第一反射镜32、第一反射镜安装座31和第二电动平移台组成，第一反射镜32通过第一反射镜安装座31安装于第二电动平移台上，第二电动平移台为一维电动平移台。通过控制第二电动平移台沿着竖直方向，即Y方向的移动来调整反射镜的位置，进而调整激光聚焦光斑在样品靶面垂直方向，即Y方向的位置。此为激光光斑的第二维度扫描，即垂直方向的扫描。
水平移动反射镜组件4，用于通过水平移动反射镜位置来调整入射到样品靶片上的激光聚焦光斑的水平位置。由第二反射镜42、第二反射镜安装座41和第三电动平移台组成。其中，第三电动平移台为一维电动平移台，通过控制第三电动平移台沿着水平方向，即X方向的移动来调整反射镜的位置，进而调整激光聚焦光斑在样品靶面水平方向，即X方向的位置。此为激光光斑的第三维度扫描，即水平方向的扫描。
真空靶室5，用于把等离子体屏蔽室51，等离子体吸收室52，等离子体吸收靶筒54，样品安装台53和待洗样品靶片等安装到真空环境中。真空靶室5上还安装了真空观察窗口、真空泵、真空电极接口，真空测量规管和样品6安装窗口。
等离子体屏蔽室51，为正电势区，用于抑制从等离子体吸收室52逃逸出来的带电离子。由一个金属空心圆柱筒、下滤网底板和上滤网盖板组成。圆柱筒柱面上沿差激光入射方向开有一个方形孔，用于激光的入射。整个等离子体屏蔽室51绝缘安装在真空腔室内，与真空电极接口连接。
等离子体吸收室52，为负电势区，用于安装等离子体吸收靶筒54并吸收逸出靶筒的部分等离子体带电离子。由一个金属空心圆柱筒、下滤网底板和上滤网盖板组成。圆柱筒柱面上沿差激光入射方向开有一个方形孔，用于激光的入射。整个等离子体吸收室52绝缘安装在离子体屏蔽室的圆柱筒内，与真空电极接口连接。
等离子体吸收靶筒54，用于吸收激光轰击样品靶面产生的等离子体。由一个开口金属圆筒组成，该开口金属圆筒内部磨砂处理，以尽可能多的吸收等离子体。该开口金属圆筒用螺栓直接固定安装在等离子体吸收室52圆柱内。等离子体空吸收靶筒与吸收靶筒等电势。
样品安装台53，用于固定安装待激光清洗的样品靶片。样品安装台53绝缘安装在等离子体吸收室52内，并用绝缘导线与离子体屏蔽室相连，为正电势区。
等离子体屏蔽室51与样品安装台53的电位相连，为正电势区。等离子体吸收室52与等离子体吸收靶筒54的电位相连，为负电势区。当激光轰击样品靶面产生等离子体时，等离子体中目标离子都是带正电荷，靶台的正电势把目标离子推向负电势区的离子体吸收靶筒。有效地防止等离子体的逃逸，增加等离子的收集效率。
当垂直移动反射镜组件3上的反射镜并不会改变透镜中心到靶点的总光程。
本申请把三维扫描激光放在真空靶外，通过控制三个电动平移台实现激光聚焦光斑在样品6表面的三维扫描清洗。该设计不用移动样品靶台，也不用移动激光器，通过移动电动平移台上的安装镜座来实现三维扫描清洗。该设计简化了移动靶台或者激光器所需的复杂设计，减少了装置经济成本。同时把待清洗的样品6及收集装置放在真空靶室5中进行，真空腔室很好地阻止了清洗目标逃逸到环境中污染环境。同时真空腔室还起到防辐射作用。特别适用于剧毒样品6和辐射类样品6的清洗和收集。
本实施例中，第二反射镜的法线入射至第二反射镜的光线的夹角为45度，第二反射镜的轴面和样品安装台53平面呈90度设置，当水平移动该反射镜时，透镜中心到靶点的总光程自动补偿，此时不用移动透镜去调整激光聚焦光斑在样品靶面的深度位置。
应用本申请进行清洗的过程如下：
第一步，建立组装好本发明装置后，首先把待洗样品靶片安装到样品安装台53上
第二步，把真空靶室5内的等离子体屏蔽室51，等离子体吸收室52，等离子体吸收靶筒54和样品安装台53依次安装完毕。
第三步，安装好真空靶室5外部的水平移动聚焦透镜组件1,垂直移动反射镜组件3、水平移动反射镜组件4和固定反射镜。此时电动平移台的初始位置应该放置在可移动正负距离的零位上。
第四步，打开脉冲激光101器到一定功率，粗调光路，让经透镜聚焦后的激光光斑轰击到样品靶片中心，微调透镜前后位置，当看到样品靶面上有激光打火点，关闭激光器。
第五步，封闭好真空系统并打开真空维持设备。
第六步，把连接等离子体屏蔽室51的真空电极接口连接到一台直流稳压正高压电源上。把连接等离子体吸收室52的真空电极接口连接到一台直流稳压负高压电源上，并在负高压电源和该电极口间串联一台0.1mA级精度的电流表。
第七步，待系统真空达10^-3Pa后，再次打开激光器，逐步增加激光器功率，以能看到真空靶室5内发出最大亮度的激光打火点为佳。打开正负高压电源，同幅度增加两台电源的电压，直到在电流表上看到稳定的电流脉冲，说明激光轰击到样品靶片上产生的等离子体被吸收筒吸收。
第八步，打开控制垂直移动反射镜组件3、水平移动反射镜组件4和水平移动聚焦透镜组件1的电动平移台运行控制程序，往复交替控制反射镜和透镜的移动，实现激光聚焦光斑在样品靶片上的三维激光清洗扫描。
Claims (10)
1.一种真空型三维扫描激光表面清洗和收集装置，其特征在于，包括直流电源，以及沿光路依次设置的第一方向移动聚焦透镜组件、固定反射镜、第二方向移动反射镜组件和第一方向移动反射镜组件和真空靶室，所述固定反射镜的入射光线和反射光线，以及第二方向移动反射镜组件的反射光线在同一平面中且与第一方向移动反射镜组件的反射光线第二方向；
所述真空靶室内设有等离子体屏蔽室，等离子体吸收室，等离子体吸收靶筒和样品安装台，且所述真空靶室、等离子体屏蔽室和等离子体吸收室上设有用于经由第一方向移动反射镜组件反射的光线射入至样品安装台上的入口，所述等离子体吸收室置于等离子体屏蔽室内，所述等离子体吸收靶筒和样品安装台均置于等离子体吸收室内，所述等离子体吸收靶筒位于样品安装台被光线照射的一侧；
所述等离子体屏蔽室连接至所述直流电源的正极，所述等离子体吸收室连接至直流电源的负极。
2.根据权利要求1所述的一种真空型三维扫描激光表面清洗和收集装置，其特征在于，所述第一方向移动聚焦透镜组件包括聚焦透镜、透镜安装座和第一电动平移台组成，所述聚焦透镜通过透镜安装座安装于第一电动平移台上，所述第一电动平移台为一维电动平移台；
所述第二方向移动反射镜组件包括第一反射镜、第一反射镜安装座和第二电动平移台组成，所述第一反射镜通过第一反射镜安装座安装于第二电动平移台上，所述第二电动平移台为一维电动平移台；
所述第一方向移动反射镜组件包括第二反射镜、第二反射镜安装座和第三电动平移台组成，所述第二反射镜通过第二反射镜安装座安装于第三电动平移台上，所述第三电动平移台为一维电动平移台。
3.根据权利要求2所述的一种真空型三维扫描激光表面清洗和收集装置，其特征在于，所述第二反射镜的法线入射至第二反射镜的光线的夹角为45度。
4.根据权利要求2所述的一种真空型三维扫描激光表面清洗和收集装置，其特征在于，所述第二反射镜的轴面和样品安装台平面呈90度设置。
5.根据权利要求1所述的一种真空型三维扫描激光表面清洗和收集装置，其特征在于，所述等离子体屏蔽室和等离子体吸收室的主体均为金属空心圆柱筒。
6.根据权利要求5所述的一种真空型三维扫描激光表面清洗和收集装置，其特征在于，所述金属空心圆柱筒的两端分别设有下滤网底板和上滤网盖板。
7.根据权利要求1所述的一种真空型三维扫描激光表面清洗和收集装置，其特征在于，所述等离子体吸收靶筒为金属圆筒，通过螺栓固定安装于等离子体吸收室内壁。
8.根据权利要求7所述的一种真空型三维扫描激光表面清洗和收集装置，其特征在于，所述金属圆筒的内壁经过磨砂处理。
9.根据权利要求1所述的一种真空型三维扫描激光表面清洗和收集装置，其特征在于，所述样品安装台上的样品由绝缘安装件固定。
10.根据权利要求1所述的一种真空型三维扫描激光表面清洗和收集装置，其特征在于，所述第一方向为水平方向，第二方向为竖直方向。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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