CN114485279A - 一种用于重频激光打靶的溅射屏蔽系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于重频激光打靶的溅射屏蔽系统及方法，该系统包括物理屏蔽层(1)和气体屏蔽层(2)，还具有偏转磁场组件(3)、高反光率污染物收集镜(4)和高透光率防护膜(5)，通过物理屏蔽、气体屏蔽、磁场屏蔽步骤对重频激光打靶系统进行防护。本发明公开的用于重频激光打靶的溅射屏蔽系统及方法，通过多种方式组合屏蔽实现了对重频激光打靶系统的保护，极大提高了重频激光打靶系统中光学元件的使用寿命。

Description

一种用于重频激光打靶的溅射屏蔽系统及方法

技术领域

本发明涉及一种溅射屏蔽系统及方法，尤其涉及一种用于重频激光打靶的溅射屏蔽系统及方法，属于激光应用领域。

背景技术

近年来，基于激光加速的新型离子加速器因其体积小、加速梯度高、系统复杂度低等突出优点，引起了广泛的关注，产生的离子具有脉冲宽度短、峰值流强高、源尺寸小、转换效率高等优点，在肿瘤治疗、离子成像、惯性约束聚变等领域有着广泛的应用前景。

激光加速器虽然有诸多优点，但要从基础科学走向技术应用，仍有较多问题亟待解决，其中，激光打靶产生的溅射对系统带来的损伤就是亟待解决的问题之一。

在重频激光打靶时，由于高重频高功率激光与固体靶相互作用，会一直产生大量的高温溅射污染物和高速碎片，这些污染物和碎片一旦附着于周围反射镜、聚焦镜等昂贵的精密光学元件，将对光学元件的表面膜层造成致命损伤，使激光的反射效率和聚焦效率都大幅降低，并对整个重频打靶系统造成破坏。

因此，实现对溅射污染物和碎片的屏蔽是高重频激光打靶的必要条件，将是激光加速质子真正走向应用的重要基础。

发明内容

为了克服上述问题，本发明人进行了锐意研究，设计出一种用于重频激光打靶的溅射屏蔽系统及方法。

具体来说，本发明的目的在于提供以下方面：

一方面，本发明提供了一种用于重频激光打靶的溅射屏蔽系统，包括物理屏蔽层1和气体屏蔽层2，用于重频激光打靶系统的溅射屏蔽。

根据本发明，所述重频激光打靶系统包括激光发生装置、聚焦镜91和靶92，聚焦镜91和靶92设置于真空腔体内，在腔体内还设置有真空泵，

所述物理屏蔽层1为具有通孔11的板状结构，置于聚焦镜91和靶92之间，将重频激光打靶系统分割为激光侧和靶侧，聚焦镜91产生的高功率激光能够通过物理屏蔽层1上的通孔11照射在靶92上。

根据本发明，所述物理屏蔽层1上的通孔11孔径为0.5～100mm，优选为1～2mm。优选地，所述物理屏蔽层1具有移动组件，所述移动组件能够平移或旋转物理屏蔽层1，使得物理屏蔽层1的通孔11位置发生变化。

所述通孔11在靶侧具有锥形凸起，锥形的顶端指向靶92，所述通孔11贯穿锥形凸起，更优选地，所述通孔11激光侧的孔径大于靶侧孔径，使得所述通孔11呈锥形，所述锥形的通孔11的圆锥角为6°～60°，优选为15°～30°。

所述气体屏蔽层2设置在激光侧，包括气体喷嘴、高压气瓶和喷嘴控制系统，高压气瓶为气体喷嘴提供高压气体，喷嘴控制系统控制气体喷嘴的开合或气体管路的通断。

优选地，所述气体喷嘴出气口方向垂直于激光光路。

在一个优选的实施方式中，所述用于重频激光打靶的溅射屏蔽系统还包括偏转磁场组件3，所述偏转磁场组件3为能够产生强磁场的装置或结构，并可通过夹角设计来保证激光的正常传输。

在一个优选的实施方式中，所述用于重频激光打靶的溅射屏蔽系统还设置有高反光率污染物收集镜4，高反光率污染物收集镜4将聚焦镜91聚焦的激光偏折，使得聚焦镜91、物理屏蔽层1通孔11、靶92不在一条直线上。

在一个优选的实施方式中，聚焦镜91前安装有高透光率防护膜5。

另一方面，本发明还提供了一种用于重频激光打靶的溅射屏蔽的方法，优选利用上述用于重频激光打靶的溅射屏蔽系统实现，

包括S1、物理屏蔽；S2气体屏蔽，

在S1中，将物理屏蔽层的锥形通孔移动至激光打靶光路上，使得物理屏蔽层阻挡光路之外的污染物和碎片；

在S2中，向打靶后向激光侧的光路喷射超声高压气体。

本发明所具有的有益效果包括：

(1)根据本发明所述的用于重频激光打靶的溅射屏蔽系统及方法，通过多种方式组合屏蔽实现了对重频激光打靶系统的保护，极大提高了重频激光打靶系统中光学元件的使用寿命；

(2)根据本发明所述的用于重频激光打靶的溅射屏蔽系统及方法，占用空间小，可灵活设置在重频激光打靶系统的真空腔中；

(3)根据本发明所述的用于重频激光打靶的溅射屏蔽系统，对制作材料要求低，制作成本低，易于更换维护。

附图说明

图1示出根据本发明一种优选实施方式的用于重频激光打靶的溅射屏蔽系统结构示意图；

图2示出根据本发明一种优选实施方式的用于重频激光打靶的溅射屏蔽系统物理屏蔽层结构示意图；

图3示出根据本发明一种优选实施方式的用于重频激光打靶的溅射屏蔽系统结构示意图；

图4示出实验例3的模拟实验模型图；

图5示出实验例3中颗粒物的直径500μm，水平初速度2000m/s时，颗粒物水平方向运动轨迹；

图6出实验例3中颗粒物的直径500μm，水平初速度2000m/s时，颗粒物竖直方向运动轨迹；

图7示出实验例3中颗粒物的直径200μm，水平初速度8000m/s时，颗粒物水平方向运动轨迹；

图8出实验例3中颗粒物的直径200μm，水平初速度8000m/s时，颗粒物竖直方向运动轨迹；

图9出实验例3中颗粒物偏转角度与距离气体喷嘴的垂直距离的关系图。

附图标号说明：

1-物理屏蔽层；

11-通孔；

2-气体屏蔽层；

3-偏转磁场组件；

4-高反光率污染物收集镜；

5-高透光率防护膜；

91-聚焦镜；

92-靶。

具体实施方式

下面通过附图和实施例对本发明进一步详细说明。通过这些说明，本发明的特点和优点将变得更为清楚明确。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

一方面，本发明提供了一种用于重频激光打靶的溅射屏蔽系统，包括物理屏蔽层1和气体屏蔽层2，如图1所示，用于重频激光打靶系统的溅射屏蔽。

根据本发明，所述重频激光打靶系统包括激光发生装置、聚焦镜91和靶92，聚焦镜91和靶92设置于真空腔体内，在腔体内还设置有真空泵，以保持一定的真空度，所述激光发生装置用于产生高功率激光，聚焦镜91将高功率激光聚焦，提高激光功率密度，高功率密度的激光照射在靶92上，与靶92相互作用，进而产生质子。

激光与靶92相互作用的过程非常剧烈，将产生大量的高温等离子体污染物向外膨胀，并有大颗粒靶碎片沿弹道向外射出，若不对溅射进行屏蔽，会对重频激光打靶系统中光学元件的表面膜层造成致命损伤，使激光的反射效率和聚焦效率都大幅降低，并对整个重频激光打靶系统造成破坏。

根据本发明，所述物理屏蔽层1为具有通孔11的板状结构，置于聚焦镜91和靶92之间，将重频激光打靶系统分割为激光侧和靶侧，聚焦镜91产生的高功率激光能够通过物理屏蔽层1上的通孔11照射在靶92上，而打靶过程中产生的大部分污染物和碎片被物理屏蔽层1阻挡。

在一个优选的实施方式中，所述通孔11在靶侧具有锥形凸起，如图3所示，锥形的顶端指向靶92，所述通孔11贯穿锥形凸起。

在一个更优选的实施方式中，所述通孔11激光侧的孔径大于靶侧孔径，使得所述通孔11呈锥形，优选地，所述锥形的通孔11的圆锥角为6°～60°，更优选为15°～30°，所述锥形通孔11的最小孔径为0.5～100mm，优选为1～2mm。

优选地，所述锥形凸起的圆锥角为6°～60°，更优选为15°～30°，在本发明中，所述锥形凸起起到改变污染物或碎片撞击到物理屏蔽层后反弹角度的作用：锥形凸起的圆锥角过大，污染物或碎片容易被锥形凸起反弹回靶92方向，进而损伤靶92；锥形凸起的圆锥角过小，聚焦激光容易被遮挡，难以正常穿过通孔11。

锥形凸起以及通孔11锥形的设计，既不影响激光聚焦的效果，又使得物理屏蔽层1与靶92的距离更远，从而使得污染物和碎片撞击到物理屏蔽层11后反弹溅射回靶92的概率降低，进而避免损伤靶92。进一步地，所述物理屏蔽层1上的通孔11孔径为0.5～100mm，孔径过小时，容易由于制造精度、配合精度等问题造成通孔11部分遮挡激光，影响打靶，而孔径过大，会造成污染物和碎片大量通过通孔11，屏蔽效果较弱，想要达到相同的屏蔽效果需要将物理屏蔽层1与靶92之间的距离设置更大，增加了系统的体积，间接增加了真空腔体积，造成系统制造使用成本提高。

优选地，所述通孔11的孔径为1～2mm，此孔径为激光光斑直径的2～3倍，既能够保证物理屏蔽层1的安装、配合精度和抖动情况不影响激光穿过通孔11，又保证了打靶产生的大部分污染物和碎片不能从通孔11穿过。

在一个优选的实施方式中，所述物理屏蔽层1具有移动组件，所述移动组件能够平移或旋转物理屏蔽层1，使得通孔11位置发生变化：当激光打靶时，通孔11位于激光光路上，使得激光能够照射在靶92上；当激光打靶完成，物理屏蔽层1快速移动，使得通孔11远离激光光路，从而进一步减少通过通孔11到达激光测污染物和碎片的量。

在本发明中，对所述移动组件的具体结构不做特别限定，只要能够与激光打靶频率配合平移或旋转物理屏蔽层1，使得通孔11位于激光光路或远离激光光路即可。

在一个更优选的实施方式中，所述物理屏蔽层1上阵列有多个通孔11，如图2所示，多个通孔11交替移动到激光光路上，从而降低对移动组件输出扭矩的要求。

上述可移动的物理屏蔽层1还起到了保护物理屏蔽层1的作用：当物理屏蔽层1不移动时，重频激光打靶造成的污染物和碎片在靠近物理屏蔽层1通孔11位置的密度远高于其它位置的密度，造成物理屏蔽层1通孔11周围区域持续被撞击，其损坏程度远高于其它区域，导致物理屏蔽层1磨损不均匀，整体寿命缩短；当物理屏蔽层1可移动时，能够将污染物和碎片分散在物理屏蔽层1不同的区域，从而使得物理屏蔽层1的磨损更加均匀，进而延长物理屏蔽层1的使用寿命。

根据本发明，由于重频激光打靶系统为真空系统，物理屏蔽层1同样处于真空环境，所述物理屏蔽层1的材质优选为耐300℃以上高温、热传导系数大于20W/m·k的材质，如铜、铅、铝等金属或其合金材质。

在一个优选的实施方式中，所述物理屏蔽层1的表面为磨砂面或多孔结构，以增大表面积和吸附性，减少污染物和碎片与物理屏蔽层1撞击后的反弹溅射现象。

发明人发现，金属材质的物理屏蔽层1容易被高能污染物和碎片激发，产生等离子体等二次污染物，从而对靶92造成一定损伤。

在一个更优选的实施方式中，所述物理屏蔽层1的材质为熔点高于1000℃、热传导系数大于50W/m·k的高分子复合材料，例如期刊张瑶瑶,艾超前,杜毅帆,等.碳化硅多孔陶瓷表面活化改性及其吸附Pb(Ⅱ)的研究[J].中国陶瓷,2019(4):18-24.中记载的SiC多孔陶瓷材料，其不仅具有耐温、高热传导率、高吸附性的特点，还具有质量轻、机械强度大、活性低不易激发小颗粒粉尘等优点，提高了物理屏蔽层1的屏蔽效果和使用寿命。

在本发明中，通过物理屏蔽层1阻挡了绝大部分的污染物和碎片，但仍然会有少量的污染物和碎片通过物理屏蔽层1的通孔11进入到激光侧。

所述气体屏蔽层2设置在激光侧，其能够喷出超声高压气体，以将通过物理屏蔽层1通孔11进入激光侧的污染物和碎片吹扫开，避免污染物和碎片附着于周围反射镜、聚焦镜等昂贵的精密光学元件上。

所述气体屏蔽层2包括气体喷嘴、高压气瓶和喷嘴控制系统，高压气瓶为气体喷嘴提供高压气体，喷嘴控制系统控制气体喷嘴的开合或气体管路的通断，以使得超声高压气体从气体喷嘴中喷出。进一步地，所述超声高压气体是指气体流速高于声速、气体压强高于4兆帕，优选地，所述超声高压气体的气体压强为5～6兆帕。

所述气体喷嘴出气口方向垂直于激光光路，将从物理屏蔽层1通孔11中射出的污染物和碎片吹离激光光路，从而对光路上的光学元件进行保护。

根据本发明，所述气体喷嘴喷出的超声高压气体的宽度为0.3～10厘米。

在一个优选的实施方式中，所述气体喷嘴距离激光光路的距离为1～50毫米。

在一个优选的的实施方式中，所述气体屏蔽层2还包括污染物收集区，用以收集被超声高压气体清扫出的污染物和碎片，在本发明中，对所述收集区的形状材质不做特别限定，只要能够对污染物和碎片进行收集即可，优选地，所述收集区为喇叭口状结构，靠近气体喷嘴一侧口径大，远离气体喷嘴一侧口径小，从而使得被超声高压气体吹扫出的污染物和碎片更好的被收集起来，更优选地，所述收集区小口径的一侧与真空泵接口连接，以将收集的污染物和碎片排出。

在另一个优选的实施方式中，所述气体喷嘴出气口方向朝向重频激光打靶系统的真空泵接口处，通过真空泵将高压气体及其中吹扫除的污染物、碎片抽离出真空腔体。

在本发明中，由于要保证真空腔内具有一定的真空度，且高压气体不能干扰打靶前的激光，故在每次激光打靶后，所述气体喷嘴在喷嘴控制系统的控制下喷出一次气体。

优选地，所述气体喷嘴在激光打靶后喷出气体，每次喷出气体的持续时间为0.1微秒～100微秒，既能保证对污染物和碎片的吹扫，又降低了总出气量，保证了真空度。

在一个优选的实施方式中，所述喷嘴控制系统包括一个或多个延时脉冲发生器，例如DG645、DG535等，通过延时控制气体喷嘴喷出气体时间和停止喷出时间。

具体地，所述喷嘴控制系统与激光发生器连接，当激光射出时，延时启动，到达预设延时时间后控制气体喷嘴喷出超声高压气体；喷射时间到达预设时间后，控制气体喷嘴停止喷射气体。

根据本发明，本领域技术人员可根据实际需要选择合适的气体种类，例如在需要低成本运行系统时，所述气体可以采用压缩空气。

在一个优选的实施方式中，所述气体为惰性气体，例如氮气、氩气等，此种气体不易被激光激发，由于激光射出时间与气体喷嘴喷出气体时间间隔短，常为1毫秒以内，气体喷射延时控制难度极高。当延时控制失效时，会出现喷嘴提前喷射气体，激光照射在喷嘴喷出的高压气体上，非线性光学效应影响激光的聚焦效果，影响激光打靶效果。此时，若气体为活性气体，则会增加操作过程的危险性，操作不当易引起燃烧、甚至爆炸等危险。

发明人发现，污染物和碎片均大都能够通过超声高压气体吹扫出激光光路，但对于污染物中的部分速度较快的带电粒子(主要为电子、离子)来说，由于其质量小，速度高，超声高压气体对其的吹扫效果较差。

在一个优选的实施方式中，所述用于重频激光打靶的溅射屏蔽系统还包括偏转磁场组件3，用于产生强磁场，在强磁场内，电子、离子具有高偏转半径，能够快速的偏转远离激光光路。

进一步地，所述强磁场是指磁场强度大于1000高斯的磁场，优选地，所述强磁场的磁场强度为1000高斯～1特斯拉，磁场沿激光光路方向上的长度为0.1～10cm。

所述偏转磁场组件3包括一对或多对磁铁，在本发明中，对所述磁铁的具体结构做特别限制，可以是永磁铁、电磁铁或其它能够产生强磁场的结构即可，优选采用一对或多对永磁铁组装而成。

根据本发明一个优选的实施方式，所述强磁场的磁场方向垂直于激光光路方向，使得污染物中的电子、离子能更快的偏转出激光光路。

在一个更优选的实时方式中，所述强磁场的磁场方向还垂直于气体屏蔽层2的气体喷出方向，使得电子、离子偏转方向与气体吹扫出的污染物、碎片的运动方向平行，以便于收集或通过真空泵排出真空腔中。

在另一个更优选的实施方式中，产生强磁场的一对或多对磁铁非平行设置，彼此之间具有夹角，所述夹角与激光聚焦的角度相同，如图3所示，使得强磁场不影响激光的聚焦。

在一个优选的实施方式中，为避免经过物理屏蔽层1、气体屏蔽层2和偏转磁场组件3屏蔽后光路上仍然存在污染物或碎片，进而损坏聚焦镜91，在用于重频激光打靶的溅射屏蔽系统中还设置有高反光率污染物收集镜4，通过高反光率污染物收集镜4将聚焦镜91聚焦的激光偏折，从而使得聚焦镜91、物理屏蔽层1通孔11、靶92不在一条直线上，进而避免污染物或碎片直接与聚焦镜91接触。

在一个优选的实施方式中，所述高反光率污染物收集镜4为具有高反射率的镜片，所述高反射率是指反射率高于99％。

进一步地，所述高反光率污染物收集镜4偏折角度大于120度，使得照射在高反光率污染物收集镜4的镜面单位面积上激光的能量密度较低，从而降低对高反光率污染物收集镜4材质的要求，使其材质要求和成本远低于聚焦镜91。

当经过物理屏蔽层1、气体屏蔽层2和偏转磁场组件3屏蔽后光路上仍然存在污染物或碎片，污染物或碎片与高反光率污染物收集镜4撞击，吸附、沉积在高反光率污染物收集镜4上，从而起到保护聚焦镜91的作用。

经过物理屏蔽层1、气体屏蔽层2、偏转磁场组件3和高反光率污染物收集镜4的屏蔽，理论上可实现对溅射的完全屏蔽，为了更加保险，在一个优选的实施方式中，所述用于重频激光打靶的溅射屏蔽系统还包括高透光率防护膜5，所述高透光率防护膜5安装在聚焦镜91前，起到进一步保护聚焦镜91的作用。

根据本发明，所述高透光率防护膜5为透光率高于99％的高透膜，例如申请号为201710844006.0的专利中涉及表面镀二氧化硅增透膜的氟化聚合物的防护膜。

通过高透光率防护膜5，不仅起到了防止污染物或碎片溅射的作用，还起到了防尘效果，提高了聚焦镜91的使用寿命。

另一方面，本发明还提供了一种用于重频激光打靶的溅射屏蔽的方法，所述方法优选利用上述用于重频激光打靶的溅射屏蔽系统实现，包括S1、物理屏蔽；S2气体屏蔽，通过物理屏蔽和气体屏蔽依次对打靶产生的污染物和碎片进行拦截。

激光打靶后产生大量的污染物和碎片，先通过物理屏蔽的方式阻拦绝大部分的污染物和碎片含量。

具体地，在S1中，将物理屏蔽层1的通孔11移动至激光打靶光路上，使得物理屏蔽层阻挡光路之外的污染物和碎片。

激光通过物理屏蔽层1的通孔11照射在靶92上，完成一次打靶，由于通孔11的孔距较小，打靶产生的大部分污染物和碎片能够被物理屏蔽层1阻挡。

在一个优选的实施方式中，在步骤S1中激光完成一次打靶后，移动物理屏蔽层1，使得通孔11远离激光光路；在下一次激光打靶时，移动物理屏蔽层，将通孔11移回激光光路上。

在S2中，所述气体屏蔽是指向打靶后向激光侧的光路喷射超声高压气体。

具体地，所述超声高压气体流速高于声速、气体压强高于4兆帕，喷射方向垂直于光路，在光路方向上喷射气体的宽度为0.3～10厘米。

在一个优选的实施方式中，所述超声高压气体间断性喷射，每次喷射时间为0.1微秒～100微秒，喷射频率与重频激光打靶的频率相同。

在一个优选的实施方式中，所述用于重频激光打靶的溅射屏蔽的方法还包括S3、磁场屏蔽。

所述磁场屏蔽是指向激光光路提供垂直于激光光路的磁场，使得光路中的带电粒子偏转，进而使得带电粒子偏离光路。优选地，所述磁场的强度大于1000高斯，磁场磁场沿激光光路方向上的长度为0.1～10cm。

优选地，所述磁场的磁场方向垂直于激光光路方向。

在一个更优选的实施方式中，所述磁场的磁场方向还垂直于气体屏蔽层2的气体喷出方向。

在另一个更优选的实施方式中，所述产生强磁场的一对或多对磁铁非平行设置，彼此之间具有夹角，所述夹角与激光聚焦的角度相同。

根据本发明的一个实施方式，可以先进行S3磁场屏蔽防护，再进行S2气体屏蔽防护。

在一个优选的实施方式中，所述用于重频激光打靶的溅射屏蔽的方法，在S1之前，还包括S0、预装高反光率污染物收集镜和/或高透光率防护膜。

具体地，在激光打靶前，在真空腔中预装高反光率污染物收集镜4和/或防护膜。

具体地，将所述安装高反光率污染物收集镜4时安装在聚焦镜91聚焦后的激光光路上，将聚焦镜91聚焦的激光偏折，从而使得聚焦镜91、物理屏蔽层1通孔11、靶92不在一条直线上，进而避免污染物或碎片直接与聚焦镜91接触；将高透光率防护膜5安装在聚焦镜91前，以进一步保护聚焦镜91，并起到防尘效果。

实施例

实验例1

设计模拟实验，采用稳态流的离散型模型验证气体屏蔽层2的屏蔽效果。

如图4所示，设计一个正方形模拟空间，模拟空间的尺寸为12*12*12mm³，在模拟空间上方设置气体喷嘴，在模拟空间的侧部设置颗粒物喷射源。

其中，气体喷嘴的入口直径为1mm，喷嘴的出口直径为3mm，采用气体为空气，气体背压为5兆帕，喷出气体的质量流率设定为0.8kg/s，对应气体流速2-3Ma，气体密度1300kg/m³；

颗粒物密度设置为600kg/m³，以一定的水平初速度进入模拟空间，竖直方向上距离喷嘴的距离分布在1mm至5mm之间。

实验中，先计算连续(气体)相流场，再结合流场变量求解每一个颗粒的速度，从而追踪每一个颗粒的轨道。由于在用于重频激光打靶的溅射屏蔽系统中，污染物和碎片非常稀疏，所以在本实验求解轨道中，可以忽略颗粒与颗粒之间的相互作用、体积分数对连续相(气体)的影响，进一步地，由于重力影响较小且更有利于颗粒物的偏转，在求解轨道过程中忽略重力影响。

一般来说，重频激光打靶产生的污染物和碎片的直径一般为10微米～1毫米，污染物和碎片的初速度一般为2000m/s～8000m/s，在本实验中，采用两组不同直径、初速度的颗粒物来模拟不同尺寸的污染物和碎片。

当颗粒物的直径500μm，水平初速度2000m/s时，模拟结果如图5、6所示，图5中颜色深浅表示水平方向速度，图6中颜色深浅表示被吹扫方向速度；

当颗粒物的直径200μm，水平初速度8000m/s时，模拟结果如图7、8所示，图7中颜色深浅表示水平方向速度，图8中颜色深浅表示被吹扫方向速度；

在图5～8中，不同曲线代表不同位置的颗粒物被气体吹过后偏折角度，横轴为水平位置，纵轴为高度位置，在本实验中，由于气体从上往下吹，颗粒物沿水平方向从右往左飞，靠近上方的曲线代表的颗粒物更靠近气体喷嘴，偏折角度更大，下方的曲线代表的颗粒物较气体喷嘴距离较远，偏折角度较小。

颗粒物偏转角度与气体喷嘴的垂直距离不同时的模拟结果如图9所示。

从图5～9中可以看出，气体屏蔽层对于直径在几百微米、水平初速度数千米每秒的污染物和碎片颗粒，有明显的偏转效果。颗粒物经过气流作用区域后，除了获得数百米每秒的竖直速度，水平方向的速度也均减速到几百至一千多米每秒，说明气流对颗粒物的减速效果也是非常显著的，这样即使存在未被完全偏转的颗粒物，也能降低其动能以减小对设备的损伤程度。

在图5、6与图7、8中，颗粒物的初始动能大致相同，图7、8中为小质量、高速度的颗粒物，其偏转效果更加明显，也说明了气流对颗粒物的减速效果延长了气流与颗粒相互作用的时间，导致惯性小的颗粒物受到更加强烈的偏转。

通过模拟实验，可以直观的看出气体屏蔽层2的优秀的屏蔽效果。

实施例1

在重频激光打靶系统中设置溅射屏蔽系统，其中，物理屏蔽层1为SiC多孔陶瓷材料，其上通孔11的孔径为1mm；

气体屏蔽层2采用垂直于激光光路喷出，气体喷嘴喷出气体压强为5～6兆帕，气体喷嘴出气口方向朝向真空泵接口处，每次喷出气体持续时间为10微秒，气体喷嘴喷出的气体的宽度为3厘米；

偏转磁场组件3为两块钕磁铁，以激光光路为对称轴相向设置，且钕磁铁产生的磁场方向垂直于气体屏蔽层2气体喷出方向，钕磁铁在激光光路方向上的长度为1cm，两块钕磁铁之间的夹角与激光聚焦的角度相同；

高反光率污染物收集镜4的偏折角度为150度；

在聚焦镜91前安装有高透光率防护膜5，所述高透光率防护膜5采用表面镀二氧化硅增透膜的氟化聚合物的防护膜。

连续进行重频激光打靶，每1分钟对高反光率污染物收集镜4进行检查，观察高反光率污染物收集镜4和高透光率防护膜5污染损坏程度。

实施例2

进行同实施例1相同的重频激光打靶，其区别在于，物理屏蔽层1为铜材质。

实施例3

进行同实施例1相同的重频激光打靶，其区别在于，不具有气体屏蔽层2。

对比例1

进行同实施例1相同的重频激光打靶，其区别在于，不设置物理屏蔽层1、气体屏蔽层2和偏转磁场组件3，每1分钟对高反光率污染物收集镜4进行检查，观察高反光率污染物收集镜4和高透光率防护膜5污染损坏程度。

实验例2

通过高反光率污染物收集镜4和高透光率防护膜5污染损坏程度能否间接反映溅射屏蔽系统的屏蔽效果，屏蔽效果越好，则高反光率污染物收集镜4污染损坏程度越低，高反光率污染物收集镜4的可使用寿命越长；

在实验中，高透光率防护膜5起到防护聚焦镜91的作用，一旦高透光率防护膜5上出现两次污染物撞击或堆积现象，则说明溅射防护已经失效，严重威胁聚焦镜91的使用寿命，需更换高透光率防护膜5后继续实验。

共进行600分钟实验，实施例1、实施例3和对比例1实验记录结果如表一所示：

表一

通过表一可以看出，实施例1中的溅射屏蔽系统，能够极大减少污染物和碎片的溅射，对重频激光打靶系统中光学元件起到有效的保护，极大增强了光学元件的使用寿命。

实验例3

观察实施例1和实施例2打靶600分钟后，靶表面情况，靶表面污染物堆积状况可以从侧面表示物理屏蔽层材质对溅射污染物的吸收情况。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于本发明工作状态下的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”“相连”“连接”应作广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体的连接普通；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以上结合了优选的实施方式对本发明进行了说明，不过这些实施方式仅是范例性的，仅起到说明性的作用。在此基础上，可以对本发明进行多种替换和改进，这些均落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于重频激光打靶的溅射屏蔽系统，其特征在于，该系统包括物理屏蔽层(1)和气体屏蔽层(2)，用于重频激光打靶系统的溅射屏蔽。

2.根据权利要求1所述的用于重频激光打靶的溅射屏蔽系统，其特征在于，

所述重频激光打靶系统包括激光发生装置、聚焦镜(91)和靶(92)，聚焦镜(91)和靶(92)设置于真空腔体内，在腔体内还设置有真空泵，

所述物理屏蔽层(1)为具有通孔(11)的板状结构，置于聚焦镜(91)和靶(92)之间，将重频激光打靶系统分割为激光侧和靶侧，聚焦镜(91)产生的高功率激光能够通过物理屏蔽层(1)上的通孔(11)照射在靶(92)上。

3.根据权利要求2所述的用于重频激光打靶的溅射屏蔽系统，其特征在于，

所述物理屏蔽层(1)上的通孔(11)孔径为0.5～100mm,，优选为1～2mm。

4.根据权利要求2所述的用于重频激光打靶的溅射屏蔽系统，其特征在于，

所述物理屏蔽层(1)具有移动组件，所述移动组件能够平移或旋转物理屏蔽层(1)，使得物理屏蔽层(1)的通孔(11)位置发生变化；

所述通孔(11)在靶侧具有锥形凸起，锥形的顶端指向靶(92)，所述通孔(11)贯穿锥形凸起，更优选地，所述通孔(11)激光侧的孔径大于靶侧孔径，使得所述通孔(11)呈锥形，所述锥形的通孔(11)的圆锥角为6°～60°，优选为15°～30°。

5.根据权利要求2所述的用于重频激光打靶的溅射屏蔽系统，其特征在于，

所述气体屏蔽层(2)设置在激光侧，包括气体喷嘴、高压气瓶和喷嘴控制系统，高压气瓶为气体喷嘴提供高压气体，喷嘴控制系统控制气体喷嘴的开合或气体管路的通断。

6.根据权利要求5所述的用于重频激光打靶的溅射屏蔽系统，其特征在于，

所述气体喷嘴出气口方向垂直于激光光路。

7.根据权利要求1所述的用于重频激光打靶的溅射屏蔽系统，其特征在于，

所述用于重频激光打靶的溅射屏蔽系统还包括偏转磁场组件(3)，所述偏转磁场组件(3)为能够产生强磁场的装置或结构。

8.根据权利要求1所述的用于重频激光打靶的溅射屏蔽系统，其特征在于，

所述用于重频激光打靶的溅射屏蔽系统还设置有高反光率污染物收集镜(4)，高反光率污染物收集镜(4)将聚焦镜(91)聚焦的激光偏折，使得聚焦镜(91)、物理屏蔽层(1)通孔(11)、靶(92)不在一条直线上。

9.根据权利要求1所述的用于重频激光打靶的溅射屏蔽系统，其特征在于，

聚焦镜(91)前安装有高透光率防护膜(5)。

10.一种用于重频激光打靶的溅射屏蔽的方法，优选利用上述用于重频激光打靶的溅射屏蔽系统实现，包括S1、物理屏蔽；S2气体屏蔽，

在S1中，将物理屏蔽层的通孔移动至激光打靶光路上，使得物理屏蔽层阻挡光路之外的污染物和碎片；

在S2中，向打靶后向激光侧的光路喷射超声高压气体。

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