CN116607209B - 一种集成mbe装置的激光加工系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种集成MBE装置的激光加工系统，包括MBE生长室、样品台、光路机构、隔热机构和冷却机构，MBE生长室的一侧设有开口；样品台固定在MBE生长室的内部，且与开口的位置相对应，样品台用于放置衬底样品材料；光路机构相对设置于MBE生长室的一侧，且光路机构上设有出光端，出光端的一侧贯穿MBE生长室的开口并伸入其内部，并与样品台呈相对间隔设置，光路机构与MBE生长室的开口处密封连接，本系统将光路机构集成于MBE装置内，将光路机构集成到MBE装置内，采用激光直写的方式近距离对样品加工，提高了激光聚焦能力，有效保证了激光加工的精度和质量。
Description
技术领域
本发明涉及激光加工技术领域，尤其涉及一种集成MBE装置的激光加工系统。
背景技术
激光技术属于尖端科技技术，是先进生产力的代表，已经成为世界主要发达国家重要的布局点，相比于普通激光，飞秒激光的能量密度、空间和时间尺度更高，由于这些特点，飞秒激光可以高质量、高精度地加工几乎任何材料，并实现三维复杂结构的制造，激光加工具有传统加工不可比拟的优势。
公开号为CN115679442A揭示了一种MBE的超快激光辅助系统及MBE方法，系统包括：超快激光器，以及光路系统，其中，光路系统包括第一反射镜、飞秒/皮秒反射镜、第二反射镜，超快激光器发出的光，依次经第一反射镜、飞秒/皮秒反射镜和第二反射镜反射，至少形成一路超快激光汇聚至硅基衬底，对硅基衬底加热调控。
但是，对比文件中的激光辅助系统中是通过在MBE设备腔室底部设置预留窗口，通过光路系统反射的光经预留窗口进入到入MBE设备腔室内，汇聚至硅基衬底，光路系统在外部反射进MBE设备腔室内，折射光路到硅基衬底的距离较长，激光聚焦能力较差，加工精度达不到，从而影响激光加工的质量。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种集成MBE装置的激光加工系统，将光路机构集成到MBE装置内，采用激光直写的方式近距离对样品加工，提高了激光聚焦能力，有效保证了激光加工的精度和质量。
本发明的技术方案是这样实现的：本发明提供了一种集成MBE装置的激光加工系统，包括MBE生长室和样品台，其中，
MBE生长室的一侧设有开口；
样品台固定在MBE生长室的内部，且与开口的位置相对应，所述样品台用于放置衬底样品材料；
还包括光路机构、隔热机构和冷却机构，其中，
所述光路机构相对设置于MBE生长室的一侧，且光路机构上设有出光端，出光端的一侧贯穿MBE生长室的开口并伸入其内部，并与样品台呈相对间隔设置，所述光路机构与MBE生长室的开口处密封连接；
所述隔热机构设置在光路机构的出光端一侧，所述隔热机构用于减小到达光路机构镜片的热辐射；
所述冷却机构设置于光路机构的外侧，所述冷却机构具有一个冷却通道，冷却通道内流动有换热介质，用于将光路机构积累的热量快速传递到外界。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述光路机构包括外光路组件、内光路组件和物镜，其中，
外光路组件的一侧端部贯穿MBE生长室的开口并伸入其内部，外光路组件用于连接外界激光器；
内光路组件设置于外光路组件伸入MBE生长室内的一端，且与外光路组件同心轴设置；
物镜设置于内光路组件远离外光路组件的一侧端部，所述物镜作为光路机构的出光端，外界激光器输出激光经外光路组件反射到内光路组件内，并经过物镜对衬底样品材料加工。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述隔热机构包括防护罩体和隔热透光件，其中，
防护罩体呈圆柱状且内部中空，防护罩体设置外光路组件靠近样品台的一侧，且位于内光路组件与物镜的外侧，所述防护罩体靠近样品台的一侧开设有透光孔；
隔热透光件设置在防护罩体内，且位于物镜远离内光路组件的一侧，并与物镜的轴心处于同心圆设置。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述防护罩体的厚度为mm，且材质为合金钢，表面为光滑面，并在其外表面设有金膜，用于热量的快速传导。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述隔热透光件的数量至少为两个，至少两个隔热透光件沿防护罩体的轴向方向间隔设置，且材质为石英玻璃。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述冷却机构包括套管件和内撑件，其中，
套管件套设于外光路组件的外侧，且通过法兰与外光路组件远离内光路组件的一侧相固定，所述套管件的外侧开设有至少两个呈对称分布的通液口；
内撑件固定设置在套管件内，将套管件的内部空间分隔成互不相通的第一腔体和第二腔体；
第一腔体作为冷却机构的冷却通道，并与通液口相连通，第二腔体用于容纳外光路组件；
通液口与第一腔体内流动有换热介质，将物镜传导的热量带走。
在以上技术方案的基础上，优选的，还包括调节机构，其中，
调节机构相对固定在地面上，且与MBE生长室相对间隔设置，所述调节机构上设有可多维度运动的活动部，所述套管件远离内光路组件的一侧通过法兰与活动部的中心处相固定，所述调节机构驱使套管件连接的光路机构多维度调节，使聚焦到衬底样品材料表面的激光位置移动。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述调节机构为六自由度运动平台。
在以上技术方案的基础上，优选的，还包括伸缩套件，其中，
伸缩套件套设在套管件的外侧，且位于MBE生长室内，所述伸缩套件的两端分别通过法兰与套管件靠近隔热机构的一侧和MBE生长室的开口处固定连接，其与之密封，所述伸缩套件与套管件的外壁呈间隔设置，伸缩套件用于保证光路机构与MBE生长室之间的移动密封。
在以上技术方案的基础上，优选的，还包括密封组件，其中，
密封组件的两侧端部分别与内光路组件和外光路组件通过法兰密封连接，且密封组件具有一个透光部，用于激光光源从外光路组件侧向内光路组件侧透光；
通过密封组件使内光路组件处于MBE生长室内的真空环境中。
本发明的集成MBE装置的激光加工系统相对于现有技术具有以下有益效果：
(1)通过光路机构伸入进MBE生长室内，并与MBE生长室密封连接，光路机构处于MBE生长室内的真空高温环境下，并且设置的隔热机构和冷却机构对光路机构的出光侧进行减少热辐射和传导散热，使光路机构的出光端温度处于正常的工作范围内，本系统将光路机构集成于MBE装置内，将光路机构集成到MBE装置内，采用激光直写的方式近距离对样品加工，提高了激光聚焦能力，有效保证了激光加工的精度和质量；
(2)通过设置的密封组件与伸缩套件的配合使内光路组件与MBE生长室之间密封，使得光路机构可在高真空环境下进行激光加工，同时可以保证光路机构在移动时与MBE生长室之间的密封性；
(3)通过光路机构中集成了激光加工光路、显微成像光路和超快成像光路，简化了光路结构，减少器件的使用，并且激光加工光路、显微成像光路和超快成像光路均设计成模块接口化，可根据实际需求与外界输出光路器件直接对接使用，方便便捷；
(4)通过设置的防护罩体材质为合金钢，且外表面进行高度抛光处理，抛光处理是为了减小防辐射罩体的表面发射率，并在其外表面镀上金膜，进一步减小其表面发射率，并增大了导热系数，更有利于热量的传导。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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的附图。
图1为本发明的集成MBE装置的激光加工系统的结构示意图；
图2为本发明的集成MBE装置的激光加工系统的侧视图；
图3为本发明的集成MBE装置的激光加工系统的图2中A-A处剖面图；
图4为本发明的集成MBE装置的激光加工系统的内光路组件、目镜和隔热机构结构连接剖面图；
图5为本发明的集成MBE装置的激光加工系统的目镜截面成像图；
图6为本发明的集成MBE装置的激光加工系统的外光路组件的立体图；
图7为本发明的集成MBE装置的激光加工系统的光路结构示意图；
图8为本发明的集成MBE装置的激光加工系统的光路结构布置图；
图9为本发明的集成MBE装置的激光加工系统的真空高温环境下的几何结构仿真模型图；
图10为本发明的集成MBE装置的激光加工系统的模型的温度和物镜的温度模拟仿真结果分布图；
图11为本发明的集成MBE装置的激光加工系统的模型增加防护罩体的物镜的局部结构和热辐射仿真结果分布图；
图12为本发明的集成MBE装置的激光加工系统的防护罩体、物镜以及冷却水在不同水流速度下的温度仿真结果分布图；
图13为本发明的集成MBE装置的激光加工系统的光路机构在MBE生长室内300℃烘烤下的温度仿真结果分布图；
图14为本发明的集成MBE装置的激光加工系统的物镜、防护罩体结构的STOP仿真结果分布图；
图15为本发明的集成MBE装置的激光加工系统的温度场、结构场耦合作用下的物镜系统的点列图；
图16为本发明的集成MBE装置的激光加工系统的冷却机构与伸缩套件结构连接示意图；
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，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方式，都属于本发明保护的范围。
如图1-9所示，本发明的一种集成MBE装置的激光加工系统，包括MBE生长室1和样品台2，MBE生长室1的一侧设有开口；样品台2固定在MBE生长室1的内部，与开口的位置相对应，样品台2用于放置衬底样品材料。
目前现有技术将衬底样品材料放置于MBE生长室1的样品台2上，再通过外部激光通过光路系统反射通过光经预留窗口进入到入MBE生长室1内，聚焦到样品台2上进行加工，但是折射光路到硅基衬底的距离较长激光聚焦能力较差，加工精度达不到，从而影响激光加工的质量的问题。
本实施例中设置了光路机构3、隔热机构4和冷却机构5，其中，光路机构3相对设置于MBE生长室1的一侧，且光路机构3上设有出光端，出光端的一侧贯穿MBE生长室1的开口并伸入其内部，并与样品台2呈相对间隔设置，光路机构3与MBE生长室1的开口处密封连接；隔热机构4设置在光路机构3的出光端一侧，隔热机构4用于减小到达光路机构3镜片的热辐射；冷却机构5设置于光路机构3的外侧，冷却机构5具有一个冷却通道，冷却通道内流动有换热介质，用于将光路机构3积累的热量快速传递到外界。
需要说明的是，MBE装置在生长薄膜材时，其腔内环境为10-7Pa的超高真空环境，并且衬底样品材料温度可以高达1000℃，但是现有的激光加工系统的工作温度范围一般为-5-50℃之间，无法适用于真空高温环境正常工作。
其中，光路机构3的出光端伸入进MBE生长室1内与样品台2的衬底样品材料的距离为20mm。
根据本实施例中，通过将光路机构3的出光端伸入进MBE生长室1内，并与MBE生长室1的开口处密封连接，使MBE生长室1内处于真空环境，并且还通过设置的隔热机构4和冷却机构5对光路机构3的出光侧进行减少热辐射和传导散热，使光路机构3的出光端温度处于正常的工作范围内，从而将光路机构3集成到MBE装置内，采用激光直写的方式近距离对样品加工，提高了激光聚焦能力，有效保证了激光加工的精度和质量。
其中，由于激光加工系统与MBE装置集成在一起，而MBE装置内部空间有限，留给激光加工系统的空间更小，造成不便安装的问题。
本实施例中光路机构3包括外光路组件31、内光路组件32和物镜33，其中，外光路组件31的一侧端部贯穿MBE生长室1的开口并伸入其内部，外光路组件31用于连接外界激光器；内光路组件32设置于外光路组件31伸入MBE生长室1内的一端，且与外光路组件31同心轴设置；物镜33设置于内光路组件32远离外光路组件31的一侧端部，物镜33作为光路机构3的出光端，外界激光器输出激光经外光路组件31反射到内光路组件32内，并经过物镜33对衬底样品材料加工。
需要说明的是，由于薄膜材料在MBE生长室1内，不便于观察问题，进而光路机构3集成了激光加工光路、显微成像光路和超快成像光路，其中，激光加工光路用于对样品材料进行激光加工；显微成像光路用于对材料样品表面进行显微成像；超快成像光路用于以超高的时间分辨率对样品进行成像。
其中，本实施例中的内光路组件32包括第一筒体321、第一筒体321的内部固定安装有第一二向色镜322、第二二向色镜323、第一反射镜324、第二反射镜325和第一平凸透镜326，第一二向色镜322与第二二向色镜323设置于安装腔的中部，且两者呈V字形设置，第一反射镜324设置于第一二向反射镜325的一侧，且与第一二向反射镜325平行设置，第二反射镜325设置于第一二向反射镜325的另一侧，且与第二二向色镜323平行设置，第一平凸透镜326与第二反射镜325的位置相对应，且第一平凸透镜326的中心点与第二反射镜325的中心之间的直线与光路机构3的轴向水平线相平行。
物镜33包括第三筒体331，第三筒体331的内部固定安装有第四筒体332和第五筒体333，第四筒体332的内部依次固定安装有第一双凹面镜334、第一双凸面镜335、第二双凸面镜336、第二双凹面镜337和第二双凸面镜338，第一双凹面镜334位于靠近内光路组件32的一侧，第五筒体333的内部依次固定安装有第一凹面镜339、第二平凸透镜3310和第二凹面镜3311，所述第一凹面镜339靠近第二双凸面镜337设置。
外光路组件31包括第六筒体311、第七筒体312、第八筒体313和第九筒体314，第六筒体311内设置有第一光纤耦合镜3111、第二光纤耦合镜3112、第三反射镜3113、第一分束镜3114、目镜3115、第二分束镜3116、第四反射镜3117、第三分束镜3118和第五反射镜3119，第一光纤耦合镜3111的位置与第一反射镜324的位置相对应，第二光纤耦合镜3112的位置与第三反射镜3113的位置相对应，第一分束镜3114位于第六筒体311的中心处，且目镜3115与第一分束镜3114处于同一轴心线上，第三反射镜3118位于第一分束镜3114靠近第一光纤耦合器3111的一侧，且第三反射镜3118反射的激光折射到第一分束镜3114的中心点，并与之相垂直，第二分束镜3116的位置与第四反射镜3117的位置相对应，光经第二分束镜3116从样品台2反射回来的光可折射到第四反射镜3117上，第三分束镜3118的位置分别与第四反射镜3117和第五反射镜3119的位置相对应；第七筒体312内设置有第三光纤耦合镜3121、第六反射镜3122、光栅3123、第三平凸透镜3124、第四光纤耦合镜3125、第四平凸透镜3126、第五平凸透镜3127，第八筒体313内设置有第六平凸透镜3131、CCD相机3132和光阑3133；第九筒体314内设置有第七平凸透镜3141。
其中，还包括外部的激光器、倍频器和光子晶体传输光纤。
激光加工光路原理为其激光器输出激光经倍频器降波输出后，通过光子晶体光纤传输到第一光纤耦合镜315，输出的激光经第一反射镜324反射后，到达第一二向色镜322，经第一二向色镜322反射后通过第二二向色镜323，最后经过物镜33后对衬底样品材料加工。
显微成像光路原理为照明红光经过光纤传输后到第二光纤耦合镜3112，经第三反射镜3113反射至第一分束镜3114，经第一分束镜3114分离的一束光先后通过第一二向色镜322、第二二向色镜323和物镜33，最终到达衬底样品材料，照明光经衬底样品材料反射后，又先后通过物镜33、第二二向色镜323、第一二向色镜322和第一分束镜3114，一部分照明光透过第一分束镜3114后，经过目镜3115，最后达到CCD相机3132进行成像。
具体的，光路机构3中的反射镜均为以熔融石英为基体，且表面镀有介质膜，可使激光反射率更高，降低激光损耗；第一二向色镜322采用500nm二向色性长通滤光片，用来反射用于激光加工用的波长激光，第二二向色镜323采用是700nm二向色性短通滤光片，用来透过激光加工用的波长激光，反射用来超快成像的波长激光。
需要说明的是，由于光纤具有柔性，因此可以较为方便的布置光路，将难以搭载体积重量较大的激光器布置在调节机构6外，并且在调节机构6驱使光路机构3也不会影响激光的传输。
具体的，第一分束镜3314为紫外石英宽带分束镜，型号为BSW05，分光比为50:50，分光波段400-700nm；目镜3115采用对称式目镜，其目镜3115由两片结构完全相同的焦距为135mm的双胶合透镜组成，可以很好的校正色差及像散等，保证观察到的样品表面图像不失真；CCD相机3132的型号为1500M-CL-TE。
超快成像光路原理为外界激光器输出激光到第六反射镜3122，折射到光栅3123，激光经过光栅3123后通过色散将不同的波长在时域上拉伸，形成一个高速时间序列，激光后续依次通过第三平凸透镜3124、第二分束镜3116、第一平凸透镜326、第二反射镜325、第二二向色镜323，最后通过物镜33聚焦至样品表面，经过样品表面反射的激光一次经过物镜33、第二二向色镜323、第二反射镜325、第一平凸透镜326、第六平凸透镜3131、第四反射镜3117、第三分束镜3118、第五平凸透镜3127、光阑3133、第七平凸透镜3141、最后到达外部超快成像部件，激光经过光栅3123后产生的超快时间序列与超快成像部件相互配合，不同的波长成分就可以记录超快过程不同的时间信息，实现以超高的时间分辨率对样品进行成像，观察样品在极短时间内的变化。
其中，本系统中集成了激光加工光路、显微成像光路和超快成像光路，简化了光路结构，减少器件的使用，并且激光加工光路、显微成像光路和超快成像光路均设计成模块接口化，只需要将相应的输出光路器件与对应的光路对接就可以实现相应的功能，无需改动其他光路器件，方便便捷；并且，在衬底样品材料加工时，通过显微成像光路或和超快成像光路可对材料样品表面进行显微成像，便于观察激光对衬底样品材料的作用情况，而且光路机构3的外轮廓呈圆柱状，该设计第一具有较高的集成化，第二占用截面面积较小，满足MBE内部空间有限的安装需求。
作为一种优选的实施方式，本实施例中的隔热机构4包括防护罩体41和隔热透光件42，其中，防护罩体41呈圆柱状且内部中空，防护罩体41设置外光路组件31靠近样品台2的一侧，且位于内光路组件32与物镜33的外侧，防护罩体41靠近样品台2的一侧开设有透光孔；隔热透光件42设置在防护罩体41内，且位于物镜33远离内光路组件32的一侧，并与物镜33的轴心处于同心圆设置。
需要说明的是，由于物镜33距离加工台2表面距离最近，所以物镜33表面受到热辐射的面积更大，进而温度也是处于光路机构3其他位置最高的，从而本实施例中在物镜33及内光路组件32的外侧增加防护罩体41，用来隔绝大部分辐射，减少物镜33受到的辐射度，降低物镜33温度。
具体的，防护罩体41的厚度为2mm，且材质为合金钢，表面为光滑面，并在其外表面设有金膜，用于热量的快速传导，其中，防护罩体41的外表面需要进行高度抛光处理，抛光处理是为了减小防辐射罩体的表面发射率，并且然后在其外表面镀上金膜，进一步减小其表面发射率，并增大了导热系数，更有利于热量的传导。
隔热透光件42的数量至少为两个，至少两个隔热透光件42沿防护罩体41的轴向方向间隔设置，且材质为石英玻璃，由于石英玻璃的熔点在1000℃以上，可以在真空1000℃的环境下正常工作，并在石英玻璃的表面镀膜，进一步减小热辐射的透过率，这样更少的辐射到达物镜33上的镜片。
并且，具体的本实施例中的隔热透光件42的数量优选为两个，由于石英玻璃的增加可以降低物镜33表面的温度，但是数量为一个时，隔热效果达不到，物镜无法在高温下使用，如果设置太多数量的隔热透光件42，不仅影响物镜光学系统的设计，还会影响影响激光的质量，在传输过程中增加了激光的损耗。
由于物镜33一直处于MBE生长室1内，其防护罩体41收到的热辐射会朝外光路组件31上进行传导，当热量传导较慢时，热量就会长时间积累导致，导致内部光学器件温度升高，从而导致损坏。
作为一种优选的实施方式，本实施例中的冷却机构5包括套管件51和内撑件52，其中，套管件51套设于外光路组件31的外侧，且通过法兰与外光路组件31远离内光路组件32的一侧相固定，套管件51的外侧开设有至少两个呈对称分布的通液口；内撑件52固定设置在套管件51内，将套管件51的内部空间分隔成互不相通的第一腔体510和第二腔体520；第一腔体510作为冷却机构5的冷却通道，并与通液口相连通，第二腔体520用于容纳外光路组件31；通液口与第一腔体510内流动有换热介质，将物镜33传导的热量带走。
需要说明的是，至少两个通液口分别与外界冷却循环设备的出液端和进液端相连通，外界冷却循环设备的循环液在第一腔体510内流动，进而可将热量及时带走，从而避免热量堆积，起到散热降温的效果。
本实施例中还包括调节机构6，其中，调节机构6相对固定在地面上，且与MBE生长室1相对间隔设置，调节机构6上设有可多维度运动的活动部，套管件51远离内光路组件32的一侧通过法兰与活动部的中心处相固定，调节机构6驱使套管件51连接的光路机构3多维度调节，使聚焦到衬底样品材料表面的激光位置移动。
具体的，本实施例中的调节机构6为六自由度运动平台，其型号可为H-850.G2A。
为了保证调节机构6带动光路机构3移动时与MBE生长室1密封的问题，本实施例中还设置了伸缩套件7，伸缩套件7套设在套管件51的外侧，且位于MBE生长室1内，伸缩套件7的两端分别通过法兰与套管件51靠近隔热机构4的一侧和MBE生长室1的开口处固定连接，其与之密封，伸缩套件7与套管件51的外壁呈间隔设置，伸缩套件7用于保证光路机构3与MBE生长室1之间的移动密封。
具体的，本实施例中的伸缩套件7为波纹管，由于波纹管具有弹性，使得套管件51可以随着调节机构6进行移动，并可使光路机构3在第二腔体520内水平和竖直方向运动，伸缩套件7的上下两侧分别与MBE生长室1和套管件51通过法兰盘密封连接，所以可以调节机构6带动光路机构3移动时同时保证与MBE生长室1之间的密封性。
为了保证内光路组件32与外光路组件31之间的密封性，进而在还设置有密封组件8，其中，密封组件8的两侧端部分别与内光路组件32和外光路组件31通过法兰密封连接，且密封组件8具有一个透光部，用于激光光源从外光路组件31侧向内光路组件32侧透光；通过密封组件8使内光路组件32处于MBE生长室1内的真空环境中。
需要说明的是，通过设置的密封组件8与伸缩套件7的配合使内光路组件32与MBE生长室1之间密封，使得光路机构3可在高真空环境下进行激光加工，透光部位石英材质透光玻璃。
设计完模型之后，需要对模型进行必要的仿真，验证模型是否达到要求，并根据仿真结果制定模型改进方案，本设计中需要对结构模型进行隔热设计，涉及到了传热；温度变化会在结构内部产生热应力，使结构发生变形；光学系统和物镜的设计涉及到了几何光学的射线追迹。
本发明还提供了一种集成MBE装置的激光加工系统的优化方法，其步骤为：
步骤一，建立光路机构几何模型，采用仿真软件对模型进行传热模拟仿真；
步骤二，得出仿真模拟结果，并对仿真模拟结果进行分析，物镜33表面的温度与受到的热辐射有关；
步骤三，根据分析结果在光路机构几何模型的物镜外侧增加防辐射结构，再次采用仿真软件对模型进行传热模拟仿真；
步骤四，得出仿真模拟结果，并对仿真模拟结果进行分析，防辐射结构阻挡的热辐射有限，设想采用导热的方式进行传导散热；
步骤五，根据分析结果在光路机构几何模型中增加水冷机构，仿真模拟光路机构几何模型在不同流速下的传热模拟仿真；
步骤六，得出仿真模拟结果，并对仿真模拟结果进行分析，验证步骤四的设想可靠性；
步骤七，再通过COMSOL对优化后的方案结构进行结构-热-光学(STOP)多物理场耦合仿真分析，根据点列图均方根半径值的变化，判断优化后的方案结构是否可以在真空高温环境下正常工作；
步骤八，得出优化后的方案。
步骤一中，仿真软件为COMSOL；在建立物镜33几何模型时，为了减少仿真的复杂度，对物镜33和光路机构3进行了简化，简化了内光路组件32、外光路组件31、伸缩套件7和物镜33的结构，物镜33中只保留了距离样品台2最近的第二凹面镜3311，结构参照图10。
可以理解的是，因为其距离高温样品最近，此处的温度最高，如果该片镜片的温度小于50℃，那么剩余的镜片必将处于正常工作温度范围之内。
由于高温样品与物镜33和内光路组件32处于真空环境内，所以高温样品只能通过热辐射的方式将热能传递给其他结构，物镜33和内光路组件32受到高温样品的热辐射，温度升高，由于物镜33、内光路组件32、外光路组件33和伸缩套件7等之间相互接触，它们可以通过热传导、热对流等方式将热能传递给外界环境，在仿真模型中，通过COMSOL的表面对表面辐射模块来设定高温样品对激光加工系统结构的热辐射，通过传热模块来设定套管件51和外光路组件31内部的热传递以及与空气进行热传递，与外界环境的对流导热系数设为10W/(m2K)。
参照图11，最左侧为模型的温度分布图和物镜的温度分布图，模型的高温主要集中在物镜部分，显而易见，是由于距离高温样品最近导致，最高温度在第一个镜片的上表面，其温度为195.2℃，这远高于镜片的工作温度，如果没有一定防护措施，物镜是无法正常工作的，甚至会损坏物镜33，最右侧的辐射图可以看出，正对着样品表面的物镜33上表面受到的辐射最多，镜筒上表面受到的最大辐射度为46538.8W/m2，镜片上表面受到的最大辐射度为4366.8W/m2，这主要因为镜筒和镜片材质不同造成的，镜筒使用的是合金钢，为不透明材质，吸收了大量的热辐射，镜片是ZF6玻璃，为半透明材质，其在某些波段的表面透射率甚至可以高达99％以上。
步骤三中，防辐射结构为防护罩体41和隔热透光件42，用来隔绝大部分辐射，减少物镜受到的辐射度，从而降低物镜温度。
参照图12，从图中可以看出，防护罩体41的最高温度在石英玻璃的上表面，最高温度为327.0℃。物镜33最高温度在镜片的上表面，其温度为83.1℃。而不加防辐射罩体时，镜片的最高温度为195.2℃，说明防辐射罩体大大降低了物镜的温度，但还是高于其工作温度，进一步的，在防护罩体41上增加了一片隔热透光件42，厚度同样为2mm，与第一片隔热透光件42距离0.5mm，该结构在真空高温下的热辐射仿真结果，由温度分布情况可以看出，上层石英玻璃的最高温度为358.7℃，下层石英玻璃的最高温度为232.0℃，物镜的最高温度为62.3℃。物镜的最高温度还是稍高于其工作温度。
步骤三中还包括对安装隔热透光件42的数量进行仿真，根据仿真的数据得出选择最优隔热透光件42的数量。
其中，如果一直增加隔热透光件42的个数，总会使物镜33的最高温度处于其工作温度范围，但隔热透光件42个数过多，并且影响物镜33光学系统的设计，影响激光的质量，在传输过程中增加了激光的损耗，最终影响激光系统的加工和成像系统，防护罩体41阻挡的热辐射有限，那么可以通过增加热量的传输，将物镜33、内光路组件32和外光路组件31积累的热量快速传递到外界环境，同样可以使物镜33结构温度下降。
本实施例中常用的冷却方式有风冷和水冷，这两种方式各有优缺点，风冷结构简单，方便安装，主要是通过吹风的方式，增大对流散热，带走散热器的热量，但其缺点也比较明显，散热效果没有水冷效果好，本设计中的冷却管道比较适合水冷散热的方式，冷却水需要经过水冷箱循环来进行散热。
步骤五中，参照图13，分别仿真模拟了0.05m/s、0.08m/s和0.10m/s三种不同的冷却水流过冷却通道后，且冷却水温度为20℃时，激光加工系统结构的温度分布情况仿真模拟；当冷却水流速为0.05m/s时，防护罩体41上的上层隔热透光件42、下层隔热透光件42以及物镜33的第二凹面镜3311的最高温度分别为350.2℃、223.9℃、42.3℃，第二凹面镜3311的最高温度小于50℃，说明整个物镜33的温度都不高于50℃，物镜33的温度处于其正常工作温度范围。
进而，最终得出优化后的结果，采用防护罩体41加上冷却机构5的方式，防护罩体41用来阻挡大量的热辐射，冷却机构5使结构中积累的热量及时的传导到外部环境，这种方式使物镜33即使在真空高温的环境下，其温度也处在其正常工作温度范围。
当冷却水流速为0.08m/s时，防护罩体41上的上层隔热透光件42、下层隔热透光件42以及物镜33上的第二凹面镜3311的最高温度分别为349.1℃、222.3℃、39.2℃；当冷却水流速为0.10m/s时，防护罩体41上的上层隔热透光件42、下层隔热透光件42以及物镜33上的第二凹面镜3311的最高温度分别为348.7℃、221.7℃、38.1℃，显然，冷却水流速越大，加工系统结构的温度越低。在三种冷却水流速下，物镜镜片的温度降低幅度最大，防护罩体41的下层隔热透光件42次之，上层隔热透光件42温度降低最小。
另外，由于MBE设备在开机前需要内部进行烘烤2-3天时间，并且内部温度为300℃，此时物镜33虽不工作，但其温度也不能过高，防止高温损坏物镜33。
参照图14，当对样品进行烘烤时，MBE生长室1的温度为300℃，在此条件下，将冷却水流速设为0.20m/s，并模拟仿真模型达到稳定状态后的温度分布情况，其中防护罩体41上的上层隔热透光件42、下层隔热透光件42以及物镜33上的第二凹面镜3311的最高温度分别为141.7℃、138.0℃、46.2℃，可以使物镜33的温度处于其正常工作温度范围；冷却水的最高温度为38.0℃，根据仿真结果可知，MBE生长室1以300℃对样品进行烘烤时，物镜33镜片的最高温度处于其正常温度范围。
需要说明都是，激光加工系统的高温主要在防护罩体41和物镜33上，而内外光路和套管件51距离高温样品较远，受到的热辐射强度较小，且靠近冷却通道，可以有效通过水冷通道降低结构的温度，与防护罩体41的温度相比，内外光路结构和套管件51的温度非常小，温度梯度小，因而引起的热应力及位移量非常小，所以主要对防护罩体41和物镜33进行结构-热-光学性能分析。
参照图15，步骤7中在分析过程中使用到了COMSOL中的固体力学、固体传热和几何光学模块，为了简化仿真过程，在对结构进行热分析时，没有直接使用表面对表面辐射来模拟对结构产生的热辐射，采用步骤五中的热辐射仿真的温度结果，将防护罩体41、上层隔热透光件42、下层隔热透光件42、物镜33镜片、物镜33后端面和防护罩体41后端面的温度作为固体传热中温度条件施加到模型上，使用了冷却水流速为0.1m/s的温度仿真结果，上述几处的最大温度分别为348.7℃、221.7℃、38.1℃、34.5℃以及93.3℃，这样既减少了仿真的复杂度，又不会对仿真结果的准确性造成影响，在固体力学模块中，对物镜33和防护罩体41的后端面实施固定约束，结构中的各个部分形成联合体，在几何光学模块中的设定和上述射线追迹的仿真相同。
在COMSOL完成几何结构的建立、边界条件的设定后，对物镜33和防护罩体41进行仿真，参照图15，可以看出应力主要分布在防护罩体41和隔热透光件42连接处，主要是因为此处的温度较高，并且防护罩体41为合金钢材料，其热膨胀系数远大于隔热透光件42的热膨胀系数，从而导致了较大的应力，最大位移为防辐射罩体的顶部，这也是因为其较大的热膨胀系数导致的，其累积的最大位移为97.5μm，由于物镜33的温度较低，位移量较小；由于温度的变化，会导致光学镜片的折射率发生变化，温度引起的热应力会导致结构的几何形状发生变化，且镜片的相对位置也发生了变化，这些都会对光学系统造成影响，右侧图为在温度场和结构场的基础上进行射线追迹仿真的结果。
参照图16，从图中可以看出波长为400nm、635nm和800nm时，点列图的均方根半径值分别为4.06μm、6.59μm以及4.08μm，由上述在COMSOL中的射线追迹仿真，没有温度等载荷作用时，三种波长的点列图均方根半径分别为1.808μm、3.365μm和2.548μm，相比之下，在温度场和结构场的耦合作用下，光学系统点列图的均方根半径值虽有所增加，但均方根半径值还在合理范围之内，并不会影响物镜在真空高温环境下正常工作。
工作原理：
将光路机构3插入从MBE生长室1的开口处插入进MBE生长室1内，并通过法兰盘密封连接将伸缩套件与MBE生长室1固定，并与密封组件8相配合MBE生长室1与光路机构3之间处于密封状态，并且内光路组件32部分处于真空环境内，再通过设置的防护罩体41和隔热透光件42可减少物镜33受到的辐射度，降低物镜33温度，同时，外界冷却循环设备的循环液在第一腔体510内流动，可将热量及时带走，从而避免热量堆积，起到散热降温的效果。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种集成MBE装置的激光加工系统，包括MBE生长室(1)和样品台(2)，其中，
MBE生长室(1)的一侧设有开口；
样品台(2)固定在MBE生长室(1)的内部，且与开口的位置相对应，所述样品台(2)用于放置衬底样品材料；
其特征在于，还包括光路机构(3)、隔热机构(4)和冷却机构(5)，其中，
所述光路机构(3)相对设置于MBE生长室(1)的一侧，且光路机构(3)上设有出光端，出光端的一侧贯穿MBE生长室(1)的开口并伸入其内部，并与样品台(2)呈相对间隔设置，所述光路机构(3)与MBE生长室(1)的开口处密封连接；
所述光路机构(3)包括外光路组件(31)、内光路组件(32)和物镜(33)，其中，外光路组件(31)的一侧端部贯穿MBE生长室(1)的开口并伸入其内部，外光路组件(31)用于连接外界激光器；内光路组件(32)设置于外光路组件(31)伸入MBE生长室(1)内的一端，且与外光路组件(31)同心轴设置；物镜(33)设置于内光路组件(32)远离外光路组件(31)的一侧端部，所述物镜(33)作为光路机构(3)的出光端，外界激光器输出激光经外光路组件(31)反射到内光路组件(32)内，并经过物镜(33)对衬底样品材料加工；
所述隔热机构(4)设置在光路机构(3)的出光端一侧，所述隔热机构(4)用于减小到达光路机构(3)镜片的热辐射；
所述隔热机构(4)包括防护罩体(41)和隔热透光件(42)，其中，防护罩体(41)呈圆柱状且内部中空，防护罩体(41)设置外光路组件(31)靠近样品台(2)的一侧，且位于内光路组件(32)与物镜(33)的外侧，所述防护罩体(41)靠近样品台(2)的一侧开设有透光孔；隔热透光件(42)设置在防护罩体(41)内，且位于物镜(33)远离内光路组件(32)的一侧，并与物镜(33)的轴心处于同心圆设置；
所述防护罩体(41)材质为合金钢，表面为光滑面，并在其外表面设有金膜，用于热量的快速传导；
所述隔热透光件(42)的数量为两个，至少两个隔热透光件(42)沿防护罩体(41)的轴向方向间隔设置，且材质为石英玻璃。
所述冷却机构(5)设置于光路机构(3)的外侧，所述冷却机构(5)具有一个冷却通道，冷却通道内流动有换热介质，用于将光路机构(3)积累的热量快速传递到外界。
2.如权利要求1所述的集成MBE装置的激光加工系统，其特征在于：所述冷却机构(5)包括套管件(51)和内撑件(52)，其中，
套管件(51)套设于外光路组件(31)的外侧，且通过法兰与外光路组件(31)远离内光路组件(32)的一侧相固定，所述套管件(51)的外侧开设有至少两个呈对称分布的通液口；
内撑件(52)固定设置在套管件(51)内，将套管件(51)的内部空间分隔成互不相通的第一腔体(510)和第二腔体(520)；
第一腔体(510)作为冷却机构(5)的冷却通道，并与通液口相连通，第二腔体(520)用于容纳外光路组件(31)；
通液口与第一腔体(510)内流动有换热介质，将物镜(33)传导的热量带走。
3.如权利要求2所述的集成MBE装置的激光加工系统，其特征在于：还包括调节机构(6)，其中，
调节机构(6)相对固定在地面上，且与MBE生长室(1)相对间隔设置，所述调节机构(6)上设有可多维度运动的活动部，所述套管件(51)远离内光路组件(32)的一侧通过法兰与活动部的中心处相固定，所述调节机构(6)驱使套管件(51)连接的光路机构(3)多维度调节，使聚焦到衬底样品材料表面的激光位置移动。
4.如权利要求3所述的集成MBE装置的激光加工系统，其特征在于：所述调节机构(6)为六自由度运动平台。
5.如权利要求4所述的集成MBE装置的激光加工系统，其特征在于：还包括伸缩套件(7)，其中，
伸缩套件(7)套设在套管件(51)的外侧，且位于MBE生长室(1)内，所述伸缩套件(7)的两端分别通过法兰与套管件(51)靠近隔热机构(4)的一侧和MBE生长室(1)的开口处固定连接，其与之密封，所述伸缩套件(7)与套管件(51)的外壁呈间隔设置，伸缩套件(7)用于保证光路机构(3)与MBE生长室(1)之间的移动密封。
6.如权利要求1所述的集成MBE装置的激光加工系统，其特征在于：还包括密封组件(8)，其中，
密封组件(8)的两侧端部分别与内光路组件(32)和外光路组件(31)通过法兰密封连接，且密封组件(8)具有一个透光部，用于激光光源从外光路组件(31)侧向内光路组件(32)侧透光；
通过密封组件(8)使内光路组件(32)处于MBE生长室(1)内的真空环境中。
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| JP2019177382A (ja) * | 2018-03-30 | 2019-10-17 | 住友重機械工業株式会社 | 冷却装置及びレーザ加工装置 |
| CN115679442A (zh) * | 2022-10-24 | 2023-02-03 | 北京信息科技大学 | 一种分子束外延的超快激光辅助系统及分子束外延方法 |
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| Title |
|---|
| 准分子激光微制造技术及其应用;刘胜等;《激光与光电子学进展》;第41卷(第2期);第47-53页 * |
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