CN117139858A - 样品靶面激光烧蚀过程离焦量校正与调控装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种样品靶面激光烧蚀过程离焦量校正与调控装置及方法，涉及激光聚焦检测技术领域，其装置包括：激光位移传感器，用于测量样品架上样品靶的靶面与其之间的第一距离；处理器用于确定样品靶沿预设运动方向从第一位置移动到第二位置的第二距离；确定激光位移传感器在第一位置和第二位置时的第一距离之间的差值；确定第二夹角；确定第一乘积，以及第二乘积；根据第一乘积、第二乘积和第二距离，确定第一夹角，根据第一夹角生成第一控制指令；控制器用于根据第一控制指令控制样品架转动至靶面和预设运动方向平行。本发明通过对样品靶靶面的倾斜角度进行校正，提高了脉冲激光等离子体实验室激光聚焦条件的稳定性。

Description

样品靶面激光烧蚀过程离焦量校正与调控装置及方法

技术领域

本发明涉及激光聚焦检测技术领域，尤其涉及一种样品靶面激光烧蚀过程离焦量校正与调控装置及方法。

背景技术

脉冲激光经透镜聚焦到固体靶材表面，被作用的靶材熔融气化产生高温高密且包含大量高电荷态离子的激光等离子体。

脉冲激光等离子体实验并不是在一次脉冲下进行的，多次实验过程中，需要保持每次重复的脉冲激光产生等离子体的条件必须相同，而为了避免脉冲激光重复烧蚀靶面同一位置形成烧蚀坑，需要一定次数的脉冲激光打靶后移动靶面，使脉冲激光在不同延迟时间和不同空间位置处烧蚀样品靶面新的位置。

移动样品靶时，若样品靶的靶面方向与样品靶的运动方向不一致，每次样品靶移动后，产生等离子体的条件，即激光聚焦时光束与靶面的角度和距离就会发生改变，进而对不同元素种类电荷态离子的产额造成极大影响，导致重复探测时，光谱强度出现变化，进而对实验结果产生影响。

发明内容

本发明提供一种样品靶面激光烧蚀过程离焦量校正与调控装置及方法，用以解决现有技术中样品靶的靶面方向与运动方向不一致时，激光聚焦条件改变的缺陷，在脉冲激光等离子体实验前对靶面的方向进行校正。

本发明提供一种样品靶面激光烧蚀过程离焦量校正与调控装置，包括：

激光位移传感器，用于测量样品架上样品靶的靶面与激光位移传感器之间的第一距离；

处理器，与激光位移传感器连接，用于确定样品靶沿脉冲激光等离子体实验中的预设运动方向从第一位置移动到第二位置的第二距离；确定激光位移传感器在样品靶位于第一位置和第二位置时测量得到的第一距离之间的差值；确定激光位移传感器的光束与预设运动方向的垂直面之间的第二夹角；确定差值与第二夹角的正弦值的第一乘积，以及差值与第二夹角的余弦值的第二乘积；根据第一乘积、第二乘积和第二距离，确定靶面与样品靶在脉冲激光等离子体实验中的预设运动方向之间的第一夹角，根据第一夹角生成第一控制指令；

控制器，控制器与处理器连接，且与样品架连接，控制器用于根据第一控制指令控制样品架转动，使得靶面和预设运动方向平行。

本发明还提供一种样品靶面激光烧蚀过程离焦量校正与调控方法，包括：

激光位移传感器测量样品架上样品靶的靶面与激光位移传感器之间的第一距离；

处理器确定样品靶沿脉冲激光等离子体实验中的预设运动方向从第一位置移动到第二位置的第二距离；确定激光位移传感器在样品靶位于第一位置和第二位置时测量得到的第一距离之间的差值；确定激光位移传感器的光束与预设运动方向的垂直面之间的第二夹角；确定差值与第二夹角的正弦值的第一乘积，以及差值与第二夹角的余弦值的第二乘积；根据第一乘积、第二乘积和第二距离，确定靶面与样品靶在脉冲激光等离子体实验中的预设运动方向之间的第一夹角，根据第一夹角生成第一控制指令；处理器与激光位移传感器连接；

控制器根据第一控制指令控制样品架转动，使得靶面和预设运动方向平行，控制器与处理器连接，且与样品架连接。

本发明提供的样品靶面激光烧蚀过程离焦量校正与调控装置及方法，通过设置激光位移传感器，在样品靶靶面沿预设运动方向每位移一个步长时，测量得到一次第一距离；计算机根据多次测量的第一距离确定样品靶靶面与预设运动方向间第一夹角的角度和方向，并对应生成第一控制指令下发至控制器；通过控制器对样品架的角度进行调整，使样品靶的靶面调整至与预设运动方向平行，进而实现了对靶面方向的校正，使激光脉冲实验过程中，对靶面不同位置烧蚀时，脉冲激光产生等离子体的条件更为稳定。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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是本发明提供的样品靶面激光烧蚀过程离焦量校正与调控装置的整体结构的俯视示意图；

图2是本发明提供的样品靶面激光烧蚀过程离焦量校正与调控装置主要用于展示调节机构和密封组件的结构示意图；

图3是本发明提供的样品靶面激光烧蚀过程离焦量校正与调控装置主要用于展示第二夹角的俯视图；

图4是本发明提供的样品靶面激光烧蚀过程离焦量校正与调控装置主要用于展示靶面和激光位移传感器的俯视图之一；

图5是本发明提供的样品靶面激光烧蚀过程离焦量校正与调控装置主要用于展示靶面和激光位移传感器的俯视图之二；

图6是本发明提供的样品靶面激光烧蚀过程离焦量校正与调控装置主要用于展示靶面和激光位移传感器的俯视图之三；

图7是本发明提供的样品靶面激光烧蚀过程离焦量校正与调控装置主要用于展示靶面和激光位移传感器的俯视图之四；

图8是本发明提供的样品靶面激光烧蚀过程离焦量校正与调控装置主要用于展示三组测站的侧视图；

图9是本发明提供的样品靶面激光烧蚀过程离焦量校正与调控装置使用时对应的散点图；

图10是本发明提供的样品靶面激光烧蚀过程离焦量校正与调控方法的流程图。

附图标记：

1、激光位移传感器；2、第一石英窗；3、测量窗口；4、第二石英窗；5、脉冲激光；6、真空规管接口；7、真空腔室；8、样品靶；9、样品架；10、控制器；11、计算机；12、连接杆；13、第一波纹管；14、位移台拉杆；15、第二法兰；16、第一平台；17、第二平台；18、旋转控制台；19、第三法兰；20、第三平台。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

首先对以下内容进行介绍：

激光等离子体可作为大型加速器预注入器的理想高效离子源。随着激光等离子技术的发展，被应用于许多其它技术领域，如固体表面处理、材料辐照、高电荷态离子光钟、大规模集成电路生产、激光质量谱仪以及重离子束治癌装置等。

脉冲激光等离子体本身具有独特的物理性质。首先，脉冲激光等离子体具有高温高密和高能量等特性。这意味着它不仅可以用于研究如太阳风、星际介质等极端环境下所发生的物理现象，其次，脉冲激光等离子体还可以用于材料加工领域。例如，极紫外光刻已经在半导体工业领域得到了广泛应用，可以用于制造芯片、存储器、显示器和光学元件等微细结构元件。此外，脉冲激光沉积等离子体可以被用来研究相关材料的物理性质、化学反应、分析和检测材料的组成结构等。虽然脉冲激光等离子体技术具有多种优点，但如何控制脉冲激光的能量和持续时间依旧是一个挑战。在这方面，需要更加精细的脉冲激光控制技术和更加高效的加工方法。

而在进行脉冲激光等离子体实验过程中，需要沿固定方向移动靶面，避免对同一位置多次烧蚀，在靶面相对于其运动方向平行时，靶面移动后，激光聚焦条件，即激光与靶面的距离和角度不会改变，因此对靶面不同位置烧蚀时，脉冲激光产生等离子体的条件较为稳定。

而若靶面方向与其运动方向存在夹角，在靶面移动过程中会改变聚焦条件，产生的等离子体的稳定性会变差，重复探测时也会引起光谱强度的变化。

因此，需要在脉冲激光等离子体实验前，对靶面方向进行调整，对靶面方向与其运动方向的平行度进行校正优化，确保靶面方向处于最优状态。

下面结合图1-图9描述本发明的样品靶面激光烧蚀过程离焦量校正与调控装置，如图1所示，本装置包括：

激光位移传感器1，用于测量样品架9上样品靶8的靶面与激光位移传感器1之间的第一距离；

处理器，与激光位移传感器1连接，用于确定样品靶8沿脉冲激光等离子体实验中的预设运动方向从第一位置移动到第二位置的第二距离；确定激光位移传感器1在样品靶8位于第一位置和第二位置时测量得到的第一距离之间的差值；确定激光位移传感器1的光束与预设运动方向的垂直面之间的第二夹角；确定差值与第二夹角的正弦值的第一乘积，以及差值与第二夹角的余弦值的第二乘积；根据第一乘积、第二乘积和第二距离，确定靶面与样品靶8在脉冲激光等离子体实验中的预设运动方向之间的第一夹角，根据第一夹角生成第一控制指令；

参照图1，本发明中的脉冲激光等离子体实验于真空环境中进行，因此，样品架9设置于呈长方体的真空腔室7中。其中，真空腔室7的高度方向为竖直方向。

为了便于描述，本发明中以真空腔室7的宽度方向为X轴方向，以其长度方向为Y轴方向，以其高度方向为Z轴方向建立坐标系，其中X轴和Y轴的正方向如图1所示，Z轴的正方向竖直向上。

具体地，结合参照图2，本申请中的样品架9为正方体样品架9，且为铝合金制成的中空壳体，样品架9竖向的四个侧壁上均设沿水平方向并排装载有两块样品靶8，每个样品靶8长26mm、宽35mm。

真空腔室7的侧壁开设有真空规管接口6，真空计通过真空规管接口6与真空腔室7连通，用于监测真空腔室7内的气压。

真空腔室7的侧壁还安装有第二石英窗4，脉冲激光等离子体实验烧灼靶面用的脉冲激光5自第二石英窗4指向位于样品架9右侧的样品靶8。

样品架9底部设置有用于驱使其沿X轴方向、Y轴方向及Z轴方向移动，且驱使其绕Z轴方向转动的调节机构。

真空腔室7的右侧壁安装有第一石英窗2，第一石英窗2在水平面上倾斜于Y轴设置，激光位移传感器1的激光出射口在真空腔室7外侧朝向第一石英窗2设置，激光位移传感器1发出的激光自第一石英窗2指向样品靶8的靶面，且激光位移传感器1发出的激光处于XOY平面内。

需要注意的是，激光位移传感器1发出的激光和烧灼靶面用的脉冲激光5指向样品靶8的靶面上相同的位置。

真空腔室7于第一石英窗2的一侧还安装有测量窗口3，测量窗口3上设置有测量狭缝。

可选地，第一石英窗2的中心线与测量窗口3的束线中心之间的夹角为25度。

可选地，处理器为计算机11。

计算机11与激光位移传感器1电连接，用于接收和处理激光位移传感器1的测量数据。

具体地，样品靶8位于初始位置时，激光位移传感器1测量一次测量数据，即第一距离，样品靶8随即沿脉冲激光等离子体实验中的预设运动方向移动一个步长，激光位移传感器1继续测量一次测量数据。

计算机11记录样品靶8多次移动后，每次激光位移传感器1测得的第一距离数据，并根据多个第一距离确定样品靶8靶面与预设运动方向之间的第一夹角的角度。

本实施例中，预设运动方向为X轴正方向。在其他可行的实施方中，预设运动方向也可以为Y轴正方向、Z轴正方向等。

第一夹角即样品靶8用于测量的靶面（以下简称靶面）与样品靶8运动方向的夹角，确定第一夹角时，需要同时确定第一夹角的角度和方向。

具体地，在样品靶8的靶面绕Z轴顺时针方向偏移的情况下，样品靶8每次移动后，激光位移传感器1每次测得的第一距离均较上一次测量得到的第一距离小。

在样品靶8的靶面绕Z轴逆时针方向偏移的情况下，样品靶8每次移动后，激光位移传感器1每次测得的第一距离均较上一次测量得到的第一距离大。

因此，计算机11通过读取激光位移传感器1每次测量得到的第一距离的数值，并通过比较其数值大小，即可确定样品靶8偏移的方向。

可选地，将样品靶8的靶面绕Z轴顺时针方向偏移确定为第一夹角的正方向，将样品靶8的靶面绕Z轴逆时针方向偏移确定为第一夹角的负方向。

计算机11根据第一夹角的角度和方向生成第一控制指令。

控制器10，控制器10与处理器连接，且与样品架9连接，控制器10用于根据第一控制指令控制样品架9转动，使得靶面和预设运动方向平行。

控制器10与处理器和调节机构均电连接，控制器10接收计算机11生成的第一控制指令，并将其下发至调节机构。调节机构随即控制样品架9绕第一夹角的反方向转动第一夹角对应的角度，即可将样品靶8的靶面调整至与预设运动方向平行。

具体地，在确定第一夹角时，首先根据第一距离、激光位移传感器1的光束与预设运动方向的垂直面之间的第二夹角和样品靶8沿预设运动方向从第一位置移动到第二位置的第二距离，确定第一夹角。

在激光位移传感器1测量得到第一距离前，对样品架9的位置进行调整，使得样品架9用于测量的靶面与测量窗口3平行后，即样品靶8靶面平行于XOZ平面后，开启激光位移传感器1、计算机11和控制器10，此时激光位移传感器1射出的激光沿第一石英窗2中心线摄入真空腔室7内，通过计算机11向控制器10发出第三控制指令，控制器10接收第三控制指令后，在XOZ平面内调整样品架9的位置，使激光位移传感器1发射出的激光打在靶面左上角靠近边缘的位置，以使激光位移传感器1发射出的激光在靶面上的位置与最佳测量点重合。

需要注意的是，尽管此时对样品架9的角度进行调整，使其平行于测量窗口3，但由于样品架9的初始角度未知，因此，无法通过计算机11下达准确的控制指令，准确将样品架9调整至待测量靶面平行于预设运动方向，而是通过实验人员目测观察，实验人员通过计算机11多次下发指令，将待测量的靶面与XOZ平面调整至目测平行的状态。

在此基础上，靶面实质上仍可能与XOZ平面间产生影响脉冲激光等离子体实验准确性的第一夹角。

其中，最佳测量点为激光脉冲实验时，自第二石英窗4射向真空腔室7的脉冲激光5经过透镜聚焦打在靶面后，距离靶面沿Y轴负方向2mm的位置。

进一步地，为了保证激光位移传感器1射出的激光始终与脉冲激光5打在靶面的位置重叠，需要固定激光位移传感器1的位置和激光发射方向。

激光位移传感器1位置固定后，即可通过计算机11向控制器10发出指令，控制器10随即控制样品架9沿预设运动方向移动。

具体地，样品架9每次沿预设运动方向位移一个步长，每次位移后，激光位移传感器1均测量得到一个第一距离。

预设运动方向的垂直面即为YOZ平面。

可选地，调整激光位移传感器1、样品架9和脉冲激光5的位置，使得当激光位移传感器1发出打在靶面的激光处于最佳测量点时，激光位移传感器1发射出的激光与最佳测量点处于同一个XOY平面。

在此基础上，如图3所示，第二夹角为α。

样品靶8沿预设运动方向从第一位置移动到第二位置的第二距离为样品靶8沿预设运动方向移动的长度。

可选地，第二距离可以为样品靶8沿X轴方向移动的一个或多个步长。

基于三角函数，通过第一距离、第二夹角和第二距离，即可确定第一夹角的大小和方向。

具体来说，首先确定激光位移传感器1在样品靶8位于第一位置和第二位置时测量得到的第一距离之间差值；

第一位置是激光位移传感器1一次测量时，激光与样品靶8靶面的交点，第二位置是激光位移传感器1另一次测量时，激光与样品靶8靶面的交点。

可选地，第一位置为最佳测量点。

可选地，第一位置与第二位置间间隔一个或多个样品靶8沿X轴正方向移动时的步长。

如图4的（a）图所示，当样品靶8靶面与预设运动方向平行时，样品靶8沿预设运动方向，即X轴正方向移动时，激光位移传感器1发出的激光与样品靶8靶面间的角度和距离均不发生改变。

如图4的（b）图所示，以样品靶8靶面绕Z轴顺时针方向发生倾斜时为例，样品靶8沿预设运动方向移动时，激光位移传感器1发出的激光与样品靶8靶面的交点由白色方块点变为黑色方块点，光位移传感器发出的激光与样品靶8靶面间的距离减小。

也就是说，当样品靶8位于第一位置和第二位置时，激光位移传感器1测量得到的第一距离之间有差值。

将每次测量时，激光位移传感器1测量得到的第一距离记为L_n，其中n为激光位移传感器1在样品靶8上的测点序号。

例如，激光位移传感器1与靶面相交于最佳测量点时，第一距离为L₁，靶面移动一个步长后，激光位移传感器1与靶面相交于第二个测点，此时得到的第一距离记为L₂。

将L₁减去L_n的结果记为差值。

确定差值与第二夹角的正弦值的第一乘积，以及差值与第二夹角的余弦值的第二乘积；

如图5所示，β为第一夹角，也就是样品靶8靶面相较于XOZ平面的实际倾斜角。

如图6所示，图6中的X轴正方向表示靶面的预设运动方向，黑点表示最佳测量点，位于左上方的倾斜实线为靶面在激光位移传感器1指向最佳测量点时靶面在XOY平面的投影；其下的每一条虚线为沿预设运动方向移动一个步长后，靶面在XOY平面的投影；相邻两黑点间的距离为沿预设运动方向移动一次的步长。

本实施例中，将第一距离在X轴上的投影记为i_n，将第一距离在Y轴上的投影记为l_n。

将图6中挑选任意两条靶面在XOY平面的投影，确定其对应的黑点为第一位置和第二位置后，可以得到图7，用于直观的展示靶面移动与第一距离间的三角函数关系。

具体地，如图7所示，图7中的A点所在的实线对应样品靶8的第一位置，B点所在的倾斜虚线对应样品靶8的第二位置。

本实施例中，第一位置为激光位移传感器1指向最佳测量点时对应的靶面位置，第二位置为移动任意步长后对应的位置。

一次移动后，点A位于A^’点的位置，其间的距离即为一次样品靶8沿预设运动方向移动的长度，即为d_n，其中，n表示测点的序号。

具体地，当n为1时，表示测点为最佳测量点，此时靶面处于初始位置，d₁为0;当n为3，表示测点为移动两次后的第三个测量点，此时d₃为两倍的步长。

也就是说，d_n=(n-1)λ；其中，λ表示步长。

AB间的距离表示两次测量得到的第一距离之间差值，即L₁-L_n。

i₁- i_n表示AB在X轴方向的投影，l₁-l_n表示AB在X轴方向的投影。

基于三角函数可以确定，l_n=L_n×cosα。

第二乘积。

第一乘积。

根据第一乘积、第二乘积和第二距离，确定第一夹角。

如图7所示，CA’的长度为d_n与第一乘积间的差值。

在三角形CA’B中，基于三角函数不难确定，靶面与预设运动方向间的第一夹角的正切值为第二乘积与CA’的长度间的比值。其中，n表示测点的序号。

因此，通过正切函数可以对进行计算：

；

；

为了提高对第一夹角计算的准确率，将靶面沿预设运动方向移动n-1次，选取n个测点，对每个测点计算一次第一夹角，并将多次计算的结果取算术平均值，作为第一夹角的实际角度大小。

本发明通过设置激光位移传感器1，在样品靶8靶面沿预设运动方向每位移一个步长时，测量得到一次第一距离；计算机11根据多次测量的第一距离确定样品靶8靶面与预设运动方向间第一夹角的角度和方向，并对应生成第一控制指令下发至控制器10；通过控制器10对样品架9的角度进行调整，使样品靶8的靶面调整至与预设运动方向平行，进而实现了对靶面方向的校正，使激光脉冲实验过程中，对靶面不同位置烧蚀时，脉冲激光5产生等离子体的条件更为稳定。

本发明样品靶面激光烧蚀过程离焦量校正与调控装置中，处理器具体用于：

确定样品靶8沿预设运动方向移动的每个第二距离对应的第二乘积；

在计算第一夹角前，也可先对靶面的倾斜度进行判断，若确定靶面倾斜，则计算第一夹角；若确定靶面与预设运动方向平行，则无需对靶面的角度进行调整。

需要注意的是，第二距离为样品靶8由第一位置移动至第二位置时移动的距离；第二距离对应的第二乘积，为样品靶8由第一位置移动至第二位置时，激光位移传感器1测量得到的两个第一距离间的差值对应的第二乘积。

本实施例中，将最佳测量点确定为第一位置，将其后每次位移一个步长后对应的测点作为第二位置。

具体地，首先确定样品靶8沿预设运动方向移动至第二位置后，对应的第二乘积。

对多个第二距离对应的第二乘积进行拟合，得到拟合函数；

第二乘积表示样品靶8每次移动后的测点与最佳测量点间的连线在Y轴方向的投影长度。

由于靶面移动时，靶面也会产生机械抖动，为了减小机械抖动带来的激光位移传感器1测量差值对靶面倾斜度的判断误差。本发明通过多个第二乘积来判断靶面的倾斜程度。

具体地，若靶面与预设运动方向倾斜，则每次移动后，相邻两个测点间对应的第二乘积应为固定值。

因此，通过将多个第二距离对应的第二乘积进行拟合，得到拟合函数，确定每个测点与最佳测量点间的偏离程度，通过拟合函数对靶面是否倾斜进行判断。

在拟合函数为线性函数的情况下，根据第一距离确定靶面与样品靶8在脉冲激光等离子体实验中的预设运动方向之间的第一夹角。

若多个第二乘积拟合得到的拟合函数呈线性，则表示靶面的移动有固定规律，排除了靶面移动时的机械抖动对靶面倾斜度的影响，确定靶面与预设运动方向倾斜，进而需要确定第一夹角，以便对靶面方向进行调整。

若多个第二乘积拟合得到的拟合函数无线性关系，则表示靶面的移动无固定规律，激光位移传感器1测量时出现的差值为靶面移动时机械抖动的影响，因此无需计算第一夹角以调整靶面角度。

本发明样品靶面激光烧蚀过程离焦量校正与调控装置中，处理器具体用于：

确定样品靶8沿预设运动方向移动的多行或多列中每个第二距离对应的第二乘积；

由于最佳测量点位于靶面的左上角，因此，在最佳测量点的基础上将靶面沿预设运动方向移动多次时，激光位移传感器1测得的数据仅体现靶面上部的变化。

为了进一步提高对靶面倾斜度判断的准确性，参照图8，沿Z轴方向，在靶面沿Z轴方向划分出多个测站，在每个测站中沿X轴方向确定多个测点。

本实施例中，在靶面的上、中、下三个区域划分出三组测站，确保得到三组数据足以代表整个靶面，同时这样可以快速得到样品靶8靶面的完整特征信息与大范围的靶面至激光位移传感器1的距离。

若选取四组、五组测站，虽然也可以获得靶面的完整信息，但是并不能快速有效地提高靶面倾斜测量的精确度，并需要更多的时间去完成对样品架9的移动控制，在一定程度上降低实验效率。

图8中的首个测点表示最佳测量点，每组测站中确定10个测点，即沿X轴方向移动9次，将每个测站中的首个测点为该测站数据的位置基点。

需要注意的是，由于本实施例中预设运动方向为X轴正方向，因此本实施例中沿Z轴方向划分三个测站，即获取多行中每个第二距离对应的第二乘积；若预设运动方向改变，则测站的划分方向也对应改变，使得划分出的测站能反应靶面整体的倾斜情况即可。例如，当预设运动方向为Z轴方向时，沿X轴方向划分多个测站，获取每列第二距离对应的第二乘积。

实际操作时，自最佳测量点开始，首先通过控制器10控制样品架9沿X轴正方向移动一个步长，靶面对应移动至上方测站中的第二个测点，激光位移传感器1发送的激光射向该第二个测点，以此类推，直至激光位移传感器1发送的激光射向上方测站中的最后一个测点，记录上方测站中每个测点至激光位移传感器1的第一距离为（L₁,L₂…L₁₀）。

上方测站中所有测点测量结束后，计算机11发出指令，控制器10控制样品靶8靶面先返回上方测站中的位置基点，再沿Z轴负方向移动至中间测站的首个测点，再按上方测站的测量方法，测量中间测站中每个测点与激光位移传感器1之间的第一距离L_n，直至所有测站中所有测点均测量完成；需要注意的是，整个测量过程中，激光位移传感器1的位置保持不变。

在整个测量过程中，计算机11给控制器10发出指令，控制器10控制样品架9按“E”字型的运动轨迹移动，图8中的圆圈为每次激光位移传感器1在样品靶8上的测点，图8中箭头方向为每次触发后样品靶8的移动方向。通过这样的运动轨迹确保可以扫描到样品靶8整个靶面的信息，以便保证每次测量都能对样品靶8整个靶面是否发生倾斜做出判断。

进一步地，将记录的X轴方向上，上方测站中所有测点的第一距离记为L_n ¹、中间测站中所有测点的第一距离记为L_n ²、下方测站中所有测点的第一距离记为L_n ³。

确定每个测点的第一距离对应的第二乘积l_n ¹、l_n ²、l_n ³。

记录每个测站中的位置基点的第一距离对应的第二乘积与该测站中其他所有测点的第一距离对应的第二乘积间的差值，也就是第二距离对应的第二乘积。

具体地，上方测站中位置基点的第一距离对应的第二乘积与上方测站中其它所有测点的第一距离对应的第二乘积的差值为△l_n ¹，中间测站中位置基点的第一距离对应的第二乘积与中间测站中其它所有测点的第一距离对应的第二乘积的差值为△l_n ²，下方测站中位置基点的第一距离对应的第二乘积与下方测站中其它所有测点的第一距离对应的第二乘积的差值为△l_n ³。

其中：△l_n ¹=l₁ ¹-l_n ¹；△l_n ²=l₁ ²-l_n ²；△l_n ³=l₁ ³-l_n ³。

求每个测站中计算得到的所有第二距离对应的第二乘积的均值，并将三个均值分别与激光位移传感器1的重复精度进行比较。

若所有的均值均没有超出激光位移传感器1重复精度的误差范围，则整个样品靶8靶面倾斜的最远偏移距离在激光位移传感器1的重复精度内，对实验中脉冲激光等离子体的聚焦条件影响较小。

可选地，重复精度由实际使用的激光位移传感器1确定，本实施例中为50μm。

在至少一个均值超过重复精度的误差范围的情况下，则认为靶面的倾斜角度对激光聚焦条件产生影响，因此需要对△l_n ¹、△l_n ²和△l_n ³进行判断，确定其是否存在线性变化。

对每行或每列中多个第二距离对应的第二乘积进行拟合，得到每行或每列对应的拟合函数；

具体地，将三组△l_n ¹、△l_n ²和△l_n ³绘制成散点图，制成的散点图如图9所示。

在散点图上用线性拟合来模拟相关差值数据的变化直线，接着利用线性拟合的R²来判断拟合效果，R²愈接近1，说明拟合效果越好，拟合的函数越接近真实，要求三组第二乘积数据△l_n ¹、△l_n ²和△l_n ³拟合直线的R²大于0.9，则认为拟合函数拟合成功。其中R²为拟合优度。

本实施例中，得到每行对应的拟合函数。

可选地，当预设运动方向为Z轴正方向时，得到每列对应的拟合函数。

在至少一个拟合函数为线性函数的情况下，根据第一距离确定靶面与样品靶8在脉冲激光等离子体实验中的预设运动方向之间的第一夹角。

进一步地，通过计算每组拟合函数的斜率来确定靶面的倾斜程度。若三组拟合函数中有至少一组的斜率非0，即拟合函数呈现线性变化，就表明差值数据之间存在线性关联，说明样品靶8的靶面与预设运动方向间存在第一夹角。

若三组拟合函数中，斜率均为0，即拟合函数均不呈现线性变化，差值为机械抖动对测量结果的影响，样品靶8的靶面平行于预设运动方向。

需要注意的是，本实施例中三个测站的划分也可用于进一步计算第一夹角。

具体来说，对于每一个测站，均计算对应的第一夹角的算术平均值，并分别计算三个测站对应的算术平均值的标准差，选取标准差最小的算术平均值，作为第一夹角的实际值，也就是作为靶面实际倾斜角度。

并依据第一夹角的实际值对样品架9进行角度补偿。

本发明样品靶面激光烧蚀过程离焦量校正与调控装置中，处理器还用于：

在控制器10根据第一控制指令控制样品架9转动后，确定第一距离对应的第二乘积；

在脉冲激光等离子体实验前，可以通过确定和计算样品靶8与预设运动方向间的第一夹角，对样品靶8的靶面方向进行角度补偿，以便提高实验的精度。

但在实验过程中，每次移动样品架9时产生的机械抖动，仍然会对脉冲激光5的聚焦条件产生影响。

因此，在实验过程中，也可以通过每次移动时，每个步长对应的第二乘积对样品架9的位置进行补偿，一定程度上减轻机械抖动对脉冲激光5的聚焦条件产生的影响。

具体地，实验前，控制器10首先根据计算机11下发的第一控制指令，将样品架9调整至其靶面与预设运动方向平行。

实验过程中，实时监测激光位移传感器1到样品靶8的第一距离L_n；计算第一距离在Y轴方向的投影l_n，也就是第一距离对应的第二乘积；其计算方式与上述步骤中l_n的计算方式相同，此处不再赘述。

在第二乘积不为0的情况下，根据第二乘积生成第二控制指令；

控制器10还用于：

根据第二控制指令控制样品架9移动，使得第二乘积为0。

将l₁与l_n之间的差值作为机械抖动产生的偏差，并判断该偏差是否在激光位移传感器1的重复精度误差范围内。

若该偏差超出误差范围，则通过计算机11向控制器10发送第二控制指令，控制器10进而控制样品架9沿Y轴方向移动该偏差对应的距离，使第二乘积为0，完成对靶面的位置补偿。其中，沿Y轴移动的方向根据l₁与l_n之间的差值的正负性判断。

需要注意的是，本实施例中所有的样品架9移动方向和长度均以预设运动方向为X轴正方向，靶面倾斜方向为绕Z轴顺时针倾斜为例阐述，若预设运动方向和靶面倾斜方向不同，靶面的角度补偿方向和位置补偿方向对应调整，其确定方式与本发明中举例的方式大致相同，因此不再赘述。

本发明通过实时监测激光聚焦在靶面的位置信息，通过实时监测靶面的位置信息补偿机械抖动带来的偏差，进一步提高了脉冲激光等离子体实验时激光聚焦条件的稳定程度，进而提高了实验的准确性。

本发明样品靶面激光烧蚀过程离焦量校正与调控装置中，还包括调节机构，调节机构包括：

连接杆12，连接杆12的一端固定连接于样品架9上；

旋转控制台18，连接于连接杆12远离样品架9的一端；

第一驱动件，设置于旋转控制台18上且与控制器10电连接，用于驱使连接杆12绕其轴向转动。

本实施例中的调节机构首先用于对样品靶8靶面进行角度补偿，也就是控制样品架9绕Z轴方向转动。

因此，结合参照图1和图2，调节机构包括连接杆12，连接杆12的轴向平行于Z轴方向，连接杆12固定安装于样品架9的底端。具体地，可以采用栓接、焊接的方式完成连接杆12与样品架9间的固定，使连接杆12的运动可以带动样品架9同向运动即可。

需要注意的是，由于样品架9在实验过程中处于真空腔室7内，为了保证真空腔室7内的真空环境，连接杆12远离样品架9的一端需要伸出真空腔室7设置，因此，真空腔室7的底壁开设有安装孔，用于连接杆12的安装。

安装孔的内径大于连接杆12的杆径，以便连接杆12能在安装孔内沿X轴方向和Y轴方向移动，带动样品架9移动。

参照图2，连接杆12伸出真空腔室7的一端设置有旋转控制台18，连接杆12绕其轴向转动连接于旋转控制台18上。

旋转控制台18上安装有第一驱动件，第一驱动件与控制器10电连接，接受控制器10下发的指令后，即可驱使连接杆12转动，带动样品架9转动，进而调整样品靶8靶面的方向。

可选地，第一驱动件为电机，电机在旋转控制台18上安装于连接杆12的一侧。

可选地，本实施例对电机的安装方式不做限定，通过带轮结构或一组锥齿轮等直角传动结构连接电机与连接杆12，均可使得电机输出端转动带动连接杆12绕其轴向转动。

在其他可行的实施方式中，旋转控制台18也可直接选择电动旋转滑台（型号为Zolix RSA100），控制器10与电动的旋转控制台18电连接，进而通过旋转控制台18直接控制连接杆12转动。

本发明样品靶面激光烧蚀过程离焦量校正与调控装置中，还包括调节机构，调节机构还包括：

第一平台16，第一平台16上开设有通孔，连接杆12远离样品架9的一端穿过通孔；

第二平台17，第二平台17滑移连接于第一平台16远离样品架9的一侧，连接杆12穿设于第二平台17，第二平台17用于驱使连接杆12在第一方向和第二方向上移动；

其中，控制器10与第一平台16和第二平台17电连接；第一方向和第二方向均垂直于连接杆12轴向，第一方向垂直于第二方向，第一方向或第二方向为预设运动方向。

本实施例中第一方向为预设运动方向，即为X轴方向，第二方向为Y轴方向。

进一步地，调节机构还用于驱使样品架9沿X轴方向和Y轴方向移动，也就是驱使连接杆12沿X轴方向和Y轴方向移动。

参照图2，调节机构还包括第一平台16和第二平台17，其中，第一平台16的顶端固定连接有多跟位移台拉杆14，位移台拉杆14的另一端与真空腔室7外壁固定连接，进而将第一平台16固定安装于真空腔室7的外壁上。

可选地，可以通过铆接、螺接或栓接等方式实现位移台拉杆14与真空腔室7的固定。

第一平台16上开设有用于连接杆12穿设的通孔，通孔的孔径大于连接杆12的杆径，以便连接杆12能够在通孔内沿X轴方向和Y轴方向移动。

可选地，第一平台16为单方向位移台，如图2所示，转动单方向位移台上的旋钮，即可使得穿设于第一平台16中的连接杆12在通孔内沿Y轴方向移动。

第二平台17沿X轴方向及Y轴方向滑移连接于第一平台16的底壁，连接杆12远离样品架9的一端穿过第二平台17设置。

可选地，第二平台17为位移台，连接杆与第二平台中间的容纳孔插接适配，如图2所示，转动位移台上的旋钮，即可使得第二平台17在第一平台16上沿X轴方向或Y轴方向滑移，进而带动穿设于第二平台17中的连接杆12在通孔内沿X轴方向或Y轴方向移动。

第一平台16与第二平台17上的旋钮均与控制器10电连接，其连接方式不做限定，只要能通过控制器10控制旋钮转动，带动连接杆12移动即可。

可选地，第一平台16与第二平台17也可集成为二维位移平台，以能实现通过第一平台16、第二平台17驱使连接杆12沿X轴方向和Y轴方向移动即可。具体地，本实施例中采用型号为ZolixW100x100-XY的二维对位平台，二维对位平台与控制器10电连接，接收控制器10的指令后驱使穿设于其中的连接杆12在X轴方向或在Y轴方向移动。

可选地，连接杆12与第一平台16和第二平台17的具体安装方式可以根据第一平台16和第二平台17的具体型号确定。

本发明样品靶面激光烧蚀过程离焦量校正与调控装置中，还包括调节机构，调节机构还包括：

第三平台20，第三平台20固定连接于第二平台17远离第一平台16的一侧；

移动台，沿连接杆12轴向滑移连接于第三平台20上，旋转控制台18固定连接于移动台上；

第二驱动件，与控制器10电连接，用于驱使移动台滑移。

进一步地，调节机构还用于驱使样品架9沿Z轴方向移动，也就是驱使连接杆12沿Z轴方向移动。

参照图2，调节机构还包括第三平台20，第三平台20通过一个三角支架固定连接于第二平台17的底端。

第三平台20上沿Z轴方向滑移连接有移动台，移动台可通过导向轨或导向槽等结构为其滑移进行导向，本实施例对其导向结构不做限定。

本实施例中的移动台为矩形台，旋转控制台18也为矩形台，旋转控制台18固定连接于移动台远离第三平台20的一侧，使旋转控制台18与移动台在YOZ平面的投影图像呈T形。

在此基础上，移动台在Z轴方向移动，即可带动旋转控制台18在Z轴方向移动，进而带动绕其轴向转动连接于旋转控制台18上的连接杆12在Z轴方向移动。

第三平台20上还设置有用于驱使移动台滑移的第二驱动件，第二驱动件与控制器10电连接，用于接收并执行控制器10下发的指定。

可选地，第二驱动件可以为气缸、液压缸和电动推杆等，使其输出端与移动台固定连接，即可在导向结构的导向下驱使移动台沿Z轴方向移动。

如图2所示，本实施例中的第二驱动件可为电机。第三平台20上转动架设有螺杆，螺杆的轴向为Z轴方向，螺杆绕其轴向转动，螺杆穿设于旋转控制台18，且与旋转控制台18螺纹适配。

电机输出端与螺杆的端壁固定连接，电机输出端转动，即可带动螺杆转动，在导向结构的限制下，旋转控制台18与移动台一起在螺杆的螺纹段沿Z轴方向移动，进而带动连接杆12移动。

在其他可行的实施方式中，第三平台20也可直接使用电动升降滑台，例如型号为Zolix PSA150-11-Z的电动升降滑台，将控制器10与电动升降滑台电连接，即可在电动升降滑台的作用下带动连接杆12升降。

需要注意的是，为了保障真空腔室7内的密闭性，真空腔室7与连接杆12的连接处还设置有密封组件。

密封组件包括第一法兰，第一法兰于真空腔室7的安装孔处固定安装于真空腔室7的底壁，第一平台16上于通孔处安装有第二法兰15。

密封组件还包括第一波纹管13，第一波纹管13的一端固定于第一法兰、另一端固定于第二法兰15，通过第一波纹管13、第一法兰和第二法兰15保证了真空腔室7至第一平台16处的密闭性。同时由于第一波纹管13可伸缩的特性，使得位于第一波纹管13内的连接杆12的移动不受影响。

进一步的，旋转控制台18朝向第二平台17的一侧还安装有第三法兰19，密封组件还包括第二波纹管（图中未示出），第二波纹管的一端固定于第二平台17上、另一端通过第三法兰19固定于旋转控制台18上，连接杆12位于第二波纹管内，且连接杆12远离样品架9的一端穿过第三法兰19后转动连接于旋转控制台18上，第三法兰19与连接杆12插接适配，进而通过第二波纹管实现对第二平台17至第三法兰19段的密封，进而保障了真空腔室7的密闭性。

本发明通过调节机构和密封组件，将调节机构设置于真空腔室7外，便于控制器10与调节机构的连接，同时通过密封组件保证了真空腔室7的密闭性，在实现对样品架9在X轴方向、Y轴方向和Z轴方向的位移调节，以及样品架9绕Z轴方向的角度调节的同时，适用于如真空、高压（100kV）等对气密性有要求的特殊实验环境。在一些不方便测量的极端环境下，也能检测激光聚焦在靶面的位置信息，进而保障激光聚焦条件的稳定性。

下面对本发明提供的样品靶面激光烧蚀过程离焦量校正与调控方法进行描述，下文描述的样品靶面激光烧蚀过程离焦量校正与调控方法与上文描述的样品靶面激光烧蚀过程离焦量校正与调控装置可相互对应参照。

如图10所示，该方法包括：

步骤1001，激光位移传感器测量样品架上样品靶的靶面与激光位移传感器之间的第一距离；

样品靶位于初始位置时，激光位移传感器测量一次测量数据，即第一距离，样品靶随即沿脉冲激光等离子体实验中的预设运动方向移动一个步长，激光位移传感器继续测量一次测量数据。

计算机记录样品靶多次移动后，每次激光位移传感器测得的第一距离数据，并根据多个第一距离确定样品靶靶面与预设运动方向之间的第一夹角的角度。

步骤1002，处理器确定样品靶沿脉冲激光等离子体实验中的预设运动方向从第一位置移动到第二位置的第二距离；确定激光位移传感器在样品靶位于第一位置和第二位置时测量得到的第一距离之间的差值；确定激光位移传感器的光束与预设运动方向的垂直面之间的第二夹角；确定差值与第二夹角的正弦值的第一乘积，以及差值与第二夹角的余弦值的第二乘积；根据第一乘积、第二乘积和第二距离，确定靶面与样品靶在脉冲激光等离子体实验中的预设运动方向之间的第一夹角，根据第一夹角生成第一控制指令；处理器与激光位移传感器连接；

本实施例中，预设运动方向为X轴正方向。在其他可行的实施方中，预设运动方向也可以为Y轴正方向、Z轴正方向等。

第一夹角即样品靶用于测量的靶面（以下简称靶面）与样品靶运动方向的夹角，确定第一夹角时，需要同时确定第一夹角的角度和方向。

具体地，在样品靶的靶面绕Z轴顺时针方向偏移的情况下，样品靶每次移动后，激光位移传感器每次测得的第一距离均较上一次测量得到的第一距离小。

在样品靶的靶面绕Z轴逆时针方向偏移的情况下，样品靶每次移动后，激光位移传感器每次测得的第一距离均较上一次测量得到的第一距离大。

因此，计算机通过读取激光位移传感器每次测量得到的第一距离的数值，并通过比较其数值大小，即可确定样品靶偏移的方向。

可选地，将样品靶的靶面绕Z轴顺时针方向偏移确定为第一夹角的正方向，将样品靶的靶面绕Z轴逆时针方向偏移确定为第一夹角的负方向。

计算机根据第一夹角的角度和方向生成第一控制指令。

步骤1003，控制器根据第一控制指令控制样品架转动，使得靶面和预设运动方向平行，控制器与处理器连接，且与样品架连接。

控制器与处理器和调节机构均电连接，控制器接收计算机生成的第一控制指令，并将其下发至调节机构。调节机构随即控制样品架绕第一夹角的反方向转动第一夹角对应的角度，即可将样品靶的靶面调整至与预设运动方向平行。

本发明通过设置激光位移传感器，在样品靶靶面沿预设运动方向每位移一个步长时，测量得到一次第一距离；计算机根据多次测量的第一距离确定样品靶靶面与预设运动方向间第一夹角的角度和方向，并对应生成第一控制指令下发至控制器；通过控制器对样品架的角度进行调整，使样品靶的靶面调整至与预设运动方向平行，进而实现了对靶面方向的校正，使激光脉冲实验过程中，对靶面不同位置烧蚀时，脉冲激光产生等离子体的条件更为稳定。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种样品靶面激光烧蚀过程离焦量校正与调控装置，其特征在于，包括：

激光位移传感器，用于测量样品架上样品靶的靶面与所述激光位移传感器之间的第一距离；

处理器，与所述激光位移传感器连接，用于确定所述样品靶沿脉冲激光等离子体实验中的预设运动方向从第一位置移动到第二位置的第二距离；确定所述激光位移传感器在所述样品靶位于所述第一位置和所述第二位置时测量得到的第一距离之间的差值；确定所述激光位移传感器的光束与所述预设运动方向的垂直面之间的第二夹角；确定所述差值与所述第二夹角的正弦值的第一乘积，以及所述差值与所述第二夹角的余弦值的第二乘积；根据所述第一乘积、所述第二乘积和所述第二距离，确定所述靶面与所述样品靶在脉冲激光等离子体实验中的预设运动方向之间的第一夹角，根据所述第一夹角生成第一控制指令；

控制器，所述控制器与所述处理器连接，且与所述样品架连接，所述控制器用于根据所述第一控制指令控制所述样品架转动，使得所述靶面和预设运动方向平行。

2.根据权利要求1所述的样品靶面激光烧蚀过程离焦量校正与调控装置，其特征在于，所述处理器具体用于：

确定所述样品靶沿所述预设运动方向移动的每个第二距离对应的第二乘积；

对多个所述第二距离对应的第二乘积进行拟合，得到拟合函数；

在所述拟合函数为线性函数的情况下，根据所述第一距离确定所述靶面与所述样品靶在脉冲激光等离子体实验中的预设运动方向之间的第一夹角。

3.根据权利要求1所述的样品靶面激光烧蚀过程离焦量校正与调控装置，其特征在于，所述处理器具体用于：

确定所述样品靶沿所述预设运动方向移动的多行或多列中每个第二距离对应的第二乘积；

对每行或每列中多个所述第二距离对应的第二乘积进行拟合，得到每行或每列对应的拟合函数；

在至少一个所述拟合函数为线性函数的情况下，根据所述第一距离确定所述靶面与所述样品靶在脉冲激光等离子体实验中的预设运动方向之间的第一夹角。

4.根据权利要求1-3任一所述的样品靶面激光烧蚀过程离焦量校正与调控装置，其特征在于，所述处理器还用于：

在所述控制器根据所述第一控制指令控制所述样品架转动后，确定每个第一距离对应的第二乘积；

在所述第二乘积不为0的情况下，根据所述第二乘积生成第二控制指令；

所述控制器还用于：

根据所述第二控制指令控制所述样品架移动，使得所述第二乘积为0。

5.根据权利要求1-3任一所述的样品靶面激光烧蚀过程离焦量校正与调控装置，其特征在于，还包括调节机构，所述调节机构包括：

连接杆，所述连接杆的一端固定连接于所述样品架上；

旋转控制台，连接于所述连接杆远离所述样品架的一端；

第一驱动件，设置于所述旋转控制台上且与所述控制器电连接，用于驱使所述连接杆绕所述连接杆的轴向转动。

6.根据权利要求5所述的样品靶面激光烧蚀过程离焦量校正与调控装置，其特征在于，所述调节机构还包括：

第一平台，所述第一平台上开设有通孔，所述连接杆远离所述样品架的一端穿过所述通孔；

第二平台，所述第二平台滑移连接于所述第一平台远离所述样品架的一侧，所述连接杆穿设于所述第二平台，所述第二平台用于驱使所述连接杆在第一方向和第二方向上移动；

其中，所述控制器与所述第一平台和所述第二平台电连接；所述第一方向和所述第二方向均垂直于所述连接杆轴向，所述第一方向垂直于所述第二方向，所述第一方向或所述第二方向为所述预设运动方向。

7.根据权利要求6所述的样品靶面激光烧蚀过程离焦量校正与调控装置，其特征在于，所述调节机构还包括：

第三平台，所述第三平台固定连接于所述第二平台远离所述第一平台的一侧；

移动台，沿所述连接杆轴向滑移连接于所述第三平台上，所述旋转控制台固定连接于所述移动台上；

第二驱动件，与所述控制器电连接，用于驱使所述移动台滑移。

8.一种样品靶面激光烧蚀过程离焦量校正与调控方法，其特征在于，包括：

激光位移传感器测量样品架上样品靶的靶面与所述激光位移传感器之间的第一距离；

处理器确定所述样品靶沿脉冲激光等离子体实验中的预设运动方向从第一位置移动到第二位置的第二距离；确定所述激光位移传感器在所述样品靶位于所述第一位置和所述第二位置时测量得到的第一距离之间的差值；确定所述激光位移传感器的光束与所述预设运动方向的垂直面之间的第二夹角；确定所述差值与所述第二夹角的正弦值的第一乘积，以及所述差值与所述第二夹角的余弦值的第二乘积；根据所述第一乘积、所述第二乘积和所述第二距离，确定所述靶面与所述样品靶在脉冲激光等离子体实验中的预设运动方向之间的第一夹角，根据所述第一夹角生成第一控制指令；所述处理器与所述激光位移传感器连接；

控制器根据所述第一控制指令控制所述样品架转动，使得所述靶面和预设运动方向平行，所述控制器与所述处理器连接，且与所述样品架连接。