CN103257141B - 同步监测泵浦光斑与样品表面微结构的装置及调整方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种同步监测泵浦光斑与样品表面微结构的装置及调整方法，包括激光光源，隔离器，透镜，旋转底座，分束片，衰减片，CCD图像传感器，样品台，二维步进电机，第一反射镜，第二反射镜，第三反射镜，光垃圾桶；分束片固定在旋转底座上，样品台固定在二维电机上；激光光源发出的激光沿水平方向依次经过隔离器、透镜、分束片聚焦样品台上，分束片下方，与激光垂直方向依次排衰减片和CCD图像传感器，经分束片反射激光垂直向上依次经过第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜后光反射回样品背面，光垃圾桶为移动件，用于遮挡光路。通过移动光垃圾桶和调整分束片方向，实现泵浦光斑与反射及透射型样品表面微结构的监测，构成简单，容易操作。

Description

同步监测泵浦光斑与样品表面微结构的装置及调整方法

技术领域

本发明涉及一种过程监测技术，特别涉及一种同步监测泵浦光斑与样品表面微结构的装置及调整方法。

背景技术

微结构材料是通过化学物理等手段使材料表面具有微米量级的准尖峰结构形貌的材料，这种微结构材料由于具有高吸收，对红外波段有很好响应等光学物理性质被广泛应用于能源、传感器等方面。微结构材料的制备与研究已经成为物理、化学、电子等诸多学科领域学者所共同关注的焦点。这种表面微构造的材料在遥感、光通讯、太阳能电池、红外传感器以及微电子等领域都具有重要的潜在应用价值。微结构材料及其器件的制备已经成为目前信息技术发展的主要方向之一。

目前，这种表面微构造材料的制备***通常都比较简单，不具备同时监测泵浦光斑与样品表面微结构的功能，不能有效地监测材料制备过程中的表面微结构的形成过程也不能保证激光的泵浦光斑在制备过程中一直保持正常。

一般观察泵浦光斑的方法，就是用CCD放在光路中进行观测，而在实验的过程中是无法对泵浦光斑进行观测的，当激光器有所变动的时候，只能中止实验将CCD放进光路中观测泵浦光斑，十分繁琐，对实验的连续性十分不利。而一般观测样品表面微结构的方法，是在样品加工完成之后，将样品取出，再通过扫描电子显微镜等工具对其表面微结构进行观测，但是无法在实验过程中对样品的微结构进行实时的观测，样品取出，其微结构是否有所改变也不得而知。

总的来说，目前制备表面微构造材料的***过于简单，如果在实验中激光器有所变化，需要观察其泵浦光斑，实验装置的调整十分繁琐，而且对实验的连续性十分不利；而且目前无法在实验的过程中观测样品的表面微结构，对其表面微结构的形成过程没有直观地记录和观察。基于实验上的各种不便捷性，目前还没有可同步监测泵浦光斑和样品表面微结构的装置出现。

发明内容

本发明是针对制备表面微构造材料的***过于简单，生产控制若需要观察泵浦光斑与样品表面微结构则十分繁琐的问题，提出了一种同步监测泵浦光斑与样品表面微结构的装置及调整方法，采用CCD、带有旋转底座的分束片和三个反射镜，通过调节旋转分束片，即可实现监测泵浦光斑以及监测反射型与透射型材料表面微结构实验装置之间的快速便捷转换。

本发明的技术方案为：一种同步监测泵浦光斑与样品表面微结构的装置，包括激光光源，隔离器，透镜，旋转底座，分束片，衰减片，CCD图像传感器，样品台，二维步进电机，第一反射镜，第二反射镜，第三反射镜，光垃圾桶；分束片固定在旋转底座上，可随旋转底座旋转角度，样品台固定在二维电机上；激光光源发出的激光沿水平方向依次经过隔离器、透镜、分束片聚焦样品台上，分束片下方，与激光垂直方向依次排衰减片和CCD图像传感器，经分束片反射激光垂直向上依次经过第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜后光反射回样品背面，光垃圾桶为移动件，用于遮挡光路。

所述二维电机选用左右和上下移动的二维步进电机。

同步监测泵浦光斑与样品表面微结构的装置调整方法，包括同步监测泵浦光斑与样品表面微结构的装置，具体包括如下调整步骤：

1）监测泵浦光斑：转动旋转底座将分束片转至与入射激光成45度夹角处，将光垃圾桶放置在样品台前，激光通过分束片，一部分光束被反射经衰减片进入CCD图像传感器，通过CCD图像传感器监测捕捉泵浦光斑，另一部分光束透过分束片进入光垃圾桶中；

2）反射型材料的表面微结构监测：转动旋转底座将分束片转至与入射激光成135度夹角处，用光垃圾桶挡在分束片正上方，第一反射镜前；激光通过分束片，一部分光束透过分束片打在样品台上的样品上；部分激光被反射回来，经分束片反射后再经衰减片进入CCD图像传感器，通过CCD图像传感器监测采样样品表面微结构；另一部分光束将透过分束片进入隔离器；

3）透射型材料的表面微结构监测：移出光垃圾桶，转动旋转底座将分束片转至与入射激光成135度夹角处，激光通过分束片，一部分光束透过分束片打在样品台上的样品上，另一部分光束则被反射到第一反射镜上，再经第二反射镜和第三反射镜，最终将这部分光束反射至样品的背面，透过样品再次被分束片反射经衰减片进入CCD图像传感器，通过CCD图像传感器监测采样样品表面微结构，多余光进入隔离器。

本发明的有益效果在于：本发明同步监测泵浦光斑与样品表面微结构的装置及调整方法，构成简单，容易操作。在实际操作过程中，只需要依据实际实验情况调整分束片的位置，就可实现监测泵浦光斑与样品表面微结构实验装置的调整，从而实现监测泵浦光斑与反射及透射型样品表面微结构实验装置之间的快速转换。

附图说明

图1为本发明同步监测泵浦光斑与样品表面微结构装置结构示意图；

图2为本发明监测泵浦光斑的装置结构示意图；

图3为本发明监测反射型材料表面微结构的装置结构示意图；

图4为本发明监测透射型材料表面微结构的装置结构示意图。

具体实施方式

如图1所示同步监测泵浦光斑与样品表面微结构装置结构示意图，由激光光源1，隔离器2，透镜3，旋转底座4，分束片5，衰减片6，CCD图像传感器7，样品台8，二维步进电机 9，第一反射镜10，第二反射镜11，第三反射镜12。其中，第一反射镜10，第二反射镜11以及第三反射镜12用于监测透射型材料的光路中，而监测反射型材料的光路中则不需要这三个反射镜；激光光源1发出的激光通过透镜3后聚焦在安装在样品台8上的样品上；分束片5固定在旋转底座4上，样品台8固定在二维电机9上，二维电机9选用左右和上下移动的二维步进电机。

如图2所示监测泵浦光斑装置结构示意图，通过转动旋转底座4将分束片5转至位置A处（与入射激光成45度夹角），此时用光垃圾桶13挡在样品台前，激光通过分束片5，一部分光束被反射经衰减片6进入CCD图像传感器7，通过CCD7监测泵浦光斑，另一部分光束透过分束片5进入光垃圾桶13中。

如图3所示监测反射型材料表面微结构装置结构示意图，通过转动旋转底座4将分束片5转至位置B处（与入射激光成135度夹角），用光垃圾桶13挡在分束片上方，激光通过分束片5，一部分光束透过分束片5打在样品台8上的样品上，另一部分光束则被反射进入光垃圾桶13中；由于样品为反射型，部分激光被反射回来，一部分光束被分束片5反射经衰减片6进入CCD图像传感器7，通过CCD图像传感器7监测样品表面微结构，另一部分光束将透过分束片5进入隔离器2，从而避免了这部分光束对激光光源1的干扰。此时，如需观测泵浦光斑，只需将分束片5转至位置A处（与入射激光成45度夹角），并用光垃圾桶挡13在样品前，装置其余部分无需任何调整。

如图4所示监测透射型材料表面微结构的装置结构示意图，通过转动旋转底座4将分束片5转至位置B处（与入射激光成135度夹角），激光通过分束片5，一部分光束透过分束片5打在样品台8上的样品上，另一部分光束则被反射到第一反射镜10上，再经第二反射镜11和第三反射镜12，最终将这部分光束反射至样品的背面，由于样品为透射型样品，这部分光束将透过样品再次被分束片5反射经衰减片6进入CCD图像传感器7，通过CCD7监测样品表面微结构，同样隔离器2避免了其余的光束对激光光源1的干扰。此时，如需观测泵浦光斑，只需将分束片5转至位置A处（与入射激光成45度夹角），并用光垃圾桶挡在样品前，装置其余部分无需任何调整，分束片的分光比例可根据实际情况可自行调整选用。

在下面的实例中，运用同步监测泵浦光斑与样品表面微结构的装置监测泵浦光斑以制备微结构材料前监测泵浦光斑为例，运用同步监测泵浦光斑与样品表面微结构的装置监测反射型样品表面微结构的实验以制备黑硅材料为例，运用同步监测泵浦光斑与样品表面微结构的装置监测透射型样品表面微结构的实验以制备玻璃板材料为例。

飞秒激光器输出光中心波长为800 nm，脉冲宽度为100 fs，重复频率为1 KHz，透镜的焦距为1 m，透镜距样品台的距离为95 cm，光斑半径为75 μm，分束片采用5%的分束片，具体调节过程如下：

监测光斑：在制备微结构材料之前需要监测一下泵浦光斑以确定激光器是否正常，转动旋转底座4将分束片5转置位置A处，此时一部分光束被分束片5反射经衰减片6进入CCD图像传感器7，通过CCD图像传感器7可以监测泵浦光斑，另一部分光束透过分束片5进入光垃圾桶13，通过CCD图像传感器7观测泵浦光斑，如果光斑正常则可以进行后续实验，如果光斑异常则可以对前面的光路以及激光器的状态进行检查调整。

监测反射型材料表面微结构：将硅片安装在样品台8上，转动旋转底座4将分束片5转至位置B处，通过二维电机9移动硅片的位置，激光透过分束片5就可以在硅片样品上制备所需的黑硅材料，激光被分束片反射的那部分光束进入光垃圾桶13中。同时由于硅片是一种反射型材料，照射在硅片上的激光部分会被反射回去，被反射回去的光束又会被分束片5反射经衰减片6进入CCD图像传感器7，通过CCD图像传感器7就可以在制备黑硅材料的同时监测其样品的表面微结构；在制备的过程中如需观测泵浦光斑，只需将分束片调回到位置A即可通过CCD图像传感器7观测泵浦光斑。

监测透射型材料表面微结构：将玻璃板安装在样品台8上，转动旋转底座4将分束片5转至位置B处，通过二维电机移动玻璃板的位置，激光透过分束片5就可以在玻璃板样品上制备所需的材料。激光被分束片5反射的那部分光束经三个反射镜反射至样品的背面，由于玻璃板为透射型材料，这部分光束又会被分束片5反射经衰减片6进入CCD图像传感器7，通过CCD图像传感器7就可以监测其表面微结构；在制备的过程中可以随时将分束片5调回位置A观测泵浦光斑。

Claims (1)

1.一种同步监测泵浦光斑与样品表面微结构的装置调整方法，包括激光光源，隔离器，透镜，旋转底座，分束片，衰减片，CCD图像传感器，样品台，二维步进电机，第一反射镜，第二反射镜，第三反射镜，光垃圾桶；分束片固定在旋转底座上，可随旋转底座旋转角度，样品台固定在二维步进电机上；激光光源发出的激光沿水平方向依次经过隔离器、透镜、分束片聚焦样品台上，分束片下方，与激光垂直方向依次排衰减片和CCD图像传感器，经分束片反射激光垂直向上依次经过第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜后光反射回样品背面，光垃圾桶为移动件，用于遮挡光路，其特征在于，具体包括如下调整步骤：

1）监测泵浦光斑：转动旋转底座将分束片转至与入射激光成45度夹角处，将光垃圾桶放置在样品台前，激光通过分束片，一部分光束被反射经衰减片进入CCD图像传感器，通过CCD图像传感器监测捕捉泵浦光斑，另一部分光束透过分束片进入光垃圾桶中；

2）反射型材料的表面微结构监测：转动旋转底座将分束片转至与入射激光成135度夹角处，用光垃圾桶挡在分束片正上方，第一反射镜前；激光通过分束片，一部分光束透过分束片打在样品台上的样品上；部分激光被反射回来，经分束片反射后再经衰减片进入CCD图像传感器，通过CCD图像传感器监测采样样品表面微结构；另一部分光束将透过分束片进入隔离器；

3）透射型材料的表面微结构监测：移出光垃圾桶，转动旋转底座将分束片转至与入射激光成135度夹角处，激光通过分束片，一部分光束透过分束片打在样品台上的样品上，另一部分光束则被反射到第一反射镜上，再经第二反射镜和第三反射镜，最终将这部分光束反射至样品的背面，透过样品再次被分束片反射经衰减片进入CCD图像传感器，通过CCD图像传感器监测采样样品表面微结构，多余光进入隔离器。