CN108225885B - 一种微区激光加热装置及加热方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种微区激光加热装置及加热方法。该微区激光加热装置包括：激光特性确定模块，用于根据样品的当前待加热微区的参数，得到加热所需激光的第一特性参数；控制器，与激光特性确定模块电连接，用于根据第一特性参数生成控制信号；激光输出模块，与控制器电连接，用于根据控制信号输出激光，以加热样品的待加热微区。本发明实施例提供的微区激光加热装置及加热方法，可以实现对高通量组合材料样品待加热微区精确加热，且避免待加热微区相邻区域材料受热引起周边区域出现相变或由于加热引起样品内部分子或原子迁徙而产生组分污染，可应用于低维度、高密度材料的热处理或相变研究。

Description

一种微区激光加热装置及加热方法

技术领域

本发明实施例涉及材料处理技术领域，尤其涉及一种微区激光加热装置及加热方法。

背景技术

上世纪90年代，一种先进的材料科学研究手段——高通量组合材料实验技术兴起，该技术受集成电路芯片及基因芯片研究的启发，将单一小面积的衬底上集成成千上万种不同材料，形成高通量组合材料芯片以供研究人员研究，大大降低了样品和能源的消耗。

目前薄膜材料等低维度材料的相变研究主要还是通过传统加热炉进行加热。由于低维度材料的尺寸较小，材料发生相变的速度快(部分材料发生相变的时间尺度在纳秒级)，传统的加热炉进行相变研究已经不能满足工艺要求。同时，随着高通量组合材料芯片技术的发展，单个芯片上存在各种不同组分的材料，不同组分材料的熔点各不相同，若同时放入加热炉中进行相变研究，由于相邻组分之间的间距在百微米量级，可能随着温度升高导致芯片上低熔点区域开始熔化对相邻区域组分产生污染。

发明内容

本发明提供一种微区激光加热装置及加热方法，以实现对高通量组合材料样品待加热微区精确加热，且避免待加热微区相邻区域材料受热引起周边区域出现相变或由于加热引起样品内部分子或原子迁徙而产生组分污染，可应用于低维度、高密度材料的热处理或相变研究。

第一方面，本发明实施例提供一种微区激光加热装置，包括：

激光特性确定模块，用于根据样品的当前待加热微区参数，得到加热所需激光的第一特性参数；

控制器，与所述激光特性确定模块电连接，用于根据所述第一特性参数生成控制信号；

激光输出模块，与所述控制器电连接，用于根据所述控制信号输出激光，以加热所述样品的当前待加热微区。

可选的，所述激光的第一特性参数为激光输出特性参数。

可选的，该微区激光加热装置还包括：

光束检测模块，与所述激光特性确定模块电连接，用于检测所述激光输出模块实际输出的激光的第二特性参数，并将所述第二特性参数传输至所述激光特性确定模块；

所述激光特性确定模块，还用于根据所述第二特性参数和所述第一特性参数，对所述控制信号进行修正。

可选的，所述光束检测模块包括示波器与束斑质量分析仪。

可选的，该微区激光加热装置还包括：

温度检测模块，与所述激光特性确定模块电连接，用于检测当前所述待加热微区的实际温度，并将所述实际温度传输至所述激光特性确定模块；

所述激光特性确定模块，还用于根据当前所述待加热微区的实际温度，对所述控制信号进行修正。

可选的，该微区激光加热装置还包括：

样品支撑台，用于放置样品；

样品支撑台移动模块，与所述样品支撑台相连，用于改变所述样品支撑台与所述激光输出模块的相对位置，以将所述样品上待加热微区依次露置于所述激光输出模块形成的激光中。

可选的，该微区激光加热装置还包括：

光路调整模块，包括扩束镜、缩束镜、分束镜、反射镜、滤光片、偏振片、光阑中的一种或多种，所述光路调整模块位于所述激光输出模块形成的激光的传播路径上，用于调整所述激光的传播路径。

第二方面，本发明实施例提供一种微区激光加热方法，该方法包括如下步骤：

提供样品，所述样品包括当前待加热微区；

根据所述样品的当前待加热微区参数，得到加热所需激光的第一特性参数；

根据所述第一特性参数生成控制信号；

根据所述控制信号输出激光，以加热所述样品的当前待加热微区。

可选的，根据所述控制信号输出激光，以加热所述样品的当前待加热微区之后，还包括：

检测激光输出模块实际输出的激光的第二特性参数，根据所述第二特性参数和所述第一特性参数，对所述控制信号进行修正。

可选的，所述根据所述控制信号输出激光，以加热所述样品的当前待加热微区之后，还包括：

检测当前所述待加热微区的实际温度，并将所述实际温度传输至激光特性确定模块，根据当前所述待加热微区的实际温度，对所述控制信号进行修正。

本发明实施例通过激光特性确定模块根据样品的当前待加热微区参数，得到加热所需激光的第一特性参数；利用控制器根据第一特性参数生成控制信号；激光输出模块根据控制信号输出激光，实现对样品的待加热微区精确加热，且避免待加热微区相邻区域材料受热引起周边区域出现相变或由于加热引起样品内部分子或原子迁徙而产生组分污染，可应用于低维度、高密度材料的热处理或相变研究。

附图说明

图1是本发明实施例一提供的微区激光加热装置的结构示意图；

图2是本发明实施例二提供的微区激光加热方法的流程图；

图3是本发明实施例三提供的微区激光加热装置的结构示意图；

图4是本发明实施例三中采用平顶光和高斯光加热样品时光斑内温度的空间和时间曲线示意图；

图5是本发明实施例三中采用平顶光加热样品时样品温度-时间曲线及所施加的功率系数曲线关系

的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

实施例一

图1所示为本发明实施例一提供的微区激光加热装置的结构示意图，本实施例提供的微区激光加热装置包括：

激光特性确定模块10，用于根据样品的当前待加热微区参数，得到加热所需激光的第一特性参数；控制器20，与激光特性确定模块10电连接，用于根据第一特性参数生成控制信号；激光输出模块30，与控制器20电连接，用于根据控制信号输出激光，以加热样品的当前待加热微区。

可以理解的是，激光特性包括激光的波长、功率、光束形状等特性，举例来说，激光特性确定模块10可以是计算机，根据样品的当前待加热微区的形状、热扩散系数、热导率、光吸收及反射特性、需要加热达到的温度等参数，计算出微区加热所需激光的第一特性参数，其中第一特性参数包括激光的波长、功率、持续时间、光束形状等参数。控制器20将第一特性参数转化为控制信号，控制激光输出模块30输出符合第一特性参数要求的激光。其中激光输出模块30可以包括激光器与调制器，激光器可以为固体激光器、液体激光器、气体激光器、半导体激光器或光纤激光器的一种；调制器可以采用电光调制器、声光调制器、空间光调制器等，本领域技术人员可以根据需要灵活选择。根据样品待加热微区的特性，选择合适的激光输出模块30，根据控制器20的控制信号输出用于微区加热所需的激光。

本发明实施例提供的微区激光加热装置，通过激光特性确定模块根据样品的当前待加热微区参数，得到加热所需激光的第一特性参数；利用控制器根据第一特性参数生成控制信号；激光输出模块根据控制信号输出激光，实现对样品的待加热微区精确加热，且避免待加热微区相邻区域材料受热引起周边区域出现相变或由于加热引起样品内部分子或原子迁徙而产生组分污染，可应用于低维度、高密度材料的热处理或相变研究。

可选的，激光的第一特性参数为激光输出特性参数。

可以理解的是，激光输出特性包括激光输出波长、输出功率、持续时间、光束形状等，根据待加热微区材料性能参数及加热工艺参数确定。

可选的，该微区激光加热装置还包括：光束检测模块40，与激光特性确定模块10电连接，用于检测激光输出模块30实际输出的激光的第二特性参数，并将第二特性参数传输至激光特性确定模块10；激光特性确定模块10，还用于根据第二特性参数和第一特性参数，对控制信号进行修正。

可以理解的是，激光的第二特性参数包括激光输出模块30实际输出的激光脉冲能量、脉宽、频率、时域波形、光束空间分布形状等信息，激光输出模块30实际输出激光可能与理论值存在差别，通过第二特性参数与第一特性参数对比，修正控制信号以调整激光输出模块30的输出，可以提高微区激光加热装置的可靠性。

可选的，光束检测模块40包括示波器与束斑质量分析仪。

可以理解的是，示波器与束斑质量分析仪用于检测激光输出模块30输出激光的第二特性参数，并将第二特性参数数据传输到激光特性确定模块10。

可选的，该微区激光加热装置还包括：温度检测模块50，与激光特性确定模块10电连接，用于检测当前待加热微区的实际温度，并将实际温度传输至激光特性确定模块10；激光特性确定模块10，还用于根据当前待加热微区的实际温度，对控制信号进行修正。

温度检测模块可以是红外温度传感器、热电偶温度传感器等，根据待加热微区的温度范围灵活选择。通过对待加热微区实际温度与理论温度比较，计算出温度误差，并通过激光特性确定模块10进行修正，可以提高微区激光加热装置的可靠性。

可选的，该微区激光加热装置还包括：样品支撑台60，用于放置样品；样品支撑台移动模块70，与样品支撑台60相连，用于改变样品支撑台60与激光输出模块30的相对位置，以将样品上待加热微区依次露置于激光输出模块30形成的激光中。

可以理解的是，高通量组合材料芯片上集成有多种材料，为了实现对不同微区进行加热，需要设置样品支撑台和带动支撑台的移动模块，以提高微区激光加热装置的通用性。当然，也可以设置固定的支撑台，将移动模块设置到激光输出模块，通过移动激光输出模块改变激光加热光斑位置，实现不同微区加热。

可选的，该微区激光加热装置还包括：光路调整模块80，包括扩束镜、缩束镜、分束镜、反射镜、滤光片、偏振片、光阑中的一种或多种，光路调整模块80位于激光输出模块30形成的激光的传播路径上，用于调整激光的传播路径。

可以理解的是，在实际应用过程中，可能由于微区激光加热装置的体积限制，需要改变激光传播方向，还可能需要将光路分束到光束检测模块50等，通过光路调整模块80可以增加微区激光加热装置的通用性。

实施例二

图2所示为本发明实施例二提供的微区激光加热方法的流程图，本实施例提供的方法可以由上述实施例提供的微区激光加热装置实施，该方法包括如下步骤：

步骤110，提供样品，样品包括当前待加热微区。

步骤120，根据样品的当前待加热微区参数，得到加热所需激光的第一特性参数。

步骤130，根据第一特性参数生成控制信号。

步骤140，根据控制信号输出激光，以加热样品的当前待加热微区。

可以理解的是，样品的当前待加热微区参数包括微区的形状、热扩散系数、热导率、光吸收及反射特性、需要加热达到的温度等参数，第一特性参数包括激光的脉冲能量、脉宽、频率、脉冲能量的空间和时间分布等参数。

本发明实施例提供的微区激光加热方法，首先根据样品的当前待加热微区参数，得到加热所需激光的第一特性参数；然后根据第一特性参数生成控制信号；再根据控制信号输出激光，实现样品的待加热微区精确加热，且避免待加热微区相邻区域材料受热引起周边区域出现相变或由于加热引起样品内部分子或原子迁徙而产生组分污染，可应用于低维度、高密度材料的热处理或相变研究。

可选的，继续参见图2，在步骤140之后，还包括：

步骤150，检测激光输出模块实际输出的激光的第二特性参数，根据第二特性参数和第一特性参数，对控制信号进行修正。

可以理解的是，激光的第二特性参数包括激光输出模块实际输出的脉冲能量、脉宽、频率、脉冲能量的空间和时间分布等信息，激光输出模块实际输出激光可能与理论值存在差别，通过第二特性参数与第一特性参数对比，修正控制信号以调整激光输出模块的输出，可以提高微区激光加热装置的可靠性。

可选的，继续参见图2，在步骤140之后，还包括：

步骤160，检测当前待加热微区的实际温度，并将实际温度传输至激光特性确定模块，根据当前待加热微区的实际温度，对控制信号进行修正。

通过对待加热微区实际温度与理论温度比较，计算出温度误差，并通过激光特性确定模块进行修正，可以提高微区激光加热装置的可靠性。

需要说明的是，上述步骤150和步骤160可以任选其一执行，也可以步骤150和步骤160都执行。若步骤150和步骤160都执行，在执行的过程中，步骤150与步骤160不限定先后顺序，都在步骤140之后，执行所有步骤有助于提高微区激光加热装置的可靠性。

实施例三

图3所示为本发明实施例三提供的微区激光加热装置的结构示意图。本实施例可以以上述实施例为基础，提供了一种具体实例。

本实施例提供的微区激光加热装置包括激光特性确定模块100、控制器200、激光输出模块300、光束检测模块400、温度检测模块500、样品支撑台600、样品支撑台移动模块700以及光路调整模块800。

具体地，如图3所示，激光特性确定模块100为计算机，激光输出模块300包脉冲时域调制器301、空间光调制器302以及激光器303，光束检测模块400包括示波器401和束斑质量分析仪402，光路调整模块800包括分束镜801和反射镜802，激光确定模块100分别与控制器200、光束检测模块400、温度检测模块500以及样品支撑台移动模块700电连接，光束检测模块400位于分束镜801的反射光路上，样品位于反射镜802的反射光路上。

本实施例提供的微区激光加热装置的原理为：

由于低维度材料纵向传热深度相对光斑尺寸非常小，加热模型可以按照半无限模型进行简化，计算模型如公式：

其中，α表示材料的热扩散系数；k表示材料的热导率；δ表示材料的光吸收系数；I₀(x,t)表示激光输出功率；R表示材料反射率(若有能量透过加热材料，需考虑透过能量损失)；T(x,t)表示样品在特定位置，特定时间的温度值；η表示激光从激光器发出到达被加热材料表面损失系数；

表示关于时间和空间的系数函数。

公式(1)中与材料相关的系数α、k、δ、η以及激光输出函数I₀(x,t)和预设定的温度T(x,t)均作为已知量输入到计算机热仿真模拟软件中进行计算，由于采用有限元方法进行计算，计算时需根据工艺要求设定合适的容差，最终获得

的最优数值解。

根据系数函数

的最优数值解调节激光的输出功率并对输出激光进行空间整形和时域整形，从而使待加热微区域温度分布和温度随时间的变化曲线满足要求。

本实施例以11μs脉宽的脉冲激光加热1μm铜薄膜(SiO₂基底)为例，介绍微区激光加热装置的工作过程：

首先，根据铜材料的热物性、光吸收特性以及材料的加热工艺要求，通过计算机根据公式(1)计算出所需激光的第一特性参数(时域及空间波形)。由于铜材料对1064nm波长的光吸收较高且反射率低，本实施例激光器可以采用掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)激光器，计算机根据激光的第一特性参数，控制控制器200产生控制信号，脉冲时域调制器301和空间光调制器302根据控制信号调节激光器303的输出，使输出的脉冲符合计算要求。通过示波器401和束斑质量分析仪402可以观察激光输出的第二特性参数，并将结果反馈回计算机，由计算机对第二特性参数与第一特性参数进行对比，若存在偏差，通过控制器200输出修正信号使脉冲时域调制器301或空间光调制器302对激光器303输出进行修正。调节好激光的空间和时域波形后，激光通过反射镜802改变激光路径后加热铜薄膜样品。该装置还可配合快速反馈温度的温度检测模块500，并将实际温度反馈与预设温度值进行比较。若存在偏差可将实际温度曲线与计算模型进行对比，对模拟参数或模型进行修正，并按修正后的激光能量曲线加热样品，再监测加热区域温度，直至满足工艺要求。

为了实现对不同微区进行加热，需要设置样品支撑台600和带动样品支撑台600运动的样品支撑台移动模块700，样品支撑台移动模块700可以与计算机100电连接，利用计算机100实现精确移动，以提高微区激光加热装置的通用性。

图4所示为采用平顶光和高斯光加热样品时光斑内温度的空间和时间曲线示意图。图4中激光脉宽τ＝11μs，光斑大小d＝35μm，平顶光和高斯光均加热1μm铜薄膜到相同的最高温度。

图5所示为采用平顶光加热样品时样品温度-时间曲线及所施加的功率系数曲线关系

的示意图。图5中激光脉宽τ＝11μs，光斑大小d＝35μm，采用平顶光光斑加热1μm铜薄膜。

本实施例提供的微区激光加热装置可同时实现脉冲激光加热区域的温度分布在一定程度内的空间分布上的均匀和时间分布上的恒定，可应用于低维度、高密度材料的热处理或相变研究。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种微区激光加热装置，其特征在于，包括：

激光特性确定模块，用于根据样品的当前待加热微区参数，得到加热所需激光的第一特性参数；

控制器，与所述激光特性确定模块电连接，用于根据所述第一特性参数生成控制信号；

激光输出模块，与所述控制器电连接，用于根据所述控制信号输出激光，以加热所述样品的待加热微区；

所述第一特性参数根据如下公式确定：

其中，α表示材料的热扩散系数；k表示材料的热导率；δ表示材料的光吸收系数；I₀(x,t)表示激光输出功率；R表示材料反射率；T(x,t)表示样品在特定位置，特定时间的温度值；η表示激光从激光器发出到达被加热材料表面损失系数；

表示关于时间和空间的系数函数。

2.根据权利要求1所述的微区激光加热装置，其特征在于，所述激光的第一特性参数为激光输出特性参数。

3.根据权利要求1所述微区激光加热装置，其特征在于，还包括：

光束检测模块，与所述激光特性确定模块电连接，用于检测所述激光输出模块实际输出的激光的第二特性参数，并将所述第二特性参数传输至所述激光特性确定模块；

所述激光特性确定模块，还用于根据所述第二特性参数和所述第一特性参数，对所述控制信号进行修正。

4.根据权利要求3所述的微区激光加热装置，其特征在于，所述光束检测模块包括示波器与束斑质量分析仪。

5.根据权利要求1所述的微区激光加热装置，其特征在于，还包括：

温度检测模块，与所述激光特性确定模块电连接，用于检测当前所述待加热微区的实际温度，并将所述实际温度传输至所述激光特性确定模块；

所述激光特性确定模块，还用于根据当前所述待加热微区的实际温度，对所述控制信号进行修正。

6.根据权利要求1所述的微区激光加热装置，其特征在于，还包括：

样品支撑台，用于放置样品；

样品支撑台移动模块，与所述样品支撑台相连，用于改变所述样品支撑台与所述激光输出模块的相对位置，以将所述样品上待加热微区依次露置于所述激光输出模块形成的激光中。

7.根据权利要求1所述的微区激光加热装置，其特征在于，还包括：

光路调整模块，包括扩束镜、缩束镜、分束镜、反射镜、滤光片、偏振片、光阑中的一种或多种，所述光路调整模块位于所述激光输出模块形成的激光的传播路径上，用于调整所述激光的传播路径。

8.一种微区激光加热方法，采用权利要求1～7任一所述的微区激光加热装置执行，其特征在于，包括如下步骤：

提供样品，所述样品包括当前待加热微区；

根据所述样品的当前待加热微区参数，得到加热所需激光的第一特性参数；

根据所述第一特性参数生成控制信号；

根据所述控制信号输出激光，以加热所述样品的当前待加热微区。

9.根据权利要求8所述的微区激光加热方法，其特征在于，所述根据所述控制信号输出激光，以加热所述样品的当前待加热微区之后，还包括：

检测激光输出模块实际输出的激光的第二特性参数，根据所述第二特性参数和所述第一特性参数，对所述控制信号进行修正。

10.根据权利要求8所述的微区激光加热方法，其特征在于，所述根据所述控制信号输出激光，以加热所述样品的当前待加热微区之后，还包括：

检测当前所述待加热微区的实际温度，并将所述实际温度传输至激光特性确定模块，根据当前所述待加热微区的实际温度，对所述控制信号进行修正。

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