[發(fā)明專利]一種采用匯聚飛秒激光制備原位電鏡樣品的裝置和方法

在審

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• 申請日: 2017-10-20
• 公開（公告）號: CN107745197A
• 公開（公告）日: 2018-03-02
• 發(fā)明（設計）人: 譚軍;王忠良;趙洋;靳群;邰凱平;姜辛
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學院金屬研究所
• 主分類號: B23K26/70
• 分類號: B23K26/70;B23K26/03
• 代理公司: 沈陽優(yōu)普達知識產(chǎn)權(quán)代理事務所(特殊普通合伙)21234
• 代理人: 張志偉

技術領域

本發(fā)明涉及材料激光微區(qū)加工領域和原位電鏡樣品制備領域，具體涉及一種利用微束飛秒激光對制備的樣品進行精細加工的裝置和方法，可以按圖紙編程加工各種材料，可以針對不同樣品采用不同的加工方式，有多種樣品臺可供選擇。

背景技術

隨著激光技術的不斷發(fā)展，激光器的性能也得到不斷的改善，激光與物質(zhì)相互作用的研究引起人們的高度重視，激光加工技術也取得巨大進展。

20世紀90年代初，隨著寬帶可調(diào)諧激光晶體和自鎖摸技術的出現(xiàn)，飛秒激光技術得到突飛猛進的發(fā)展。以摻鈦藍寶石為代表的新一代飛秒激光器，輸出光脈沖的持續(xù)時間最短可至5fs，激光中心波長位于近紅外波段(800nm左右)，特別是借助啁啾脈沖放大技術，單個脈沖能量從幾個納焦放大至幾百豪焦，甚至焦耳量級，此時脈沖的峰值功率可達GW或TW，再經(jīng)過聚焦后的功率密度為10¹⁵～10¹⁸W/cm²，甚至更高。具有如此高峰值功率和極短持續(xù)時間的光脈沖與物質(zhì)相互作用時，能夠以極快的速度將其全部能量注入到很小的作用區(qū)域，瞬間內(nèi)高能量密度沉積將使電子的吸收和運動方式發(fā)生變化，避免激光線性吸收、能量轉(zhuǎn)移和擴散等的影響，從而在根本上改變激光與物質(zhì)相互作用的機制，使飛秒脈沖激光加工成為具有超高精度、超高空間分辨率和超高廣泛性的非熱熔“冷”處理過程，開創(chuàng)激光加工的嶄新領域。

目前，在原位電鏡樣品制備的領域，主要的技術方法有以下四種：機械切割、線切割、傳統(tǒng)激光和聚焦離子束。對于塊體材料的原位電鏡樣品制備仍采用傳統(tǒng)的機械加工/線切割法，對于樣品的塑性和機加工性有較高的要求，對于特殊部位的樣品進行精確定位較為困難，且存在二次污染、邊緣效應、制樣成功率低等一系列問題，嚴重制約原位電鏡研究工作的效率和結(jié)果的可靠性。而普通連續(xù)激光、納秒激光甚至皮秒激光加工方法，由于其光熱效應，使材料加工邊緣出現(xiàn)較大面積的重熔、再結(jié)晶和氧化反應等行為，而無法作為合適的原位電極樣品。聚焦離子束制備原位電鏡樣品的方法，雖然可以極大的消除邊緣效應，達到納米級別的加工精度，但其設備成本極高，且加工效率極低，并不能較大范圍的推廣和應用。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種采用匯聚飛秒激光制備原位電鏡樣品的裝置和方法，可以按圖紙編程，數(shù)控切割加工各種形狀的樣品，且加工精度可達亞微米級。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術方案如下：

一種采用匯聚飛秒激光制備原位電鏡樣品的裝置，該裝置包括：飛秒激光器及匯聚掃描系統(tǒng)、樣品臺機械數(shù)控移動系統(tǒng)、共軸顯微觀察定位系統(tǒng)、計算機集中數(shù)據(jù)監(jiān)控及可視化系統(tǒng)、減震系統(tǒng)及防護系統(tǒng)，激光光源的飛秒激光從激光器中發(fā)出后，經(jīng)過多級激光組合鏡頭匯聚后，與普通光光源的普通冷光經(jīng)由不同的接口以同軸光的形式，接入到共軸顯微觀察定位系統(tǒng)；共軸顯微觀察定位系統(tǒng)和樣品臺機械數(shù)控移動系統(tǒng)通過USB線或網(wǎng)線與計算機集中數(shù)據(jù)監(jiān)控及可視化系統(tǒng)相連，具體結(jié)構(gòu)如下：

激光光源和普通光光源分別通過一個接口以同軸光的形式，通過光纜接入激光匯聚及顯微觀察系統(tǒng)，并且激光光源和普通光光源通過電動切換開關進行切換；激光匯聚及顯微觀察系統(tǒng)與CCD攝像頭的輸入端連接，CCD攝像頭的輸出端和運動控制器的輸入端通過USB線或網(wǎng)線與計算機連接，進行顯微觀察定位和數(shù)控編程；激光匯聚及顯微觀察系統(tǒng)配備不同倍數(shù)的長焦物鏡，針對不同樣品和加工要求進行觀察選擇；激光匯聚及顯微觀察系統(tǒng)設置于激光匯聚模塊機械移動系統(tǒng)上，運動控制器的輸出端與樣品臺機械數(shù)控移動系統(tǒng)連接，樣品臺機械數(shù)控移動系統(tǒng)設置于氣浮減震平臺上，氣浮減震平臺的進氣端與氣泵連接。

所述的采用匯聚飛秒激光制備原位電鏡樣品的裝置，飛秒激光器及匯聚掃描系統(tǒng)，包括：一臺飛秒激光器，其由飛秒激光振蕩器、泵浦源和飛秒激光放大器三部分配套組成，發(fā)射脈寬<400fs，單脈沖能量>50μJ的超快激光；一套安裝于激光器出光口的組合鏡頭，用于對飛秒激光光斑進行第一級縮小。

所述的采用匯聚飛秒激光制備原位電鏡樣品的裝置，共軸顯微觀察定位系統(tǒng)，包括一個激光光纜接口、一個普通光光纜接口、電動同軸光光源切換開關、一個激光CCD攝像頭、普通顯微鏡目鏡、物鏡和一組不同倍率的超長焦距物鏡配套而成，通過共軸顯微觀察定位系統(tǒng)對光纖里的激光進行二次匯聚。