雷射加熱裝置及雷射加熱系統的製作方法

2023-06-05 18:51:46

本實用新型涉及晶片熱處理領域，尤其涉及一種雷射加熱裝置及雷射加熱系統。

背景技術：

組合材料晶片是在指在一塊基片上同時集成生長成千上萬種不同組分的材料，其組分是根據已有材料數據進行的自定義設計。組合材料晶片的大小為1inch到3inch，包含至少5100個樣品點，每一個樣品點的大小不超過250um*250um。

材料相圖是材料結構-成分-熱學條件的關聯圖，體現了材料科學的最本質內涵，是我們認知自然規律的基本數據和發現新材料的藏寶圖。傳統相圖繪製的實驗方法是一次合成一個樣品、表徵一個樣品，不僅耗費大量的人力物力，而且用於針對組合材料晶片製成的材料相圖不能保證系統的完整度，如果我們需要更加高效的通過組合材料晶片來繪製材料相圖，就需要對組合材料晶片上的每個樣品點進行精準加熱，然後實時監測原位像素點物相的演變，但是現有雷射器通過Q開關選擇輸出功率，對雷射功率調節度有限，因此不能按照需要功率加熱組合材料晶片樣品。

技術實現要素：

本實用新型實施例通過提供一種雷射加熱裝置及雷射加熱系統，解決了現有雷射加熱裝置對雷射功率調節度有限的技術問題。

第一方面，本實用新型實施例提供了一種雷射加熱裝置，包括：脈衝雷射器，旋轉夾持組件，半波片，偏振分光鏡，雷射功率計，聚焦組件，反射鏡組；

所述半波片固定在所述旋轉夾持組件上，用於接收所述脈衝雷射器發出的雷射脈衝，所述旋轉夾持組件帶動所述半波片旋轉以改變所述雷射脈衝的方向，所述偏振分光鏡用於對被上述半波片改變方向後的雷射脈衝分成第一雷射分量和第二雷射分量，所述聚焦組件用於對所述第一雷射分量進行聚焦；所述雷射功率計用於計量所述第二雷射分量的雷射功率，所述反射鏡組用於反射所述聚焦組件聚焦過來的光束以對準待處理的組合材料晶片樣品的一個樣品點進行加熱。

優選的，所述雷射加熱裝置還包括擴束鏡；

所述擴束鏡設置在所述偏振分光鏡與所述聚焦組件之間，通過所述擴束鏡擴大所述第一雷射分量的光束直徑和減小所述第一雷射分量的發散角。

優選的，所述半波片的中心、所述偏振分光鏡的中心、所述擴束鏡的中心和所述聚焦組件的中心均在同一直線上。

優選的，所述旋轉夾持組件包括一級電動旋轉夾持器；

所述半波片固定在所述一級電動旋轉夾持器上，所述一級電動旋轉夾持器帶動所述半波片在豎直平面旋轉以改變所述雷射脈衝的方向。

優選的，所述旋轉夾持組件還包括二級電動旋轉夾持器；

所述一級電動旋轉夾持器固定在所述二級電動旋轉夾持器上，所述二級電動旋轉夾持器的角解析度大於所述一級電動旋轉夾持器的角解析度，所述二級電動旋轉夾持器帶動所述一級電動旋轉夾持器在豎直平面旋轉以改變所述雷射脈衝的方向。

優選的，所述脈衝雷射器包括所述皮秒級脈衝雷射器、納秒級脈衝雷射器、微秒級脈衝雷射器中的至少一種。

優選的，所述聚焦組件包括:沿著聚焦光路方向依次設置的多個雷射聚焦鏡，通過所述多個雷射聚焦鏡依次聚焦所述第一雷射分量。

優選的，所述反射鏡組包括沿著反射光路設置的多個反射鏡。

第二方面，本實用新型實施例提供了一種雷射加熱系統，包括控制器第一 方面所述的雷射加熱裝置；

所述雷射加熱裝置包括：脈衝雷射器，旋轉夾持組件，半波片，偏振分光鏡，雷射功率計，聚焦組件，反射鏡組；所述半波片固定在所述旋轉夾持組件上，用於接收所述脈衝雷射器發出的雷射脈衝，所述旋轉夾持組件帶動所述半波片旋轉以改變所述雷射脈衝的方向，所述偏振分光鏡用於對被上述半波片改變方向後的雷射脈衝分成第一雷射分量和第二雷射分量，所述聚焦組件用於對所述第一雷射分量進行聚焦；所述雷射功率計用於計量所述第二雷射分量的雷射功率，所述反射鏡組用於反射所述聚焦組件聚焦過來的光束以對準待處理的組合材料晶片樣品的一個樣品點進行加熱；所述控制器與所述旋轉夾持組件電氣連接以控制所述半波片的旋轉角度；所述控制器與所述雷射功率計電氣連接以控制所述雷射功率計；所述控制器還與固定有所述組合材料晶片樣品的移動臺電氣連接，以控制所述移動臺進行移動。

本實用新型實施例中提供的一個或多個技術方案，至少具有如下技術效果或優點：

本實用新型實施例提供的雷射加熱裝置，通過旋轉夾持組件帶動半波片旋轉以改變脈衝雷射器發出的雷射脈衝的方向，從而改變雷射脈衝入射到偏振分光鏡的角度，偏振分光鏡對被上述半波片改變方向後的雷射脈衝分成第一雷射分量和第二雷射分量，改變入射到偏振分光鏡的角度就改變了第一雷射分量的雷射功率，從而實現了外部調節對組合材料晶片進行加熱的雷射功率，由於旋轉夾持組件的旋轉能帶動半波片的角度連續均勻改變，從而精準調整用於加熱的第一雷射分量的雷射功率，解決了現有雷射加熱裝置對雷射功率調節度有限的技術問題，使每次加熱後樣品區比上一次加熱結束後的升溫為固定溫度值，然後迅速冷卻到室溫，實現了每次逐步定量對組合材料晶片樣品的樣品點加熱。

而且由於避免了通過Q開關選擇雷射器的輸出功率，脈衝雷射器只需輸出恆定功率即可，因此減少了頻繁調節Q開關對脈衝雷射器的損害。

附圖說明

為了更清楚地說明本實用新型實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實用新型的實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據提供的附圖獲得其他的附圖。

圖1為本實用新型實施例中雷射加熱裝置的結構示意圖；

圖2為本實用新型實施例中第二實施例中旋轉夾持組件的結構示意圖。

具體實施方式

為使本實用新型實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本實用新型中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本實用新型保護的範圍。

參考圖1所示，本實用新型實施例提供的一種雷射加熱裝置，包括：脈衝雷射器1，旋轉夾持組件，半波片2，偏振分光鏡3，雷射功率計4，聚焦組件5和反射鏡組6。

半波片2固定在旋轉夾持組件上，半波片2用於接收脈衝雷射器1發出的雷射脈衝，旋轉夾持組件帶動半波片2旋轉以改變雷射脈衝的方向，偏振分光鏡3用於對被半波片2改變方向後的雷射脈衝分成第一雷射分量和第二雷射分量，聚焦組件5用於對第一雷射分量進行聚焦；雷射功率計4用於計量第二雷射分量的雷射功率，反射鏡組6用於反射聚焦組件5聚焦過來的光束以對準待處理的組合材料晶片樣品的一個樣品點10進行加熱。

進一步的，本實用新型實施例提供的雷射加熱裝置還包括擴束鏡7；擴束鏡7設置在偏振分光鏡3與聚焦組件5之間，擴束鏡7接收經偏振分光鏡3分 出的第一雷射分量，通過擴束鏡7擴大第一雷射分量的光束直徑和減小第一雷射分量7的發散角後，第一雷射分量入射到聚焦組件5。從而經擴束鏡7擴束後的光束可被聚焦組件5聚焦得更小，經擴束鏡7與聚焦組件5結合縮小了加熱光斑的直徑，進而能使雷射束的直徑不超過250um，能夠精準加熱組合材料晶片樣品的每個樣品點，而不會加熱到相鄰樣品點，保證了對加熱組合材料晶片樣品的逐點精準加熱，進而使相圖繪製結果更準確。

具體的，半波片2的中心、偏振分光鏡3的中心、擴束鏡7的中心和聚焦組件5的中心均在同一直線上。

脈衝雷射器1

脈衝雷射器1為輸出恆定頻率雷射脈衝的雷射器，比如，輸出1W，10W等恆定功率的雷射脈衝。具體的，脈衝雷射器1為皮秒級脈衝雷射器、納秒級脈衝雷射器、微秒級脈衝雷射器中的至少一種。具體的硬體為紅寶石雷射器，氮分子雷射器、準分子雷射雷射器、釔鋁石榴石雷射器、紅寶石雷射器、釹玻璃雷射器中的一種。

旋轉夾持組件

通過旋轉夾持組件帶動半波片2旋轉以改變脈衝雷射器1發出雷射脈衝的方向，經半波片2改變方向後的雷射脈衝與偏振分光鏡3形成所需角度入射到偏振分光鏡3。

參考圖1所示，在旋轉夾持組件的第一實施方式中，旋轉夾持組件包括一級電動旋轉夾持器8，半波片2固定在一級電動旋轉夾持器8上，由一級電動旋轉夾持器8帶動半波片2在豎直平面旋轉，以改變脈衝雷射器1發出雷射脈衝的方向。例如，一級電動旋轉夾持器8旋轉10度，則脈衝雷射器1發出雷射脈衝經過半波片2後的方向相對於經過半波片2之前的角度為10度。在具體實施過程中，一級電動旋轉夾持器8可以選擇不同角解析度的電動旋轉臺。比如，一級電動旋轉夾持器8為角解析度為1/5000的電動旋轉臺，則一級電動旋轉夾持器8每次的旋轉角度增量為0.072度；比如，一級電動旋轉夾持器8 為角解析度為1/3000的電動旋轉臺，則一級電動旋轉夾持器8每次的旋轉角度增量為0.12度。所設置的一級電動旋轉夾持器8的角分別率不同，則半波片2的單次旋轉角度增量不同，進而對第一雷射分量的雷射功率的單位功率增量不同。

參考圖2所示，在旋轉夾持組件的第二實施方式中，旋轉夾持組件包括：二級電動旋轉夾持器9和一級電動旋轉夾持器8。半波片2固定在一級電動旋轉夾持器8上，一級電動旋轉夾持器8固定在二級電動旋轉夾持器9上，二級電動旋轉夾持器9帶動一級電動旋轉夾持器在豎直平面旋轉以改變雷射器1發出雷射脈衝的方向，由一級電動旋轉夾持器8帶動半波片2在豎直平面旋轉，以改變脈衝雷射器1發出雷射脈衝的方向，且二級電動旋轉夾持器9的角解析度大於一級電動旋轉夾持器8的角解析度。因此二級電動旋轉夾持器9與一級電動旋轉夾持器8組成了對半波片2的粗調精調系統。比如，二級電動旋轉夾持器9的角解析度為1/360，一級電動旋轉夾持器8的角解析度為1/5000，則二級電動旋轉夾持器9每次的旋轉角度增量為1度，實現對半波片2快速的旋轉角度選擇，以粗調第一雷射分量的雷射功率，一級電動旋轉夾持器8每次的旋轉角度增量為0.072度，實現對半波片2的旋轉角度的準確定位，以精調第一雷射分量的雷射功率。

根據所選脈衝雷射器1的輸出功率和待處理的組合材料晶片樣品所需單次升溫能量來決定所選擇的二級電動旋轉夾持器9、一級電動旋轉夾持器8。例如從室溫加熱微區銅(質量為8.62*10e-9g)到相變點(相變點為銅熔點1083℃)通過理論計算單次升溫能量需要3.59J，每升高10℃需要0.0000000339J。則至少需要旋轉夾持組件有105900000個變化檔位，對應角解析度為(360/105900000)3.4e-6，則選擇角解析度為0.01度的一級電動旋轉夾持器8和角解析度為3e-6度的二級電動旋轉夾持器9。

半波片2

半波片2或者為兩個四分之一波片疊合組成，或者只有一個二分一波片。

偏振分光鏡3

經半波片2之後的雷射脈衝(功率為P0)入射到偏振分光鏡3，經偏振分光鏡3分成兩個正交的線性偏振分量：第一雷射分量與第二雷射分量。優選的，第一雷射分量為透射雷射分量，第二雷射分量為反射雷射分量。透射雷射分量的雷射功率為P0cosθ，反射雷射分量的雷射功率為P0sinθ。即：透射雷射分量經擴束鏡7擴大光束直徑和減小發散角後由聚焦組件5進行聚焦。對應的，雷射功率計4計量反射雷射分量的功率為P0sinθ。旋轉夾持組件根據雷射功率計4所計量的反射雷射分量的雷射功率P0sinθ旋轉，去精準調校用於加熱的透射雷射分量的雷射功率P0cosθ。

在另一實施方式中，第二雷射分量為透射雷射分量，第一雷射分量為反射雷射分量，即：反雷射分量經擴束鏡7擴大光束直徑和減小發散角後由聚焦組件5進行聚焦。對應的，雷射功率計4計量透射雷射分量的功率為P0cosθ。旋轉夾持組件根據雷射功率計4所計量的透射雷射分量的雷射功率P0cosθ旋轉，去精準調校用於加熱的反射雷射分量的雷射功率P0sinθ。

聚焦組件5

聚焦組件5包括沿著聚焦光路方向依次設置的多個雷射聚焦鏡，通過多個雷射聚焦鏡依次聚焦第一雷射分量。設置的雷射聚焦鏡個數與聚焦光斑直徑匹配，設置的雷射聚焦鏡的個數以能夠將擴束鏡7後出射的雷射的光斑直徑聚焦至不大於250um為準。

反射鏡組6包括沿著反射光路設置的多個反射鏡片，用於改變聚焦光速的方向，使得對準加熱組合材料晶片樣品的所要加熱的一個樣品點10。反射鏡組6至少由兩個反射鏡片成。組合材料晶片樣品固定於移動臺上。反射鏡組6調整聚焦組件5聚焦過來的光束以對準待處理的組合材料晶片樣品的位置後反射鏡組6固定不動。通過移動臺的移動精確控制光斑的輻照位置,使得反射聚焦組件5聚焦過來的光束依次對準待處理的組合材料晶片的每個樣品點。

基於同一發明構思，本實用新型實施例還提供了一種雷射加熱系統，包括 控制器，以及前述實施例提供的雷射加熱裝置。

參考圖1和圖2所示，該雷射加熱裝置包括：脈衝雷射器1，旋轉夾持組件，半波片2，偏振分光鏡3，雷射功率計4，聚焦組件5，反射鏡組6。

半波片2固定在旋轉夾持組件上，半波片2用於接收脈衝雷射器1發出的雷射脈衝，旋轉夾持組件帶動半波片2旋轉以改變雷射脈衝的方向，偏振分光鏡3用於對被上述半波片2改變方向後的雷射脈衝分成第一雷射分量和第二雷射分量，聚焦組件5用於對第一雷射分量進行聚焦；雷射功率計4用於計量第二雷射分量的雷射功率，反射鏡組6用於反射聚焦組件5聚焦過來的光束以對準待處理的組合材料晶片樣品的一個樣品點10進行加熱。

該雷射加熱裝置的結構請參考前述雷射加熱裝置的實施例，為了說明書的簡潔，本實施例不再贅述。

控制器與旋轉夾持組件電氣連接，通過控制器控制旋轉夾持組件帶動半波片2進行旋轉，以控制半波片2的旋轉角度；

控制器與雷射功率計4電氣連接，控制雷射功率計4進行計量第二雷射分量的雷射功率，控制器還與固定有組合材料晶片樣品的移動臺電氣連接，以控制所述移動臺進行移動。通過控制器控制移動臺的移動，移動臺的移動精確控制光斑的輻照位置，使得反射聚焦組件5聚焦過來的光束依次對準待處理的組合材料晶片的每個樣品點。

通過上述本實用新型實施例中提供的一個或多個技術方案，至少具有如下技術效果或優點：

本實用新型實施例提供的雷射加熱裝置，通過旋轉夾持組件帶動半波片旋轉以改變脈衝雷射器發出的雷射脈衝的方向，從而改變雷射脈衝入射到偏振分光鏡的角度，偏振分光鏡對被上述半波片改變方向後的雷射脈衝分成第一雷射分量和第二雷射分量，改變入射到偏振分光鏡的角度就改變了第一雷射分量的雷射功率，從而實現了外部調節對組合材料晶片進行加熱的雷射功率，由於旋轉夾持組件的旋轉能帶動半波片的角度連續均勻改變，從而精準調整用於加熱 的第一雷射分量的雷射功率，解決了現有雷射加熱裝置對雷射功率調節度有限的技術問題，使每次加熱後樣品區比上一次加熱結束後的升溫為固定溫度值，然後迅速冷卻到室溫，實現了每次逐步定量對組合材料晶片樣品的樣品點加熱。

而且由於避免了通過Q開關選擇雷射器的輸出功率，脈衝雷射器只需輸出恆定功率即可，因此減少了頻繁調節Q開關對脈衝雷射器的損害。

儘管已描述了本實用新型的優選實施例，但本領域內的技術人員一旦得知了基本創造性概念，則可對這些實施例作出另外的變更和修改。所以，所附權利要求意欲解釋為包括優選實施例以及落入本實用新型範圍的所有變更和修改。

顯然，本領域的技術人員可以對本實用新型進行各種改動和變型而不脫離本實用新型的精神和範圍。這樣，倘若本實用新型的這些修改和變型屬於本實用新型權利要求及其等同技術的範圍之內，則本實用新型也意圖包含這些改動和變型在內。