[发明专利]一种基于飞秒激光技术的QCM晶振片修频方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种频率修正方法，更具体的是涉及一种采用飞秒激光技术修正石英晶体微量天平（QCM）晶振片频率的方法。

背景技术

石英晶体微量天平（QCM）是一种超高精度的测量系统，可用于测量质量、厚度、粘度等物理量，质量测量精度可达到10^-9g；测量基于石英晶振原理，根据Sauerbrey关系：△m=-k△f，即QCM中石英晶振片的晶振频率的改变正比于附着在晶振片上的质量，晶振频率增加说明附着质量的减小，而晶振频率减小说明附着质量的增加；因此附着于晶振片上的物质质量的微小变化可以通过测量晶振频率的变化而间接获得，绝大部分情况下由于晶振片表面附着其他物质其谐振频率是减小的；一般在测量时，晶振片工作在其额定的谐振频率，例如5 MHz，为了获得准确的质量变化精度，必须保证晶振片高度清洁，受污染的晶振片的谐振频率会发生改变，从而影响测量精度；另外，某些工业生产和实验中，特别是镀膜工艺中，晶振片也会与其他基底材料一起被镀上一层金属或非金属薄膜，从而检测镀膜质量；对于通常材质的薄膜，可以用一般化学清洗的方法去除，但是，当晶振片上被镀上的薄膜以及可能附着的其他杂质难以用一般化学清洗方法去除时，就需要考虑采用特种方法进行处理，使晶振片重新工作在标准频率下，从而保证测量精度，同时延长晶振片的使用次数。

本发明正是用于解决这一特殊技术问题的，利用飞秒激光在材料加工中的微损伤特点，可以对难清洗的QCM晶振片表面进行处理，将其谐振频率修正到需要的额定频率。

发明内容

本发明的目的是提供一种石英晶体微量天平晶振片频率修正方法，通过采用飞秒激光作用晶振片表面去除表面上难以用一般化学方法去除的镀膜或其它物质，从而使晶振片重新工作在标准频率下，保证测量精度，延长晶振片的使用次数。

本发明所述的方法按照以下步骤实现：

首先将激光泵浦源产生的激光光源引入飞秒激光器的谐振腔，经过谐振和放大后产生并输出飞秒激光，获得的飞秒激光经过全反射镜反射后改变路径方向，经过衰减镜将能量衰减至较小能量，再穿过开启的光闸，然后通过聚焦镜，最后作用在晶振片表面上；晶振片表面的金薄膜及其上附着的杂质在飞秒激光的作用下局部形成等离子体或气体，并脱离晶振片表面，使晶振片等效质量减小；与此同时，晶振片被固定在三维移动台上；三维移动台由相互正交的三个微米精度的直线步进电机配置而成，在与其连接的计算机的控制下，可完成前后、左右和上下三个方向的直线移动；通过移动三维移动台，使飞秒激光焦点始终位于晶振片表面，同时通过三维移动台的移动，带动固定在三维移动台上的晶振片相对于激光焦点移动，从而使激光可以均匀而连续地作用于晶振片表面上的不同位置，并形成一条连续的作用路径；随着激光作用路径长度的增加，晶振片表面被去除的物质质量也逐渐增加，因此根据Sauerbrey关系：△m=-k△f，晶振片频率也逐渐增加，从而达到频率修正的目的。

要实现本发明的效果需要用到：激光泵浦源、飞秒激光器、全反射镜、衰减镜、光闸、聚焦镜、晶振片、三维移动台和计算机；以上关键部件组成一套基于飞秒激光技术的QCM晶振频率修正装置；激光泵浦源和飞秒激光器用于产生飞秒激光；全反射镜、衰减镜、光闸和聚焦镜用于调整和控制激光光路；三维移动台用于调整和控制固定在三维移动台上的晶振片的位置；光闸的开启和关闭、三维移动台的移动均通过计算机控制来实现。

为了实现发明的效果，激光通量                                                应满足：<<，其中，和分别为金属镀层和晶振石英的临界损伤域值；例如金镀层的临界损伤域值约为0.47 J/㎝²，而石英材料的临界损伤域值要比金属材料高2个数量级以上，因此激光通量的选择具有较宽的范围；另外，由于金属镀膜熔点高于石英的熔点，它将先于晶振石英被蒸发, 吸收的能量被消耗在金属镀膜的蒸发上, 绝大部分都不能传递给晶振石英；而石英材料的透光性较好，几乎不吸收激光能量，因此金属镀膜被去除的同时晶振石英可以保持原有性能。

为了实现发明的效果，三维移动台的移动速度要求匀速，速度大于0并小于1.0 mm/s；这样当镀膜均匀时，晶振片上去除的质量与飞秒激光扫过的路径长度呈严格的线性关系，同时也与光闸的开启时间也呈严格的线性关系；因此，实际操作中利用该线性关系，保持移动速度一定，而控制光闸开启时间，这样可以方便和精确地预测和控制频率修正量。

本发明的有益效果是：