[发明专利]一种采用汇聚飞秒激光制备原位电镜样品的装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及材料激光微区加工领域和原位电镜样品制备领域，具体涉及一种利用微束飞秒激光对制备的样品进行精细加工的装置和方法，可以按图纸编程加工各种材料，可以针对不同样品采用不同的加工方式，有多种样品台可供选择。

背景技术

随着激光技术的不断发展，激光器的性能也得到不断的改善，激光与物质相互作用的研究引起人们的高度重视，激光加工技术也取得巨大进展。

20世纪90年代初，随着宽带可调谐激光晶体和自锁摸技术的出现，飞秒激光技术得到突飞猛进的发展。以掺钛蓝宝石为代表的新一代飞秒激光器，输出光脉冲的持续时间最短可至5fs，激光中心波长位于近红外波段(800nm左右)，特别是借助啁啾脉冲放大技术，单个脉冲能量从几个纳焦放大至几百豪焦，甚至焦耳量级，此时脉冲的峰值功率可达GW或TW，再经过聚焦后的功率密度为10¹⁵～10¹⁸W/cm²，甚至更高。具有如此高峰值功率和极短持续时间的光脉冲与物质相互作用时，能够以极快的速度将其全部能量注入到很小的作用区域，瞬间内高能量密度沉积将使电子的吸收和运动方式发生变化，避免激光线性吸收、能量转移和扩散等的影响，从而在根本上改变激光与物质相互作用的机制，使飞秒脉冲激光加工成为具有超高精度、超高空间分辨率和超高广泛性的非热熔“冷”处理过程，开创激光加工的崭新领域。

目前，在原位电镜样品制备的领域，主要的技术方法有以下四种：机械切割、线切割、传统激光和聚焦离子束。对于块体材料的原位电镜样品制备仍采用传统的机械加工/线切割法，对于样品的塑性和机加工性有较高的要求，对于特殊部位的样品进行精确定位较为困难，且存在二次污染、边缘效应、制样成功率低等一系列问题，严重制约原位电镜研究工作的效率和结果的可靠性。而普通连续激光、纳秒激光甚至皮秒激光加工方法，由于其光热效应，使材料加工边缘出现较大面积的重熔、再结晶和氧化反应等行为，而无法作为合适的原位电极样品。聚焦离子束制备原位电镜样品的方法，虽然可以极大的消除边缘效应，达到纳米级别的加工精度，但其设备成本极高，且加工效率极低，并不能较大范围的推广和应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种采用汇聚飞秒激光制备原位电镜样品的装置和方法，可以按图纸编程，数控切割加工各种形状的样品，且加工精度可达亚微米级。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种采用汇聚飞秒激光制备原位电镜样品的装置，该装置包括：飞秒激光器及汇聚扫描系统、样品台机械数控移动系统、共轴显微观察定位系统、计算机集中数据监控及可视化系统、减震系统及防护系统，激光光源的飞秒激光从激光器中发出后，经过多级激光组合镜头汇聚后，与普通光光源的普通冷光经由不同的接口以同轴光的形式，接入到共轴显微观察定位系统；共轴显微观察定位系统和样品台机械数控移动系统通过USB线或网线与计算机集中数据监控及可视化系统相连，具体结构如下：

激光光源和普通光光源分别通过一个接口以同轴光的形式，通过光缆接入激光汇聚及显微观察系统，并且激光光源和普通光光源通过电动切换开关进行切换；激光汇聚及显微观察系统与CCD摄像头的输入端连接，CCD摄像头的输出端和运动控制器的输入端通过USB线或网线与计算机连接，进行显微观察定位和数控编程；激光汇聚及显微观察系统配备不同倍数的长焦物镜，针对不同样品和加工要求进行观察选择；激光汇聚及显微观察系统设置于激光汇聚模块机械移动系统上，运动控制器的输出端与样品台机械数控移动系统连接，样品台机械数控移动系统设置于气浮减震平台上，气浮减震平台的进气端与气泵连接。

所述的采用汇聚飞秒激光制备原位电镜样品的装置，飞秒激光器及汇聚扫描系统，包括：一台飞秒激光器，其由飞秒激光振荡器、泵浦源和飞秒激光放大器三部分配套组成，发射脉宽<400fs，单脉冲能量>50μJ的超快激光；一套安装于激光器出光口的组合镜头，用于对飞秒激光光斑进行第一级缩小。

所述的采用汇聚飞秒激光制备原位电镜样品的装置，共轴显微观察定位系统，包括一个激光光缆接口、一个普通光光缆接口、电动同轴光光源切换开关、一个激光CCD摄像头、普通显微镜目镜、物镜和一组不同倍率的超长焦距物镜配套而成，通过共轴显微观察定位系统对光纤里的激光进行二次汇聚。