本實用新型涉及一種激光掃描裝置，具體涉及一種應(yīng)用于激光濺射離子源的激光掃描裝置。

背景技術(shù)：

激光濺射離子源作為一種穩(wěn)定的質(zhì)譜離子源，正在被廣泛使用。此離子源的原理是利用一束脈沖激光束照射金屬靶材產(chǎn)生離子，配合脈沖閥將離子送往后面的質(zhì)譜分析部分。實驗過程中發(fā)現(xiàn)，若激光束持續(xù)照射靶材上同一點，靶材上很快會被“轟擊”出一個深孔，導(dǎo)致產(chǎn)生的離子無法有效輸送到下一級，探測器觀測到的信號明顯減弱甚至觀測不到信號，就需要頻繁更換靶材，給使用帶來極大不便。所以必須設(shè)法使激光照射在靶材的不同部位，充分利用靶材的有效面積。目前應(yīng)用較多的解決方法是移動靶材，即靶材作二維移動或繞固定軸旋轉(zhuǎn)，讓激光照射靶材的不同部位。

如圖1所示，圖1為激光濺射離子源示意圖。光窗1用壓環(huán)2固定在基座零件3上，光窗1一般采用高透光率的石英玻璃制造，無色透明。靶材4可被基座5帶動沿圖中箭頭方向移動，再配合另一個方向的移動，從而改變在靶材4上的激光濺射作用區(qū)7，因此理論上激光束可照射到靶材4所有表面。但此裝置存在一個較大缺陷，在實際使用過程中發(fā)現(xiàn)靶材接合面6在移動或旋轉(zhuǎn)過程中或多或少總存在間隙，由噴閥提供的載氣可從接合面6泄露，帶出濺射產(chǎn)生的離子，導(dǎo)致信號減弱或消失。而接合面6間隙是由機械配合的固有性質(zhì)決定，可減小但無法完全消除，漏氣現(xiàn)象必然存在。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型旨在解決上述因移動靶材導(dǎo)致漏氣的缺陷，實現(xiàn)激光束在能夠照射靶材的全部有效面積同時，還不會存在因漏氣導(dǎo)致的信號減弱或消失的缺陷，提供一種應(yīng)用于激光濺射離子源的激光掃描裝置。

本實用新型的解決方案是：一種應(yīng)用于激光濺射離子源的激光掃描裝置，其包括：安裝靶材的基座零件；發(fā)出激光束濺射靶材的激光器；安裝激光器且驅(qū)動激光器升降的升降臺；將該激光束反射至靶材的激光濺射作用區(qū)上的反射鏡；安裝反射鏡且驅(qū)動反射鏡旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)臺，反射鏡的旋轉(zhuǎn)面垂直于激光器的升降軌跡。

作為上述方案的進一步改進，反射鏡的旋轉(zhuǎn)角度范圍為[－θ,θ]，當(dāng)反射鏡的旋轉(zhuǎn)角度為0時，該激光束從激光器到反射鏡再到靶材的總光程等于該激光束的焦距，當(dāng)反射鏡的旋轉(zhuǎn)角度分別為－θ和θ時，該激光束分別濺射在靶材的激光濺射作用區(qū)的水平寬度方向的相對兩側(cè)上。

進一步地，升降臺的升降高度范圍滿足該激光束的濺射能覆蓋靶材的激光濺射作用區(qū)的整個垂直高度。

作為上述方案的進一步改進，反射鏡的安裝角度滿足反射鏡的初始位置與該激光束成45度夾角。

作為上述方案的進一步改進，通過控制旋轉(zhuǎn)臺和升降臺的前后啟動順序以及運行時間，使該激光束采用行列掃描方式在靶材上完成整個激光濺射作用區(qū)的濺射、或采用旋渦掃描方式在靶材上完成整個激光濺射作用區(qū)的濺射。

作為上述方案的進一步改進，該激光掃描裝置還包括安裝在基座零件上的光窗，該激光束透過光窗濺射在靶材上。

進一步地，該激光掃描裝置還包括壓環(huán)一，光窗通過壓環(huán)一安裝在基座零件上。

作為上述方案的進一步改進，該激光掃描裝置還包括壓環(huán)二，靶材通過壓環(huán)二安裝在基座零件上。

作為上述方案的進一步改進，旋轉(zhuǎn)臺為利用步進電機控制蝸桿轉(zhuǎn)動，從而驅(qū)動蝸輪轉(zhuǎn)動以實現(xiàn)安裝在該渦輪上的平臺進行旋轉(zhuǎn)的電控旋轉(zhuǎn)臺，反射鏡安裝在該平臺上。

作為上述方案的進一步改進，升降臺為利用步進電機控制滾珠絲杠轉(zhuǎn)動，從而驅(qū)動安裝在該滾珠絲杠上的螺母上的楔形塊推動安裝臺面進行上下升降的電控升降臺，激光器安裝在該安裝臺面上。

本實用新型的激光掃描裝置主要應(yīng)用于激光濺射離子源，通過旋轉(zhuǎn)臺驅(qū)動旋轉(zhuǎn)反射鏡實現(xiàn)該激光束在靶材的激光濺射作用區(qū)的整個水平寬度上的濺射，通過升降臺驅(qū)動升降激光器實現(xiàn)該激光束在靶材的激光濺射作用區(qū)的整個垂直高度上的濺射。因而無需移動靶材，實現(xiàn)激光束在能夠照射靶材的全部有效面積的同時，還不會存在因漏氣導(dǎo)致的信號減弱或消失的缺陷，徹底解決傳統(tǒng)因移動靶材導(dǎo)致漏氣的缺陷。

另外本實用新型可以通過控制旋轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)角度和升降臺的升降高度，實現(xiàn)激光束的有效連續(xù)性濺射，提高工作效率；并且通過控制旋轉(zhuǎn)臺和升降臺的前后啟動順序以及運行時間，使該激光束采用行列掃描方式在靶材上完成整個激光濺射作用區(qū)的濺射、或采用旋渦掃描方式在靶材上完成整個激光濺射作用區(qū)的濺射。因此本實用新型結(jié)構(gòu)簡單，應(yīng)用方式卻非常靈活，最為關(guān)鍵的是徹底解決了因移動靶材引起漏氣的弊端。

附圖說明

圖1為傳統(tǒng)激光掃描裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本實用新型較佳實施例提供的激光掃描裝置的立體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為圖2的剖視示意圖，為了更好的展示其內(nèi)部情況，對觀看視角做了調(diào)整，實際相互位置關(guān)系以附圖2所展示的位置關(guān)系為準(zhǔn)。

圖4為圖2中激光掃描裝置的激光束的掃描路徑示意圖。

圖5為圖2中激光掃描裝置的激光束的另一種掃描路徑示意圖。

具體實施方式

為了使本實用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本實用新型進行進一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本實用新型，并不用于限定本實用新型。

本實用新型的激光掃描裝置主要應(yīng)用于激光濺射離子源，請一并參閱圖2及圖3，激光掃描裝置包括基座零件12、激光器16、升降臺17、反射鏡14、旋轉(zhuǎn)臺15、光窗13、壓環(huán)一18、壓環(huán)二19。

基座零件12主要用于安裝靶材11，靶材11可以通過壓環(huán)二19安裝在基座零件12上。激光器16發(fā)出的激光束濺射靶材11上，通過基座零件12安裝的噴閥載氣來實現(xiàn)運輸靶材11因受濺射而產(chǎn)生的離子?？赏ㄟ^設(shè)置光窗13在基座零件12上的安裝實現(xiàn)在密封離子通道的同時，不影響激光束的濺射。光窗13可以通過壓環(huán)一18安裝在基座零件12上。當(dāng)然，在其他實施例中，壓環(huán)一18和壓環(huán)二19都還可以采用黏結(jié)、卡位等方式固定在基座零件12上。

激光器16安裝在升降臺17上，由升降臺17驅(qū)動升降。反射鏡14安裝在旋轉(zhuǎn)臺15上，由旋轉(zhuǎn)臺15驅(qū)動旋轉(zhuǎn)。反射鏡14的旋轉(zhuǎn)面垂直于激光器16的升降軌跡。

本實用新型的激光掃描裝置在使用時，通過旋轉(zhuǎn)臺15驅(qū)動旋轉(zhuǎn)反射鏡14實現(xiàn)該激光束在靶材11的激光濺射作用區(qū)的整個水平寬度上的濺射，通過升降臺17驅(qū)動升降激光器16實現(xiàn)該激光束在靶材11的激光濺射作用區(qū)的整個垂直高度上的濺射。因而無需移動靶材11，解決傳統(tǒng)因移動靶材導(dǎo)致漏氣的缺陷，實現(xiàn)激光束在能夠照射靶材的全部有效面積的同時，還不會存在因漏氣導(dǎo)致的信號減弱或消失的缺陷。

旋轉(zhuǎn)臺15可為利用步進電機控制蝸桿轉(zhuǎn)動，從而驅(qū)動蝸輪轉(zhuǎn)動以實現(xiàn)安裝在該渦輪上的平臺進行旋轉(zhuǎn)的電控旋轉(zhuǎn)臺，反射鏡14安裝在該平臺上。升降臺17可為利用步進電機控制滾珠絲杠轉(zhuǎn)動，從而驅(qū)動安裝在該滾珠絲杠上的螺母上的楔形塊推動安裝臺面進行上下升降的電控升降臺，激光器16安裝在該安裝臺面上。

在本實施例中，激光器16安裝在一個可垂直升降的精密的電控升降臺上，反射鏡14安裝在一個精密的電控旋轉(zhuǎn)臺上，電控升降臺利用步進電機控制滾珠絲杠轉(zhuǎn)動從而驅(qū)動安裝在絲杠螺母上的楔形塊推動安裝臺面進行上下運動，其運動機構(gòu)是步進電機和絲杠螺母。電控旋轉(zhuǎn)臺利用步進電機控制蝸桿轉(zhuǎn)動從而驅(qū)動蝸輪轉(zhuǎn)動實現(xiàn)安裝在渦輪上的平臺進行轉(zhuǎn)動，其運動機構(gòu)是步進電機和蝸輪蝸桿。步進電機可通過專門的驅(qū)動電路，利用計算機控制轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，這樣就可以在計算機上控制電控升降臺實現(xiàn)升降運動和電控旋轉(zhuǎn)臺實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動。如圖2所示，安裝在電控升降臺上的激光器16可以進行上下運動，那么激光束隨之上下運動，安裝在電控旋轉(zhuǎn)臺上的反射鏡14可以進行旋轉(zhuǎn)運動，那么反射鏡14反射出的激光束隨之進行旋轉(zhuǎn)運動，并且可推導(dǎo)出激光束的轉(zhuǎn)動角速度是反射鏡14的轉(zhuǎn)動角速度的兩倍。

反射鏡14的旋轉(zhuǎn)角度范圍為[－θ,θ]，當(dāng)反射鏡14的旋轉(zhuǎn)角度為0時，該激光束從激光器16到反射鏡14再到靶材11的總光程等于該激光束的焦距，當(dāng)反射鏡14的旋轉(zhuǎn)角度分別為－θ和θ時，該激光束分別濺射在靶材11的激光濺射作用區(qū)的水平寬度方向的相對兩側(cè)上。故，反射鏡14的旋轉(zhuǎn)角度范圍滿足該激光束的光程能維持在該激光束的焦距左右，從而使該激光束的濺射能覆蓋靶材11的激光濺射作用區(qū)的整個水平寬度。

升降臺17的升降高度范圍滿足該激光束的濺射能覆蓋靶材11的激光濺射作用區(qū)的整個垂直高度。通過控制旋轉(zhuǎn)臺15的旋轉(zhuǎn)角度(也就是反射鏡14的旋轉(zhuǎn)角度)和升降臺17的升降高度(也就是激光器16的升降高度)，實現(xiàn)激光束的有效連續(xù)性濺射，提高工作效率。

由于該激光束從激光器16到靶材11的光程等于該激光束的焦距時，該激光束在靶材11上的光斑能力最強，能激發(fā)出更多的離子，因此，該焦距的前后數(shù)值范圍越大，離子濃度的濃度差越大。因此該焦距的前后數(shù)值范圍比較小，適合尺寸較小的靶材11，該焦距的前后數(shù)值范圍最佳為J－1.5mm～J+1.5mm，其中J為該激光束的焦距。當(dāng)然，只要能滿足離子濃度的精度范圍，該焦距的前后數(shù)值范圍可以隨意調(diào)節(jié)。

反射鏡14的安裝角度盡量滿足反射鏡14的初始位置與該激光束成45度夾角。這樣可以使激光器16、反射鏡14、靶材11的光斑濺射點分布在一直角三角形的三個頂點處，而且保證了激光束從激光器16到靶材11的光程等于激光束的焦距，即直角三角形的兩直角邊長之和等于激光束焦距。因此，可以很容易的做到反射鏡14的旋轉(zhuǎn)角度處于焦距的前后數(shù)值范圍內(nèi)。

通過控制旋轉(zhuǎn)臺15和升降臺17的前后啟動順序以及運行時間，使該激光束采用行列掃描方式在靶材11上完成整個激光濺射作用區(qū)的濺射、或采用旋渦掃描方式在靶材11上完成整個激光濺射作用區(qū)的濺射。

行列掃描方式有正向和反向兩種行列掃描方式，如圖4所示，正向行列掃描方式：先驅(qū)動反射鏡14完成對靶材11的水平寬度上的行掃描，再驅(qū)動升降臺17上升一定高度完成對靶材11的相應(yīng)垂直高度上的列掃描，接著驅(qū)動反射鏡14反方向旋轉(zhuǎn)完成對靶材11的水平寬度上的回程行掃描，之后驅(qū)動升降臺17上升一定高度完成對靶材11的相應(yīng)垂直高度上的列掃描，這樣一節(jié)行程結(jié)束，連續(xù)執(zhí)行此節(jié)行程完成整個靶材11的激光濺射作用區(qū)的濺射。旋轉(zhuǎn)臺15和升降臺17的前后啟動順序是固定的，旋轉(zhuǎn)臺15和升降臺17的運行時間也是固定的。

具體地，調(diào)節(jié)激光器16的上下位置和反射鏡14的角度位置使激光束照射在靶材11的一角，比如A點，然后控制精密旋轉(zhuǎn)電控平臺帶動反射鏡14旋轉(zhuǎn)使激光束從靶材11的一邊“掃射”到對邊，激光束到達B點，實現(xiàn)激光束對靶材11“行”的掃描。此時停止反射鏡14的旋轉(zhuǎn)運動同時控制電控升降臺帶動激光器16向上平移使激光束向上移動，從靶材11的一行移動到另一行，激光束到達C點，實現(xiàn)激光束對靶材11“列”的掃描。此時停止激光器16的升降運動同時控制電控旋轉(zhuǎn)臺帶動反射鏡14旋轉(zhuǎn)使激光束從當(dāng)前位置“掃射”到對邊，重復(fù)以上步驟，就可以達到激光束對靶材11有效面積進行全掃描。

旋渦掃描方式有正向和反向兩種旋渦掃描方式，如圖5所示，正向旋渦掃描方式：先驅(qū)動反射鏡14完成對靶材11的水平寬度上的行掃描，再驅(qū)動升降臺17上升完成對靶材11的整個垂直高度上的列掃描，接著驅(qū)動反射鏡14反方向旋轉(zhuǎn)完成對靶材11的水平寬度上的回程行掃描，之后驅(qū)動升降臺17下降完成對靶材11的一定垂直高度上的列掃描，這樣一節(jié)行程結(jié)束，連續(xù)執(zhí)行此節(jié)行程完成整個靶材11的激光濺射作用區(qū)的濺射。旋轉(zhuǎn)臺15和升降臺17的前后啟動順序是固定的，只是旋轉(zhuǎn)臺15和升降臺17的運行時間是變化的，避免回字形循環(huán)。旋渦掃描方式是另一種掃描路徑，原理基本和行列掃描方式相同不再贅述。圖4及圖5只是為示意性畫法，實際激光束的路徑要緊湊得多。

本實用新型結(jié)構(gòu)簡單，不需要使用復(fù)雜的靶材頂緊機構(gòu)，且由于實際使用靶材11的尺寸均較小，轉(zhuǎn)動反射鏡14帶來的光程變化和對激光束的焦點位置的影響幾乎可以忽略不計，反射鏡14的轉(zhuǎn)動角度θ，出射光線隨之偏轉(zhuǎn)2θ，旋轉(zhuǎn)反射鏡14的旋轉(zhuǎn)臺15只需在一個較小的范圍內(nèi)運動，可實現(xiàn)更快速的掃描運動，徹底解決了因移動靶材11引起漏氣的弊端。

以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，并不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。