專利名稱：一種用于深紫外激光器與光發射電子顯微鏡連接的連接桿的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種利用磁力作用原理調節封閉體系內光學元件的方法，利用此方法實現封閉體系中光路的有效調節。該方法可以實現從高壓，常壓，到超高真空等不同氣氛中光路的連接和光路的調整，應用于光學儀器、真空儀器等設備中。施用于深紫外激光和紫外激光光源與光發射電子顯微鏡(PEEM)的連接，實現了 PEEM用的深紫外激光和紫外激光等激發光源的光路的有效調節，應用于表面化學、表面物理、薄膜生長、集成電路等表面科學研究和應用領域。
背景技術：
許多光學元件常常需要置于封閉體系中，為了實現光路的調整，需要對這些光學元件進行有效地操控。如何在封閉系統之外對這些光學元件進行有效的調控在很多情況下是需要解決的一個難題。我們利用磁力作用原理，通過內置軟鐵磁體和外置硬鐵磁體之間的磁力耦合來對內置于封閉體系中的光學元件進行有效調控，這為許多光學儀器、真空儀器等系統中光學元件的調節提供了一條簡單而有效的途徑。例如，深紫外激光和紫外激光具有亮度高、方向性好、單色性好、相干性好等特點， 特別是其波長短、能量高。這些優點使其在光電子能譜、光電子發射顯微鏡、拉曼光譜、熒光光譜、光化學、光刻微加工等技術領域有著重要的應用。但是由于深紫外激光和紫外激光在空氣中存在很強的吸收，并且這些激光對人體也有一定的危害，因此需要將深紫外激光和紫外激光光路置于封閉體系中，處于真空或惰性氣體保護的條件下。同時，激光光源與相關的顯微鏡、光譜儀等裝置的連接需要采用真空腔體密封的方式。相比較于紅外、可見等激光光路，其調節可以在開放的環境下進行，利用光學支架來調節各種光學透鏡的幾何位置，實現光路的聚焦、偏轉等功能。但是對深紫外激光和紫外激光而言，對處于封閉體系中的各種光學元件進行調控則存在一定的困難，如何實現對激光光路的有效調節對深紫外激光和紫外激光的應用將是一個挑戰。解決的途徑之一是將透鏡及透鏡支架固定在封閉系統中，利用外控馬達對光路進行調節。但是光學透鏡支架需要較大的空間，使得整個光路系統體積龐大；此外，外控馬達對光路調節比較有限，并且控制復雜，價格昂貴。特別是，有些光路需要在高真空甚至超高真空條件下工作，這樣對光學支架、調控馬達、外接電纜等材料要求較高，在很多情況下實際上無法滿足超高真空的兼容性。因此，亟需發展一種簡單的方法對處于真空或氣體保護狀態下的深紫外激光光路進行有效的調節。在許多真空系統中為了實現在高真空或超高真空條件下的樣品傳遞，通常采用在真空腔體外置磁力環來控制樣品傳遞的方式。外置磁力環為硬磁體與真空腔體外壁緊密接觸，真空腔體內部與之相互作用的為軟磁體材料。樣品傳遞結構單元則固定在真空系統內的軟磁體材料上。這種方法實現了在真空系統之外對樣品進行操控但是又不破壞真空系統中的真空狀態。基于相似的原理我們發明了一種光路調節裝置，實現在封閉體系之外對深紫外激光和紫外激光進行聚焦、偏轉等調控，并設計了一種用于深紫外激光和紫外激光光源與光發射電子顯微鏡(PEEM)進行對接的裝置。此裝置用于深紫外激光PEEM，是利用高強度、波長為177. 3nm的激光作為激發光源獲得高分辨的PEEM圖像。設計光路在真空或流動的氮氣氣氛下進行傳播，所以需要在封閉體系內進行光路的調節。為了獲取超高真空環境，一般采用刀口法蘭加無氧銅墊圈的密封方式。兩端用刀口法蘭密封的不銹鋼連接裝置有可能實現深紫外激光在傳播時的無衰減。在連接裝置內部安裝光學透鏡等元件用于實現深紫外激光的聚焦、光路偏轉、光學偏振等功能。利用外置硬磁鐵體與處于封閉體系中內置光學透鏡間的磁力耦合作用來調節光路，通過這種磁力作用進行外控調節的方式實現封閉體系內的光學元件的操控是一種簡單、實用、高效的途徑。該方法及利用該方法設計的連接裝置除了用于深紫外激光和紫外激光光源與光發射電子顯微鏡(PEEM)的連接外，在光電子能譜、拉曼光譜、熒光光譜、光化學、光刻微加工等系統與激光連接也會有廣泛的應用。
發明內容
本發明提供一種用于深紫外激光器與光發射電子顯微鏡連接的連接桿，用于深紫外激光和紫外激光光源與光發射電子顯微鏡的連接，實現在該連接裝置外部有效調節裝置中的激光光路。為了實現深紫外激光在封閉體系內的調節，本發明采用的技術方案為一種用于深紫外激光器與光發射電子顯微鏡連接的連接桿，包括徑向截面為圓筒形的連接桿體，硬磁體環、光學元件、軟磁體材料的不銹鋼滑塊；硬磁體環穿套于連接桿體的外部，硬磁體環的內圈為圓形、并與連接桿體同軸；于連接桿體的內部與硬磁體環相對應的位置處設有光學元件，光學元件為透鏡， 透鏡的主光軸與連接桿體同軸；不銹鋼滑塊為圓環形，不銹鋼滑塊與光學元件相固接，并與連接桿體同軸設置，不銹鋼滑塊可沿連接桿體的軸向滑動、并可沿連接桿體的徑向轉動。于所述的硬磁體環的外側壁上包裹有磁力屏蔽罩；所述光學元件通常為圓形透鏡；光學元件和不銹鋼滑塊通過圓環形卡帽固定連接，于卡帽的一端端面上設有拉取柱；于不銹鋼滑塊的兩端固接有聚四氟乙烯環，聚四氟乙烯環的外徑大于不銹鋼滑塊的外徑；于連接桿體的兩端設有分別用于與深紫外激光器和光發射電子顯微鏡對接的刀口法蘭。連接桿的兩端均采用刀口法蘭密封；于靠近光發射電子顯微鏡一端的刀口法蘭上設有放氣閥；閥門安裝在連接桿的遠離深紫外激光器一側的刀口法蘭側面，避免了在充入流動氣氛時死體積的產生；于硬磁體環或磁力屏蔽罩的外側壁上設置有用于與連接桿體定位的固定螺栓。所述連接桿體上的硬磁體環、光學元件和軟磁體材料的不銹鋼滑塊為1組或2組以上。所述不銹鋼連接桿形成一個封閉體系，兩端用刀口法蘭并可以與其他系統相連接。其中一端與深紫外激光和紫外激光光源相連，另一端與處于超高真空狀態的PEEM系統相連。本發明具有如下特點1.本發明提出利用磁力作用原理調節置于封閉體系內光學元件的新方法，此方法簡單、有效，易于實現；2.本發明實現了在封閉體系外部對處于封閉體系內部的光學元件進行有效調控， 用于深紫外激光與光發射電子顯微鏡的連接，有效地控制深紫外激光入射到PEEM系統中的樣品表面上；3.本發明實現的裝置結構簡單，安裝和維護簡便，適用于從常壓至超高真空等條件；
圖1是深紫外激光器與PEEM的連接裝置的整體結構示意圖。包括1 放氣閥；2 刀口法蘭；3 硬磁體環；4 連接桿體；5 固定螺栓。光學元件組件置于連接桿的內部。圖2是置于封閉的連接裝置內部的光學元件組件(連接桿內部的部分)和置于封閉的連接裝置外部的硬磁鐵組件(連接桿外部的部分)的結構示意圖。包括3 硬磁體環； 4 連接桿體；6 聚四氟乙烯環；7 光學元件；8 卡帽；9 軟磁體材料的不銹鋼滑塊；10 拉取柱。圖3是Ru (0001)單晶表面的深紫外激光PEEM圖像。通過外控的方式操控置于連接桿內部的CaF2聚焦透鏡。光學透鏡處于準直狀態得到樣品表面上的實際PEEM圖像(圖 3a)；調整光學透鏡使得其處于非準直狀態，由于激光光路偏轉產生衍射現象，所得圖像為激光衍射所產生的條紋結構，沒有得到樣品表面的PEEM圖像(圖北)。圖4是生長在Ru(OOOl)單晶表面上的金屬1 島深紫外激光PEEM圖像。通過外控的方式前后拉動連接桿內部的CaF2聚焦透鏡，調節激光的聚焦狀態。透鏡焦點位于樣品表面時能夠得到亮度較高的PEEM圖像(圖4a)；將透鏡拉遠使得其處于非聚焦狀態則得到亮度較低的PEEM圖像(圖4b)。
具體實施例方式如圖1和2所示，一種用于深紫外激光器與光發射電子顯微鏡連接的連接桿，包括徑向截面為圓筒形的連接桿體4，硬磁體環3、光學元件7、軟磁體材料的不銹鋼滑塊9 ；硬磁體環3穿套于連接桿體4的外部，硬磁體環3的內圈為圓形、并與連接桿體4 同軸； 于連接桿體4的內部與硬磁體環3相對應的位置處設有光學元件7，光學元件7為透鏡，透鏡的主光軸與連接桿體4同軸；不銹鋼滑塊9為圓環形，不銹鋼滑塊與光學元件7相固接，并與連接桿體同軸設置，不銹鋼滑塊可沿連接桿體4的軸向滑動、并可沿連接桿體的徑向轉動。于所述的硬磁體環的外側壁上包裹有磁力屏蔽罩；于硬磁體環3或磁力屏蔽罩的外側壁上設置有用于與連接桿體4定位的固定螺栓5。外置硬磁體組件，包括硬磁體環、磁力屏蔽罩(可選)、固定螺栓。硬磁體環與連接桿外壁緊密接觸，通過移動硬磁體環帶動固定聚光透鏡的不銹鋼滑塊前后移動，自由旋轉。 永久磁力環上安裝有固定螺栓，可以通過該固定螺栓定位不銹鋼滑塊及光學透鏡。磁力屏蔽罩(為可選裝置)，可以消除磁力環磁場對其他部件的影響。
所述光學元件7為圓形透鏡；光學元件和不銹鋼滑塊9通過圓環形卡帽8固定連接，于卡帽8的一端端面上設有拉取柱10。于不銹鋼滑塊9的兩端固接有聚四氟乙烯環6，聚四氟乙烯環的外徑大于不銹鋼滑塊的外徑。于連接桿體4的兩端設有分別用于與深紫外激光器和光發射電子顯微鏡對接的刀口法蘭2。于靠近光發射電子顯微鏡一端的刀口法蘭上設有放氣閥1。所述連接桿體4上的硬磁體環3、光學元件7和軟磁體材料的不銹鋼滑塊9為2組以上。本發明用于(深)紫外激光器與光發射電子顯微鏡的連接，利用磁力作用原理調節置于封閉體系內光學元件，實現該連接桿中激光光路的有效調節。深紫外激光通過封閉的連接裝置入射到PEEM系統中的樣品表面。連接裝置中內置有光學元件組件，用于深紫外激光光路的調節。將內置于封閉體系中的光學組件與軟磁體耦合，外置組件包括硬磁體部件，利用磁力作用原理實現置于封閉體系內光學元件的有效調節；所述內置光學組件包括光學透鏡，為石英、CaF2、寶石等光學材料，具有透光、聚焦、光路偏轉、光學偏振控制等功能。光學透鏡通過卡帽固定在不銹鋼滑塊上，實現在連接桿中前后移動，自由旋轉。所述內置光學組件中不銹鋼滑塊為軟磁體材料，實現與外置硬磁鐵體的磁力耦合；不銹鋼滑塊兩端由聚四氟乙烯環固定并起到支撐作用，聚四氟乙烯環邊緣切有缺口以方便氣體流動或者抽空系統。實施例1將利用磁力作用原理調節置于封閉體系內光學元件應用于深紫外激光和紫外激光光源與光發射電子顯微鏡的連接，實現該連接裝置中激光光路的有效調節。連接裝置兩端分別用刀口法蘭與激光系統的腔體和PEEM系統的真空腔體連接，實現連接裝置中保持高真空到超高真空的環境。深紫外激光從光源系統中的出光口進入封閉的連接裝置，連接裝置中內置光學元件組件，通過外部的磁組件調整連接裝置內的激光光路。實施例2連接桿內光學透鏡處于準直狀態。如圖3a所示，圖像視野大小為50 μ m。樣品為干凈的Ru (0001)單晶表面。通過移動、旋轉外置硬磁力環調整光學透鏡至深紫外激光光路準直，得到的PEEM圖像可以清晰地觀察到樣品表面的特征結構。實施例3連接桿內光學透鏡處于非準直狀態。如圖北所示，圖像視野大小為50 μ m。樣品為干凈的Ru(OOOl)單晶表面。當光學透鏡未調整至激光光路準直時可以在PEEM圖像中觀察到由激光衍射產生的條紋。此時激光產生的衍射條紋嚴重的干擾了樣品表面的結構信肩、ο通過比較圖3a和3b可以發現當連接裝置內安裝有光學透鏡時，通過改變透鏡的位置及偏轉可以很大程度地影響深紫外激光光路的聚焦及偏轉從而控制PEEM系統的成像質量。
實施例4透鏡與樣品距離等于透鏡焦距，激光聚焦到樣品表面。如圖如所示，圖像視野大小為20μπι。樣品為生長在Ru (0001)單晶表面上的金屬1 島，激光光斑聚焦到樣品表面得到亮度較高的PEEM圖像，可以清晰地看到1 島在Ru(OOOl)單晶表面的分布情況。實施例5透鏡與樣品距離大于透鏡焦距，并調整光路至最佳的聚焦狀態。如圖4b所示，圖像視野大小為20 μ m。樣品為金屬1 島在Ru (0001)單晶表面上(同如)，只能得到亮度較低的PEEM圖像。通過圖如和4b可以發現通過外控磁體部件，前后拉動CaF2透鏡可以控制連接裝置中透鏡與樣品的距離。當透鏡與樣品的距離等于透鏡焦距時可以使深紫外激光聚焦到樣品表面得到亮度較高的PEEM圖像。
權利要求
1.一種用于深紫外激光器與光發射電子顯微鏡連接的連接桿，其特征在于包括徑向截面為圓筒形的連接桿體G)，硬磁體環(3)、光學元件(7)、軟磁體材料的不銹鋼滑塊(9)硬磁體環(3)穿套于連接桿體的外部，硬磁體環(3)的內圈為圓形、并與連接桿體同軸；于連接桿體的內部與硬磁體環C3)相對應的位置處設有光學元件(7)，光學元件 (7)為透鏡，透鏡的主光軸與連接桿體同軸；不銹鋼滑塊(9)為圓環形，不銹鋼滑塊(9)與光學元件(7)相固接，并與連接桿體同軸設置，不銹鋼滑塊(9)可沿連接桿體的軸向滑動、并可沿連接桿體的徑向轉動。
2.按照權利要求1所述的連接桿，其特征在于于所述的硬磁體環(3)的外側壁上包裹有磁力屏蔽罩。
3.按照權利要求1所述的連接桿，其特征在于所述光學元件(7)為圓形透鏡。
4.按照權利要求1所述的連接桿，其特征在于所述光學元件(7)和不銹鋼滑塊(9)通過圓環形卡帽(8)固定連接，于卡帽(8)的一端端面上設有拉取柱(10)。
5.按照權利要求1或2所述的連接桿，其特征在于于不銹鋼滑塊(9)的兩端固接有聚四氟乙烯環(6)，聚四氟乙烯環(6)的外徑大于不銹鋼滑塊(9)的外徑。
6.按照權利要求1所述的連接桿，其特征在于于連接桿體的兩端設有分別用于與深紫外激光器和光發射電子顯微鏡對接的刀口法蘭(2)。
7.按照權利要求6所述的連接桿，其特征在于于靠近光發射電子顯微鏡一端的刀口法蘭( 上設有放氣閥(1)。
8.按照權利要求1或2所述的連接桿，其特征在于于硬磁體環(3)或磁力屏蔽罩的外側壁上設置有用于與連接桿體(4)定位的固定螺栓(5)。
9.按照權利要求1或2所述的連接桿，其特征在于所述連接桿體(4)上的硬磁體環( 、光學元件(7)和軟磁體材料的不銹鋼滑塊(9)為 1組或2組以上。
全文摘要
本發明涉及一種用于深紫外激光器與光發射電子顯微鏡連接的連接桿，包括徑向截面為圓筒形的連接桿體，硬磁體環、光學元件、軟磁體材料的不銹鋼滑塊；硬磁體環穿套于連接桿體的外部，硬磁體環的內圈為圓形、并與連接桿體同軸；于連接桿體的內部與硬磁體環相對應的位置處設有光學元件，光學元件為透鏡，透鏡的主光軸與連接桿體同軸；不銹鋼滑塊為圓環形，不銹鋼滑塊與光學元件相固接，并與連接桿體同軸設置。將CaF2聚光鏡置于光學組件中，運用此連接裝置，實現了波長為177.3nm的深紫外激光光路的調節并將激光有效地聚焦到PEEM系統中的樣品表面。
文檔編號H01J37/15GK102479651SQ20101056689
公開日2012年5月30日 申請日期2010年11月30日 優先權日2010年11月30日
發明者傅強, 包信和, 慕仁濤, 譚大力, 金立 申請人:中國科學院大連化學物理研究所