激光加热装置及激光加热系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种激光加热装置，包括：脉冲激光器，旋转夹持组件，半波片，偏振分光镜，激光功率计，聚焦组件，反射镜组；半波片固定在旋转夹持组件上，用于接收脉冲激光器发出的激光脉冲，旋转夹持组件带动半波片旋转以改变激光脉冲的方向，偏振分光镜用于对被上述半波片改变方向后的激光脉冲分成第一激光分量和第二激光分量，聚焦组件用于对第一激光分量进行聚焦；激光功率计用于计量第二激光分量的激光功率，反射镜组用于反射聚焦组件聚焦过来的光束以对准待处理的组合材料芯片样品的一个样品点进行加热。本发明解决了现有激光加热装置对激光功率调节度有限的技术问题，实现了每次逐步定量对组合材料芯片样品的样品点加热。
【专利说明】
激光加热装置及激光加热系统
技术领域
[0001]本发明涉及芯片热处理领域，尤其涉及一种激光加热装置及激光加热系统。
【背景技术】
[0002]组合材料芯片是在指在一块基片上同时集成生长成千上万种不同组分的材料，其组分是根据已有材料数据进行的自定义设计。组合材料芯片的大小为Iinch到3inch，包含至少5100个样品点，每一个样品点的大小不超过250um*250umo
[0003]材料相图是材料结构-成分-热学条件的关联图，体现了材料科学的最本质内涵，是我们认知自然规律的基本数据和发现新材料的藏宝图。传统相图绘制的实验方法是一次合成一个样品、表征一个样品，不仅耗费大量的人力物力，而且用于针对组合材料芯片制成的材料相图不能保证系统的完整度，如果我们需要更加高效的通过组合材料芯片来绘制材料相图，就需要对组合材料芯片上的每个样品点进行精准加热，然后实时监测原位像素点物相的演变，但是现有激光器通过Q开关选择输出功率，对激光功率调节度有限，因此不能按照需要功率加热组合材料芯片样品。
【发明内容】
[0004]本发明实施例通过提供一种激光加热装置及激光加热系统，解决了现有激光加热装置对激光功率调节度有限的技术问题。
[0005]第一方面，本发明实施例提供了一种激光加热装置，包括:脉冲激光器，旋转夹持组件，半波片，偏振分光镜，激光功率计，聚焦组件，反射镜组；
[0006]所述半波片固定在所述旋转夹持组件上，用于接收所述脉冲激光器发出的激光脉冲，所述旋转夹持组件带动所述半波片旋转以改变所述激光脉冲的方向，所述偏振分光镜用于对被上述半波片改变方向后的激光脉冲分成第一激光分量和第二激光分量，所述聚焦组件用于对所述第一激光分量进行聚焦;所述激光功率计用于计量所述第二激光分量的激光功率，所述反射镜组用于反射所述聚焦组件聚焦过来的光束以对准待处理的组合材料芯片样品的一个样品点进行加热。
[0007]优选的，所述激光加热装置还包括扩束镜；
[0008]所述扩束镜设置在所述偏振分光镜与所述聚焦组件之间，通过所述扩束镜扩大所述第一激光分量的光束直径和减小所述第一激光分量的发散角。
[0009]优选的，所述半波片的中心、所述偏振分光镜的中心、所述扩束镜的中心和所述聚焦组件的中心均在同一直线上。
[0010]优选的，所述旋转夹持组件包括一级电动旋转夹持器；
[0011]所述半波片固定在所述一级电动旋转夹持器上，所述一级电动旋转夹持器带动所述半波片在竖直平面旋转以改变所述激光脉冲的方向。
[0012]优选的，所述旋转夹持组件还包括二级电动旋转夹持器；
[0013]所述一级电动旋转夹持器固定在所述二级电动旋转夹持器上，所述二级电动旋转夹持器的角分辨率大于所述一级电动旋转夹持器的角分辨率，所述二级电动旋转夹持器带动所述一级电动旋转夹持器在竖直平面旋转以改变所述激光脉冲的方向。
[0014]优选的，所述脉冲激光器包括所述皮秒级脉冲激光器、纳秒级脉冲激光器、微秒级脉冲激光器中的至少一种。
[0015]优选的，所述聚焦组件包括:沿着聚焦光路方向依次设置的多个激光聚焦镜，通过所述多个激光聚焦镜依次聚焦所述第一激光分量。
[0016]优选的，所述反射镜组包括沿着反射光路设置的多个反射镜。
[0017]第二方面，本发明实施例提供了一种激光加热系统，包括控制器第一方面所述的激光加热装置；
[0018]所述激光加热装置包括:脉冲激光器，旋转夹持组件，半波片，偏振分光镜，激光功率计，聚焦组件，反射镜组;所述半波片固定在所述旋转夹持组件上，用于接收所述脉冲激光器发出的激光脉冲，所述旋转夹持组件带动所述半波片旋转以改变所述激光脉冲的方向，所述偏振分光镜用于对被上述半波片改变方向后的激光脉冲分成第一激光分量和第二激光分量，所述聚焦组件用于对所述第一激光分量进行聚焦;所述激光功率计用于计量所述第二激光分量的激光功率，所述反射镜组用于反射所述聚焦组件聚焦过来的光束以对准待处理的组合材料芯片样品的一个样品点进行加热;所述控制器与所述旋转夹持组件电气连接以控制所述半波片的旋转角度;所述控制器与所述激光功率计电气连接以控制所述激光功率计;所述控制器还与固定有所述组合材料芯片样品的移动台电气连接，以控制所述移动台进行移动。
[0019]本发明实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点:
[0020]本发明实施例提供的激光加热装置，通过旋转夹持组件带动半波片旋转以改变脉冲激光器发出的激光脉冲的方向，从而改变激光脉冲入射到偏振分光镜的角度，偏振分光镜对被上述半波片改变方向后的激光脉冲分成第一激光分量和第二激光分量，改变入射到偏振分光镜的角度就改变了第一激光分量的激光功率，从而实现了外部调节对组合材料芯片进行加热的激光功率，由于旋转夹持组件的旋转能带动半波片的角度连续均匀改变，从而精准调整用于加热的第一激光分量的激光功率，解决了现有激光加热装置对激光功率调节度有限的技术问题，使每次加热后样品区比上一次加热结束后的升温为固定温度值，然后迅速冷却到室温，实现了每次逐步定量对组合材料芯片样品的样品点加热。
[0021]而且由于避免了通过Q开关选择激光器的输出功率，脉冲激光器只需输出恒定功率即可，因此减少了频繁调节Q开关对脉冲激光器的损害。
【附图说明】
[0022]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
[0023]图1为本发明实施例中激光加热装置的结构示意图；
[0024]图2为本发明实施例中第二实施例中旋转夹持组件的结构示意图。
【具体实施方式】
[0025]为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0026]参考图1所示，本发明实施例提供的一种激光加热装置，包括:脉冲激光器I，旋转夹持组件，半波片2，偏振分光镜3，激光功率计4，聚焦组件5和反射镜组6。
[0027]半波片2固定在旋转夹持组件上，半波片2用于接收脉冲激光器I发出的激光脉冲，旋转夹持组件带动半波片2旋转以改变激光脉冲的方向，偏振分光镜3用于对被半波片2改变方向后的激光脉冲分成第一激光分量和第二激光分量，聚焦组件5用于对第一激光分量进行聚焦;激光功率计4用于计量第二激光分量的激光功率，反射镜组6用于反射聚焦组件5聚焦过来的光束以对准待处理的组合材料芯片样品的一个样品点10进行加热。
[0028]进一步的，本发明实施例提供的激光加热装置还包括扩束镜7;扩束镜7设置在偏振分光镜3与聚焦组件5之间，扩束镜7接收经偏振分光镜3分出的第一激光分量，通过扩束镜7扩大第一激光分量的光束直径和减小第一激光分量7的发散角后，第一激光分量入射到聚焦组件5。从而经扩束镜7扩束后的光束可被聚焦组件5聚焦得更小，经扩束镜7与聚焦组件5结合缩小了加热光斑的直径，进而能使激光束的直径不超过250um，能够精准加热组合材料芯片样品的每个样品点，而不会加热到相邻样品点，保证了对加热组合材料芯片样品的逐点精准加热，进而使相图绘制结果更准确。
[0029]具体的，半波片2的中心、偏振分光镜3的中心、扩束镜7的中心和聚焦组件5的中心均在同一直线上。
[0030]脉冲激光器I
[0031 ]脉冲激光器I为输出恒定频率激光脉冲的激光器，比如，输出1W，1W等恒定功率的激光脉冲。具体的，脉冲激光器I为皮秒级脉冲激光器、纳秒级脉冲激光器、微秒级脉冲激光器中的至少一种。具体的硬件为红宝石激光器，氮分子激光器、准分子激光激光器、钇铝石榴石激光器、红宝石激光器、钕玻璃激光器中的一种。
[0032]旋转夹持组件
[0033]通过旋转夹持组件带动半波片2旋转以改变脉冲激光器I发出激光脉冲的方向，经半波片2改变方向后的激光脉冲与偏振分光镜3形成所需角度入射到偏振分光镜3。
[0034]参考图1所示，在旋转夹持组件的第一实施方式中，旋转夹持组件包括一级电动旋转夹持器8，半波片2固定在一级电动旋转夹持器8上，由一级电动旋转夹持器8带动半波片2在竖直平面旋转，以改变脉冲激光器I发出激光脉冲的方向。例如，一级电动旋转夹持器8旋转10度，则脉冲激光器I发出激光脉冲经过半波片2后的方向相对于经过半波片2之前的角度为10度。在具体实施过程中，一级电动旋转夹持器8可以选择不同角分辨率的电动旋转台。比如，一级电动旋转夹持器8为角分辨率为1/5000的电动旋转台，则一级电动旋转夹持器8每次的旋转角度增量为0.072度;比如，一级电动旋转夹持器8为角分辨率为I/3000的电动旋转台，则一级电动旋转夹持器8每次的旋转角度增量为0.12度。所设置的一级电动旋转夹持器8的角分别率不同，则半波片2的单次旋转角度增量不同，进而对第一激光分量的激光功率的单位功率增量不同。
[0035]参考图2所示，在旋转夹持组件的第二实施方式中，旋转夹持组件包括:二级电动旋转夹持器9和一级电动旋转夹持器8。半波片2固定在一级电动旋转夹持器8上，一级电动旋转夹持器8固定在二级电动旋转夹持器9上，二级电动旋转夹持器9带动一级电动旋转夹持器在竖直平面旋转以改变激光器I发出激光脉冲的方向，由一级电动旋转夹持器8带动半波片2在竖直平面旋转，以改变脉冲激光器I发出激光脉冲的方向，且二级电动旋转夹持器9的角分辨率大于一级电动旋转夹持器8的角分辨率。因此二级电动旋转夹持器9与一级电动旋转夹持器8组成了对半波片2的粗调精调系统。比如，二级电动旋转夹持器9的角分辨率为I /360，一级电动旋转夹持器8的角分辨率为I/5000，则二级电动旋转夹持器9每次的旋转角度增量为I度，实现对半波片2快速的旋转角度选择，以粗调第一激光分量的激光功率，一级电动旋转夹持器8每次的旋转角度增量为0.072度，实现对半波片2的旋转角度的准确定位，以精调第一激光分量的激光功率。
[0036]根据所选脉冲激光器I的输出功率和待处理的组合材料芯片样品所需单次升温能量来决定所选择的二级电动旋转夹持器9、一级电动旋转夹持器8。例如从室温加热微区铜(质量为8.62*10e-9g)到相变点(相变点为铜熔点1083°C)通过理论计算单次升温能量需要3.59J，每升高10°C需要0.0000000339J。则至少需要旋转夹持组件有105900000个变化档位，对应角分辨率为(360/105900000)3.4e-6，则选择角分辨率为0.01度的一级电动旋转夹持器8和角分辨率为3e-6度的二级电动旋转夹持器9。
[0037]半波片2
[0038]半波片2或者为两个四分之一波片叠合组成，或者只有一个二分一波片。
[0039]偏振分光镜3
[0040]经半波片2之后的激光脉冲(功率为Po)入射到偏振分光镜3，经偏振分光镜3分成两个正交的线性偏振分量:第一激光分量与第二激光分量。优选的，第一激光分量为透射激光分量，第二激光分量为反射激光分量。透射激光分量的激光功率为PQCOS0，反射激光分量的激光功率为PosinQ。即:透射激光分量经扩束镜7扩大光束直径和减小发散角后由聚焦组件5进行聚焦。对应的，激光功率计4计量反射激光分量的功率为Posin0。旋转夹持组件根据激光功率计4所计量的反射激光分量的激光功率PosinQ旋转，去精准调校用于加热的透射激光分量的激光功率Pocos0。
[0041]在另一实施方式中，第二激光分量为透射激光分量，第一激光分量为反射激光分量，即:反激光分量经扩束镜7扩大光束直径和减小发散角后由聚焦组件5进行聚焦。对应的，激光功率计4计量透射激光分量的功率为PQCOS0。旋转夹持组件根据激光功率计4所计量的透射激光分量的激光功率Pocose旋转，去精准调校用于加热的反射激光分量的激光功率PosinQ 0
[0042]聚焦组件5
[0043]聚焦组件5包括沿着聚焦光路方向依次设置的多个激光聚焦镜，通过多个激光聚焦镜依次聚焦第一激光分量。设置的激光聚焦镜个数与聚焦光斑直径匹配，设置的激光聚焦镜的个数以能够将扩束镜7后出射的激光的光斑直径聚焦至不大于250um为准。
[0044]反射镜组6包括沿着反射光路设置的多个反射镜片，用于改变聚焦光速的方向，使得对准加热组合材料芯片样品的所要加热的一个样品点10。反射镜组6至少由两个反射镜片成。组合材料芯片样品固定于移动台上。反射镜组6调整聚焦组件5聚焦过来的光束以对准待处理的组合材料芯片样品的位置后反射镜组6固定不动。通过移动台的移动精确控制光斑的辐照位置，使得反射聚焦组件5聚焦过来的光束依次对准待处理的组合材料芯片的每个样品点。
[0045]基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种激光加热系统，包括控制器，以及前述实施例提供的激光加热装置。
[0046]参考图1和图2所示，该激光加热装置包括:脉冲激光器I，旋转夹持组件，半波片2，偏振分光镜3，激光功率计4，聚焦组件5，反射镜组6。
[0047]半波片2固定在旋转夹持组件上，半波片2用于接收脉冲激光器I发出的激光脉冲，旋转夹持组件带动半波片2旋转以改变激光脉冲的方向，偏振分光镜3用于对被上述半波片2改变方向后的激光脉冲分成第一激光分量和第二激光分量，聚焦组件5用于对第一激光分量进行聚焦;激光功率计4用于计量第二激光分量的激光功率，反射镜组6用于反射聚焦组件5聚焦过来的光束以对准待处理的组合材料芯片样品的一个样品点10进行加热。
[0048]该激光加热装置的结构请参考前述激光加热装置的实施例，为了说明书的简洁，本实施例不再赘述。
[0049]控制器与旋转夹持组件电气连接，通过控制器控制旋转夹持组件带动半波片2进行旋转，以控制半波片2的旋转角度；
[0050]控制器与激光功率计4电气连接，控制激光功率计4进行计量第二激光分量的激光功率，控制器还与固定有组合材料芯片样品的移动台电气连接，以控制所述移动台进行移动。通过控制器控制移动台的移动，移动台的移动精确控制光斑的辐照位置，使得反射聚焦组件5聚焦过来的光束依次对准待处理的组合材料芯片的每个样品点。
[0051]通过上述本发明实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点:
[0052]本发明实施例提供的激光加热装置，通过旋转夹持组件带动半波片旋转以改变脉冲激光器发出的激光脉冲的方向，从而改变激光脉冲入射到偏振分光镜的角度，偏振分光镜对被上述半波片改变方向后的激光脉冲分成第一激光分量和第二激光分量，改变入射到偏振分光镜的角度就改变了第一激光分量的激光功率，从而实现了外部调节对组合材料芯片进行加热的激光功率，由于旋转夹持组件的旋转能带动半波片的角度连续均匀改变，从而精准调整用于加热的第一激光分量的激光功率，解决了现有激光加热装置对激光功率调节度有限的技术问题，使每次加热后样品区比上一次加热结束后的升温为固定温度值，然后迅速冷却到室温，实现了每次逐步定量对组合材料芯片样品的样品点加热。
[0053]而且由于避免了通过Q开关选择激光器的输出功率，脉冲激光器只需输出恒定功率即可，因此减少了频繁调节Q开关对脉冲激光器的损害。
[0054]尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
[0055]显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
【主权项】
1.一种激光加热装置，其特征在于，包括:脉冲激光器，旋转夹持组件，半波片，偏振分光镜，激光功率计，聚焦组件，反射镜组； 所述半波片固定在所述旋转夹持组件上，用于接收所述脉冲激光器发出的激光脉冲，所述旋转夹持组件带动所述半波片旋转以改变所述激光脉冲的方向，所述偏振分光镜用于对被上述半波片改变方向后的激光脉冲分成第一激光分量和第二激光分量，所述聚焦组件用于对所述第一激光分量进行聚焦;所述激光功率计用于计量所述第二激光分量的激光功率，所述反射镜组用于反射所述聚焦组件聚焦过来的光束以对准待处理的组合材料芯片样品的一个样品点进行加热。2.如权利要求1所述的激光加热装置，其特征在于，所述激光加热装置还包括扩束镜； 所述扩束镜设置在所述偏振分光镜与所述聚焦组件之间，通过所述扩束镜扩大所述第一激光分量的光束直径和减小所述第一激光分量的发散角。3.如权利要求2所述的激光加热装置，其特征在于，所述半波片的中心、所述偏振分光镜的中心、所述扩束镜的中心和所述聚焦组件的中心均在同一直线上。4.如权利要求3所述的激光加热装置，其特征在于，所述旋转夹持组件包括一级电动旋转夹持器； 所述半波片固定在所述一级电动旋转夹持器上，所述一级电动旋转夹持器带动所述半波片在竖直平面旋转以改变所述激光脉冲的方向。5.如权利要求4所述的激光加热装置，其特征在于，所述旋转夹持组件还包括二级电动旋转夹持器； 所述一级电动旋转夹持器固定在所述二级电动旋转夹持器上，所述二级电动旋转夹持器的角分辨率大于所述一级电动旋转夹持器的角分辨率，所述二级电动旋转夹持器带动所述一级电动旋转夹持器在所述竖直平面旋转以改变所述激光脉冲的方向。6.如权利要求1所述的激光加热装置，其特征在于，所述脉冲激光器包括所述皮秒级脉冲激光器、纳秒级脉冲激光器、微秒级脉冲激光器中的至少一种。7.如权利要求1所述的激光加热装置，其特征在于，所述聚焦组件包括:沿着聚焦光路方向依次设置的多个激光聚焦镜，通过所述多个激光聚焦镜依次聚焦所述第一激光分量。8.如权利要求1所述的激光加热装置，其特征在于，所述反射镜组包括沿着反射光路设置的多个反射镜。9.一种激光加热系统，其特征在于，包括控制器和如权利要求1-8中任一权利要求所述的激光加热装置； 所述激光加热装置包括:脉冲激光器，旋转夹持组件，半波片，偏振分光镜，激光功率计，聚焦组件，反射镜组;所述半波片固定在所述旋转夹持组件上，用于接收所述脉冲激光器发出的激光脉冲，所述旋转夹持组件带动所述半波片旋转改变所述激光脉冲发出激光的方向；所述偏振分光镜用于对被上述半波片改变方向后的激光脉冲分成第一激光分量和第二激光分量;所述聚焦组件用于对所述第一激光分量进行聚焦;所述激光功率计，用于计量所述第二激光分量的激光功率;所述反射镜组，用于反射所述聚焦组件聚焦过来的光束以对准待处理的组合材料芯片样品的一个样品点进行加热； 所述控制器与所述旋转夹持组件电气连接以控制所述半波片的旋转角度； 所述控制器与所述激光功率计电气连接以控制所述激光功率计； 所述控制器还与固定有所述组合材料芯片样品的移动台电气连接，以控制所述移动台进行移动。
【文档编号】H01L21/67GK106098596SQ201610533778
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年7月7日
【发明人】向勇, 王维, 苏阳
【申请人】电子科技大学