经由均质器运动的可变光束尺寸的制作方法

经由均质器运动的可变光束尺寸
1.相关申请
2.本技术要求2020年2月19日提交的标题为“经由均质器运动的可变光束尺寸(variable beam size via homogenizer movement)”的美国临时申请no.62/978,516的国内优先权。美国临时申请no.62/978,516的内容由此被通过引用结合到本文中。


背景技术：

3.激光烧蚀电感耦合等离子体质谱(la-icp-ms)技术或激光烧蚀电感耦合等离子体发射光谱(la-icp-oes)技术可用于分析靶标(例如，固体或液体靶材)。通常，靶标的样品被以气溶胶(即，诸如氦气之类的载气中的固体和可能的液体颗粒和/或蒸汽的悬浮液)的形式提供给分析系统。该样品通常通过将靶材布置在激光烧蚀室内，将载气流引入该室内，并利用一个或多个激光脉冲烧蚀靶材的一部分以产生包含颗粒和/或蒸气的羽流来产生，这些颗粒和/或蒸汽被从靶材(以下称为“靶材”)喷射或以其他方式产生，悬置在该载气中。通过被夹带在流动的载气中，靶材被经由通向tcp炬管的传输导管传输到分析系统，它在tcp炬管中被电离。然后通过诸如ms、oes、同位素比质谱(irms)或电喷雾电离(esi)系统之类的分析系统分析包含电离粒子和/或蒸气的等离子体。
附图说明
4.参考附图描述了详细说明。
5.图1是根据本公开的示例性实施例的基于激光烧蚀的分析系统的示意图。
6.图2a-2c是图1所示的基于激光烧蚀的分析系统的激光源、一对均质化光学器件(第一均质器；和第二均质器)和均质化光学器件调节装置的一系列示意图，其中，图2a-2c分别示出了与均质化光学器件调节装置相关联的共焦位置、最小光束尺寸位置和最大光束尺寸位置。
7.图3a和图3b分别是可用于图2a-2c所示的均质化光学器件的方形阵列微透镜和蝇眼微透镜聚光器的示意性等距视图。
具体实施方式
8.下文将参考附图更为全面地描述本公开的多个方面，附图形成了本公开的一部分并且通过说明的方式示出了示例性特征。然而，这些特征可被以许多不同的形式具体体现，并且不应被解释为受限于本文所述的组合；相反，提供这些组合使得本公开将是详尽而完整的，并将充分传达该范围。
9.概述
10.基于激光烧蚀的光谱测量系统的激光烧蚀部分的当前技术已经使用(例如，成对使用的)两个蝇眼均质化(透镜组)光学器件来均质化该激光束。这种光束均质化方法已经仅被示出为对基于193nm准分子(即，使用惰性气体、卤素等的化合物作为其激光介质的紫外(uv)激光器)激光烧蚀系统，并且仅已用于更高能量的系统，例如由teledyne、coherent
或applied spectra制造的系统。可以理解的是，这些公司中的每一个都在其系统中使用双蝇眼均质化方法。它们中的任何一个均未实施任何方法来移动这些装置之一以控制激光束参数并且由此改变该系统的工作参数。
11.在研发高能烧蚀系统的工艺中，很明显存在客户想要的至少两个主要用例。一种是产生具有中等能量密度的大得多的烧蚀点，另一种是产生具有高得多的能量密度或能量注量的较小烧蚀点。在光学器件中，(例如激光脉冲的)注量f是每单位面积传递的光能。它最常用的单位是j/cm2(焦耳每平方厘米)。为了获得非常高的能量密度并满足大光斑要求，发现在一个实施例中，可以通过移动该系统光束阵列中的两个均质化光学器件中的第一个来选择性地增大或降低该样品处的能量密度。在一个实施例中，该光学器件调节系统可以是电动的。这种电动调节系统可以通过软件进行控制，并且具有至少两种模式(例如，位置/能量密度)。
12.从纯光学的角度来看，该概念可被认为类似于可调望远镜。然而，对于针对质谱的激光烧蚀，以前没有使用活动光学器件来选择性地增大或减小能量密度。此外，没有证据表明这种可调光学器件可用于常规烧蚀、光刻或微机加工。
13.示例性实施方案
14.图1示出了根据本公开的示例性实施例的基于激光烧蚀的分析系统100。基于激光烧蚀的分析系统100可以包括用于烧蚀样品材料的靶标(未示出)的烧蚀系统105，其中，烧蚀系统105包括激光源110(例如，准分子激光器)、一对均质化光学器件112(第一均质器112a；和第二均质器112b)、均质化光学器件调节装置114、光束调整光学器件116(例如，用于减少像差和/或扩展光束的反射或部分反射的表面和/或窗口)；光谱仪118(例如，光学发射光谱(oes)或质谱(ms)系统)以允许对激光烧蚀样品(例如，使用烧蚀系统105烧蚀的样品)进行化学分析；和用以控制整个系统100的运行的计算系统。美国专利公开文献no.2019/0371590a1中说明了整体基于激光烧蚀的分析系统的示例，其内容由此被通过引用结合到本文中，如同本公开集中于烧蚀系统105一样。虽然烧蚀系统105被示出为基于激光烧蚀的分析系统100的一部分，但是应当理解，基于激光烧蚀的分析系统105可被单独用于烧蚀除样品材料之外的材料，这些样品待在基于激光烧蚀的分析系统中进行分析和/或并不在其中加以使用。在一个实施例中，光谱仪118可被配置为接收和分析被激光烧蚀的材料。
15.用于首先接收烧蚀系统105的激光束的第一均质器112a可以呈第一微透镜阵列的形式，并且用于接收首先被第一均质器112a折射后的激光束的第二均质器112b可以呈第二微透镜阵列的形式。在一个实施例中，第一微透镜阵列的配置与第二微透镜阵列的相同。在一个实施例中，给定的第一均质器112a和/或给定的第二均质器112b可以呈方形微透镜阵列112(1)的形式，如图3a所示(例如，在纬度和经度上延伸的二维微透镜阵列)。在一个实施例中，给定的第一均质器112a和/或给定的第二均质器112b可以呈蝇眼微透镜阵列112(2)的形式，如图3b所示(例如，被成一维阵列设置的双面柱面微透镜的单体组件)。应当理解，其他微透镜阵列布置是可能的(例如，六边形微透镜阵列或矩形微透镜阵列)并且处于本公开的范围内。
16.第一均质器112a和第二均质器112b可被相对于彼此可移动地安装，如图2a-2c所示(例如，第一均质器112a或第二均质器112b中的至少一个可相对于另一个可选择地移
动)。可以使用均质化光学器件调节装置114来实现第一均质器112a或第二均质器112b中的至少一个相对于另一个的这种可选择的移动。均质化光学器件调节装置114可以呈可机械调节的承载件(例如，齿条和小齿轮；滑动安装件等)的形式。在一个实施例中，均质化光学器件调节装置114可以包括用于第一均质器112a和第二均质器112b中的每一个的固定装置(未示出)和用于将第一均质器112a或第二均质器112b中的至少一个相对于另一个选择性地移动的可调节机构(未示出)。在一个实施例中，均质化光学器件调节装置114可以允许第一均质器112a相对于激光束轴向(与之平行)的精确移动。由激光源110产生的激光束(未标记)可被引导到一对均质化光学器件112，从而调整其尺寸(如稍后更详细讨论的那样)，然后继续通过任何光束调整光学器件116并最终撞击待烧蚀的样品或其他材料。图2a-2c分别示出了这一对均质化光学器件112的共焦位置、最小光束尺寸位置和最大光束尺寸位置，如由均质化光学器件调节装置114的定位所指示的那样。在一个实施例中，一旦通过均质化光学器件112和任何光束调整光学器件116，激光束就可以撞击并对材料/样品进行烧蚀。
17.烧蚀系统105的均质化光学器件调节装置114可以是电动的或非电动的并且可以是在位置方面可改变的(即，从而允许改变第一均质器112a和第二均质器112b之间的相对定位)。例如，一旦第一均质器112a移动，就可以改变孔径平面处的光束尺寸(例如，光束直径；或光束横截面)，从而导致样品(烧蚀部位)处的更高注量。通过在位置方面是可改变的，可以根据需要将光束尺寸调节到包括最小光束尺寸和最大光束尺寸在内的范围内的任何尺寸。在共焦光束尺寸和最小光束尺寸之间进行调节可被视为用作第一模式，其中，光束尺寸(例如，光束横截面积)被减小但能量密度被相比于共焦位置处的能量密度增大。相反，在共焦光束尺寸和最大光束尺寸之间进行调节用作第二模式，其中，光束尺寸(例如，光束横截面积)被增大但能量密度被相比于共焦位置处的能量密度降低。在另一实施例中，第二均质器112b可以是可经由均质化光学器件调节装置114移动的(代替或除了第一均质器112a的移动之外)，以便于改变激光束的注量。
18.由烧蚀系统105的激光源110、这对均质化光学器件112(第一均质器112a；和第二均质器112b)和均质化光学器件调节装置114的组合所产生的激光束点的能量密度(例如，注量)可通常由以下等式表示：
[0019][0020]
式中e＝激光能量(例如，mj)
[0021]
a＝光束横截面积
[0022]
能量密度(例如，j/cm2)
[0023]
在光束横截面为圆形的情况下，能量密度可以更具体地由以下等式表示：
[0024][0025]
式中e＝激光能量(例如，mj)
[0026]
d＝光束直径(例如，cm)
[0027]
能量密度(例如，j/cm2)
[0028]
在光束横截面为矩形的情况下(例如，来自准分子激光器的光束)，能量密度可由
下列等式更为具体地表示：
[0029][0030]
式中e＝激光能量(例如，mj)
[0031]
l＝光束横截面长度(例如，cm)
[0032]
w＝光束横截面宽度(例如，cm)
[0033]
能量密度(例如，j/cm2)
[0034]
基于激光烧蚀的分析系统100可由计算系统120控制，该计算系统120具有被配置为执行来自非暂时性载体介质(例如，存储介质，例如闪存驱动器、硬盘驱动器、固态磁盘驱动器、sd卡、光盘等)。计算系统120可被通过直接连接或通过一个或多个网络连接(例如，局域网(lan)、无线局域网(wan或wlan)、一个或多个集线器(例如，usb集线器)等)连接到该分析系统的多种部件。例如，计算系统120可被通信地联接(例如，硬连线或无线)到给定的基于激光烧蚀的分析系统100的可控元件(例如，激光源110、均质化光学器件调节装置114、光束调整光学器件116和/或光谱仪118)。程序指令在由处理器执行时可以使计算系统120控制给定的基于激光烧蚀的分析系统100。在一种实施方式中，程序指令形成供处理器执行的软件程序的至少一部分。如果将要单独使用该烧蚀系统105，就应理解它可以由类似于计算系统120的计算系统控制。
[0035]
处理器为计算系统提供处理功能，并且可以包括任意数量的处理器、微控制器或其他处理系统以及用于存储由计算系统120访问或生成的数据和其他信息的常驻或外部存储器。处理器不受形成它的材料或其中所采用的处理机制的限制，因此，它可以经由半导体和/或晶体管(例如，电子集成电路(ic))等来实施。
[0036]
非暂时性载体介质是装置可读存储介质的示例，其提供存储功能以存储与计算系统120的操作相关联的多种数据(例如软件程序、代码段或程序指令)或其他数据以用于指示计算系统的处理器和其他元件执行本文所述的技术。载体介质可以与处理器、独立存储器或两者的组合集成在一起。载体介质可以包括例如可移动和不可移动存储元件，例如ram、rom、闪存(例如，sd卡、迷你sd卡、微型sd卡)、磁性、光学、usb存储装置等。在计算系统120的实施例中，载体介质可以包括例如由sim(订户身份模块)卡、usim(通用订户身份模块)卡、uicc(通用集成电路卡)等提供的可移动icc(集成电路卡)存储器。
[0037]
计算系统120可以包括一个或多个显示器以向计算系统120的用户显示信息。在实施例中，显示器可以包括crt(阴极射线管)显示器、led(发光二极管)显示器、oled(有机led)显示器、lcd(液晶二极管)显示器、tft(薄膜晶体管)lcd显示器、lep(发光聚合物)或pled(聚合物发光二极管)显示器等，其被配置为显示文本和/或图形信息，例如图形用户界面。显示器可以通过背光进行背光照明，使得它可被在黑暗或其他弱光环境中进行查看。显示器可以配备有触摸屏以接收来自用户的输入(例如，数据、命令等)。例如，用户可以通过触摸触摸屏和/或通过在触摸屏上执行手势来操作计算系统120。在一些实施例中，触摸屏可以是电容式触摸屏、电阻式触摸屏、红外触摸屏、它们的组合等。计算系统120还可包括一个或多个输入/输出(i/o)装置(例如，小键盘、按钮、无线输入装置、拇指轮输入装置、轨道刻度输入装置等)。i/o装置可以包括一个或多个音频i/o装置，例如麦克风、扬声器等。
[0038]
计算系统120还可以包括表示通信功能的通信模块，以允许计算设备在不同装置
(例如，部件/外围装置)之间和/或通过一个或多个网络发送/接收数据。通信模块可以代表多种通信部件和功能，其包括但不一定限于：浏览器；发射器和/或接收器；数据端口；软件接口和驱动器；网络接口；数据处理部件；等等。
[0039]
一个或多个网络表示多种不同的通信路径和网络连接，它们可以单独或组合使用以在基于激光烧蚀的分析系统100的部件之间进行通信。因此，一个或多个网络可以代表使用单个网络或多个网络获得的通信路径。此外，一个或多个网络代表所设想到的多种不同类型的网络和连接，其包括但不一定限于：互联网：内联网；个人区域网络(pan)；局域网(lan)(例如，以太网)；广域网(wan)；卫星网络；蜂窝网络；移动数据网络；有线和/或无线连接；等等。无线网络的示例包括但不一定限于：被根据以下各项配置用于通信的网络：电气和电子工程师协会(ieee)的一个或多个标准，例如802.11或802.16(wi-max)标准；wi-fi联盟颁布的wi-fi标准；由蓝牙特别兴趣小组颁布的蓝牙标准；等等。还设想到了例如通过通用串行总线(usb)、以太网、串行连接等的有线通信。
[0040]
计算系统120被描述为包括用户界面，该用户界面可存储在存储器(例如，载体介质)中并且可由处理器执行。该用户界面代表经由显示器控制向计算系统的用户显示信息和数据的功能。在一些实施方式中，显示器可能不被集成到计算系统中，而是可以使用通用串行总线(usb)、以太网、串行连接等在外部连接。用户界面可以提供允许用户通过经由触摸屏和/或i/o装置提供输入(例如，样品身份、所需稀释因子、标准身份、洗脱液身份/位置、流体添加流速等)而与计算系统的一个或多个应用程序交互的功能。例如，用户界面可以导致生成应用编程接口(api)以向在线稀释控制模块公开功能，从而配置应用以供显示器显示或与另一显示器组合。在实施例中，api可以进一步公开功能以配置在线稀释控制模块，从而允许用户通过经由触摸屏和/或i/o装置提供输入而与应用程序交互以提供用于分析的所需稀释因子。
[0041]
在实施方式中，用户界面可以包括浏览器。浏览器使计算装置能够在显示诸如万维网内的网页、由专用网络中的网络服务器提供的网页等内容并与之交互。可以以多种方式配置该浏览器。浏览器可以是适合由具有大量存储器和处理器资源的全资源装置(例如，智能电话、个人数字助理(pda)等)使用的网络浏览器。
[0042]
通常，本文描述的任何功能都可以被使用软件、固件、硬件(例如，固定逻辑电路)、手动处理或这些实现方式的组合来实现。如本文所用的术语“模块”和“功能”通常表示软件、固件、硬件或其组合。例如，在基于激光烧蚀的分析系统100中的部件之间的通信可以是有线的、无线的或它们的某种组合。程序代码可被存储在一个或多个装置可读存储介质中，其示例是与计算系统相关联的非暂时性载体介质。
[0043]
尽管已经以特定于结构特征和/或方法行为的语言描述了该主题，但是应当理解，在所附权利要求书中限定的主题不一定限于上述特定特征或行为。相反，上述具体特征和动作被公开为实施权利要求的示例形式。