用于电子枪的激光引入装置及包括其的超快扫描电镜

1.本发明涉及微观物质探测成像领域，具体涉及一种用于电子枪的激光引入装置及包括其的超快扫描电镜。


背景技术：

2.扫描电镜或称扫描电子显微镜，其允许在微米(μm)到纳米(nm)的空间尺度上观察和表征多种材料的三维性质。其电子枪产生的聚焦电子束扫描样品表面,电子束与物质间的相互作用激发出各种物理信号,将这些信号收集、放大、再成像以达到对物质微观形貌及化学组成表征的目的。
3.目前本领域的一个发展热点是利用“泵浦-探测”方式将扫描电镜和超快激光结合，构成具有时间维度分析能力的超快扫描电镜，可以捕捉表面载流子在泵浦激发作用下的动力学过程。相对于热发射或场发射(包括冷场、热场和肖特基)模式的常规扫描电镜，超快扫描电镜在探测电子的产生方式上，主要是利用飞秒级的超快激光辐照电子枪灯丝阴极产生脉冲光电子。上述脉冲光电子在时间上的展宽决定了时间分辨率。上述脉冲光电子与引入到样品处的泵浦激光之间的时间延迟实现了超快扫描电镜的时间分辨功能。
4.由于市面上的常规扫描电镜只关注通过电子对样品进行静态成像的基本功能，目前不具有与超快激光结合的需求，所以并不会考虑加开为激光设置的窗口，从而限制了其拓展的可能。
5.图1示出了一种现有技术中扫描电镜的电子枪引进飞秒激光途径简要示意图。图1展示了将所述电子枪1一剖为二后剩余一半的剖面及内部布局，其中电子枪1具有柱状腔体10，在腔体内部且沿着柱状腔体的中心轴线a1两端相对的位置布置有电子枪阴极11和出射孔12，电子枪阴极11在其锥形尖端具有热场发射电子枪灯丝14，电子枪阴极11外侧罩有栅极帽(为了展示电子枪阴极11而并未示出)，出射孔12上方还罩有阳极帽(为了展示出射孔12而并未示出)，在柱状壳体10侧壁具有灯丝温度测量窗口13。
6.在现有技术的这一布置中，为了保证从灯丝温度测量窗口13引入的超快激光能够恰好照射在热场发射电子枪灯丝14上，超快激光光源、灯丝温度测量窗口13和热场发射电子枪灯丝14必须对齐在一条水平直线上，且当电子枪阴极11外的栅极帽上也需要在其栅极帽孔之外再相应地钻开一个通孔。在具备这样的侧向光通道之后，热场发射电子枪灯丝14受超快激光照射产生脉冲电子所述电子在外部电场作用下沿着中心轴线a1运动，即沿着帽孔向出射孔12之外出射。
7.然而，上述方案存在以下缺陷：首先，该方案实现的前提是扫描电镜必须具有位置合适的温度测量窗口，该位置恰好能使得由外部引入的激光沿水平方向辐照在灯丝尖端上，然而现有技术中的扫描电镜大部分并不具备这样位置适合的温度测量窗口，因此其应用范围受限；其次在这一布置中，灯丝温度测量窗口13布置在几乎与灯丝11的锥形尖端齐平的侧壁位置，飞秒激光只能从侧向直接照射在热场发射电子枪灯丝，该照射方向与所激发电子的目标出射方向夹角过大，电子激发效率低下；同时，对于热发射扫描电镜，即便具
备位置合适的温度测量窗口，还需要另外在罩在阴极灯丝11外部的壳状栅极帽上开具一个供光通过的侧向入射孔，这会导致栅极电场对称性被破坏，使电子的运动偏离电子枪光轴而可能产生有害的x射线。


技术实现要素：

8.为了解决现有技术中的扫描电镜存在的上述缺陷，本发明的第一方面提供一种用于将脉冲激光引入电子枪的激光引入装置，其中所述电子枪包括具有空腔的主体、阳极帽、布置在所述主体的内侧顶壁上的电子枪灯丝，以及包围所述电子枪灯丝并具有栅极帽孔的栅极帽，其中所述主体的侧壁上具有第一窗口，所述主体的底壁上具有与所述栅极帽孔相对布置的第一出射孔，所述阳极帽布置在所述第一出射孔上，
9.所述激光引入装置包括：
10.布置在所述主体内的反射组件；
11.反光装置，所述反光装置布置在所述阳极帽顶面以朝向所述栅极帽，
12.其中所述反射组件被设置为从第一窗口入射并经过所述反射组件引导的脉冲激光能够被所述反光装置反射以穿过所述栅极帽孔照射所述电子枪灯丝。
13.优选地，所述反射组件包括：
14.具有相对平行的旋转轴线的第一反射镜和第二反射镜，以及
15.承载镜托组件，其将所述第一反射镜和第二反射镜相对地间隔布置。
16.优选地，所述承载镜托组件包括长条状第一镜托部、第二镜托部和结合部，以及长条状的且相对布置的两个支架部，其中
17.所述第一反射镜布置在所述第一镜托部上，所述第二反射镜布置在所述第二镜托部上，所述第一镜托部和第二镜托部平行地布置于所述两个支架部之间并能够沿各自的长度方向轴转以形成所述第一反射镜和第二反射镜的所述旋转轴线；以及
18.所述结合部固定连接在所述两个支架部之间，所述第一镜托部布置在所述第二镜托部和所述结合部之间。
19.优选地，所述两个支架部的每一个具有沿长度方向延伸的中空槽，所述第一镜托部和第二镜托部的每一个延伸穿过两个所述中空槽以使其能够沿所述两个中空槽滑动或轴转，并且被螺栓部件从所述两个中空槽的外侧固定。
20.优选地，所述承载镜托组件由导电材质构成以能够将所述反射组件表面上积累的电子导出所述电子枪。
21.优选地，所述激光引入装置还包括至少一个配合镜托组件，所述至少一个配合镜托组件与所述承载镜托组件具有相同的形状和材质并且与所述承载镜托组件相对分散地布置在所述阳极帽周围的所述底壁上。
22.优选地，所述至少一个配合镜托组件和所述承载镜托组件的布置位置相对于所述栅极帽孔指向所述第一出射孔的轴线方向是轴对称的。
23.优选地，所述反光装置为中心具有通孔的圆形薄层，其表面积足够大以使得从所述第一窗口入射的脉冲激光能够经过所述反光装置的外边缘反射而进入所述栅极帽孔并照射所述电子枪灯丝，以及
24.所述反光装置与所述阳极帽布置为一体成形。
25.优选地，所述脉冲激光相对于所述栅极帽孔指向所述第一出射孔的轴线方向能够以预定小角度进入所述栅极帽孔并照射所述电子枪灯丝，所述预定小角度在10
°
至45
°
范围内。
26.优选地，所述电子枪的侧壁被设置为可拆卸连接，例如电子枪的顶壁类似盖状，其能够从杯状的电子枪剩余部分(成形为一体的侧壁和底壁)拆卸，所述激光引入装置还包括管状加长件，所述管状加长件能够与拆卸后的所述电子枪的所述侧壁接合并形成完整侧壁并与盖状顶壁结合密封。
27.优选地，所述承载镜托组件通过微机电系统控制所述反射组件平移或旋转。
28.本发明的另一方面提供一种具有超快激光源的扫描电镜，其中还包括如上述方案中任一项所述的用于将所述超快激光源生成的脉冲激光引入其电子枪的激光引入装置。
29.相对于现有技术，根据本发明实施例的激光引入装置能够将超快光源以较小入射角度引入现有扫描电镜，其布置方式灵活，且能够消除电场畸变，使得现有技术中不具备超快光源的扫描电镜能够以极低的成本快速升级且易于维护，具有更低的成本和更高的探测性能和适用范围。
附图说明
30.以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：
31.图1是现有技术中扫描电镜的电子枪获得飞秒激光途径简要示意图；
32.图2是从根据本发明较佳实施例的一种激光引入装置侧面观察的示意图；
33.图3是图2所示激光引入装置侧视图对应的顶部视图；
34.图4示出了从根据本发明较佳实施例的承载镜托组件的一个侧面观察的示意图；
35.图5示出了从与图4所述侧面垂直的另一侧面观察的示意图；
36.图6示出了本发明较佳实施例的激光引入装置将脉冲激光引入电子枪内的示意图；
37.图7示出了根据本发明的较佳实施例的超快激光源、激光引入装置以及扫描电子显微镜协同工作的实施例的简要示意图。
具体实施方式
38.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图通过具体实施例对本发明进一步详细说明。本说明所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的认识了解与阅读，并不构成对本发明的不当限制，也不具备技术性意义。任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所产生的效果及达到的目的前提下，均应包含于本发明揭示的技术内容的范围内。
39.图2是根据本发明较佳实施例的一种激光引入装置从侧面观察的示意图。激光引入装置20包括反射镜组件(承载镜托组件21和配合镜托组件22)、附接或涂覆在中空管状的阳极帽23表面的薄层状的反光部、第一反射镜24和第二反射镜25。所述激光引入装置20耦合在电子枪30的腔体内部，所述电子枪30具有第一窗口31和第一出射孔32，其中，第一窗口31可以利用现有电子枪侧壁的测温窗口，还可以在现有技术中的电子枪腔壁上加工形成，由于激光引入装置20具有宽范围的光路角度调节区间，第一窗口31的开具位置限制并不严
格，因此适配性好。而第一出射孔32为现有技术中的电子枪本身已经具有的电子出射通道。
40.为了便于说明，图2中的电子枪30结构被简化为一个简单的具有腔体的主体，具有顶壁、底壁和环形的侧壁，电子枪灯丝布置在主体内部的顶壁上，其外部罩有栅极帽33，栅极帽具有栅极帽孔34，其细节结构将在图6中介绍。承载镜托组件21靠近第一窗口31并布置在电子枪30的主体的底壁上，其大致为中空矩形框架，图2仅示出其一个较窄方向的侧面，配合镜托组件22与承载镜托组件21形状一致。承载镜托组件21上固定有第一反射镜24和第二反射镜25，两者用于接收从邻近的第一窗口31入射的激光并将其反射到抛光的阳极帽表面，再反射到栅极帽33内的热发射电子枪灯丝上(此处灯丝被外侧的栅极帽33阻挡)。阳极帽23与栅极帽33相对布置，在两者相对的端面之间形成轴对称的加速电场。阳极帽23大致为具有一定厚度的圆盘形状，其上附接或涂覆由高反光材质构成的薄层状反光部231，反光部231为圆形平面，其被成形为反光度较高的反光端面，其中心具有向内延伸并贯通阳极帽的通孔232。与圆形的反光部231相对的第二表面233具有阳极帽管状部234，其沿着圆盘状第二表面233向外突出一定距离，阳极帽管状部234的中空内部形成通孔232的一部分。阳极帽管状部234的外侧壁具有螺纹部2341，其使得阳极帽管状部234耦合在电子枪30底壁上的筒管37，所述筒管37由电子枪30底壁中心向腔体内部延伸一定深度，筒管37内侧通孔构成所述第一出射孔32，通孔232与第一出射孔32连通。阳极帽23的通孔232对齐于第一出射孔32，因此在通电状态下栅极帽33内的电子被阳极帽23与栅极帽33之间的均匀电场引导而由第一出射孔32出射。
41.图3是图2所示激光引入装置侧视图对应的顶部视图。图3示出的电子枪30为圆柱形腔体，激光引入装置20的承载镜托组件21和配合镜托组件22各自垂直于电子枪30的圆形底壁，且对称地分布在该圆形底壁中心点的两侧，第一出射孔32以及阳极帽23在电子枪30圆形底壁的中心位置布置。本实施例中对阳极帽顶面的反光部231进行了抛光处理以增加其对入射脉冲激光的反射率。
42.图4示出了从根据本发明较佳实施例的承载镜托组件的一个侧面观察的示意图，图5示出了从与图4所述侧面垂直的另一侧面观察的示意图。承载镜托组件21为矩形框架结构，其包括长条状的相对且平行布置的第一支架211和第二支架212，在第一支架211和第二支架212之间横向地布置有条形的第一反射镜镜托213、第二反射镜镜托214和结合部215，三者沿着长度方向的两端各自具有螺纹孔。其中，第一反射镜镜托213用于固定第一反射镜24并将其反射表面朝向第二反射镜镜托214，第二反射镜镜托214用于固定第二反射镜25并将其反射镜面朝向第一反射镜镜托213，反射镜与反射镜托之间的固定方式可采用真空胶粘接或者由其他固定件或卡扣件固定等等由本领域普通技术人员熟知的实施方式，在此并不意欲对其限定，图4和图5中示出为螺栓连接并示出多个螺栓216。第一反射镜24和第二反射镜25在各自反射表面的背面镀有适于所反射的脉冲激光频域的增反膜层。承载镜托组件21采用导电材质形成并与外部构成导电路径以将反射镜表面可能聚集的电子导走，其中反射镜与反射镜镜托之间可以由导电材料建立导电通道，例如通过锡焊连接。
43.由图5所示第一支架211和和第二支架212在其长度方向的至少一部分上相对地分布有狭长的第一中空槽2111和第二中空槽2121(第二中空槽2121在图4中被遮挡)，中空槽具有适合的尺寸以使得由多个螺栓216能够从两侧穿过中空槽并且通过第一反射镜镜托213、第二反射镜镜托214各自的螺纹孔将其与第一支架211和和第二支架212固定在一起，
形成大致为图4所示的“日”字形的矩形框架结构。图5中的第一反射镜镜托213、第二反射镜镜托214被螺栓遮挡。
44.同时，所述第一反射镜镜托213、第二反射镜镜托214与各自两端的螺栓216构成的条形整体分别能够沿着第一中空槽2111和第二中空槽2121平行地滑动以使得第一反射镜和第二反射镜可以相互平行地靠近或者远离到一定距离再紧固螺栓以固定在该位置，使得两个反射镜的高度、间距被容易地调节；第一反射镜镜托213和第二反射镜镜托214还可以沿各自长度方向的轴线轴转到任意角度后再由螺栓216紧固，使得第一或第二反射镜彼此间的相对反射角度被容易地调节。
45.第一支架211和第二支架212在其各自远离第一中空槽2111和第二中空槽2121的端部还具有螺纹孔，以使得两侧的螺栓216穿过所述螺纹孔以将结合部215与所述第一支架211和第二支架212固定在一起。
46.然而，该螺栓连接方式仅为举例，在其他实施例中还可以替换为其他框架结构，仅需使得第一反射镜24和第二反射镜25被相对布置，能够相对平移以靠近或远离，或者能够旋转调节反射角度即可。例如结合部215与所述第一支架211和第二支架212还可以是一体成型的，或者承载镜托组件21具有微机电系统(mems)以分别控制第一反射镜24和第二反射镜25各自的反射角度，因此能够在透射电镜外部实施控制飞秒激光的入射路径，并实现更精确的角度调节。承载镜托组件21靠近结合部215的端部被固定在电子枪30的圆形底壁上，其固定方式不限于胶接、卡扣连接或通过螺纹部件连接等方式。
47.配合镜托组件22具有与承载镜托组件类似的结构，在此不再赘述，但其不用于作为激光引入光路，但其上也可以布置反射镜以增加电子枪腔体内电场均匀性。
48.图6示出了本发明较佳实施例的激光引入装置将脉冲激光引入电子枪内的示意图。空腔状的电子枪40主要包括第一窗口41和第一出射孔42、壳状的栅极帽43，电子枪40大致为圆柱状并具有轴线a2，栅极帽43的轴线与轴线a2重合。栅极帽43具有圆形的栅极帽第一表面431，栅极帽孔432位于栅极帽第一表面431的中心，在壳状的栅极帽43的内部靠近栅极帽孔432的位置布置有热发射电子枪灯丝44。电子枪40的圆形底壁45与栅极帽第一表面431平行相对，其中心部位具有向内突出的管状延伸部451。
49.激光引入装置20与图2至图5所示出的激光引入装置一致。其中，承载镜托组件21和配合镜托组件22相对于轴线a2对称地固定在电子枪40的圆形底壁45上，阳极帽23通过外侧的螺纹部旋拧耦合在圆形底壁45上的筒管37内侧以使其内部通孔232与第一出射孔42连通构成连续通道。根据需要调节第一反射镜24、第二反射镜25的旋转方位以及各自沿着承载镜托组件21的位置，使得当入射脉冲激光由第一窗口41入射并照射在第一反射镜24表面，由第一反射镜24反射到第二反射镜25表面并再次反射到阳极帽23的反光部231，阳极帽的反光部231将脉冲激光反射到栅极帽43的栅极帽孔432内并照射到栅极帽孔432内的热发射电子枪灯丝44。通常栅极帽孔432的开口尺寸仅仅为几毫米，而根据本实施例的激光引入装置20能够将入射脉冲激光调整到与栅极帽孔432法向(即轴线a2)夹角非常小的入射角度，一方面增强了入射脉冲激光与热发射电子枪灯丝44作用效率，另一方面不需要在栅极帽43的侧面开孔，减少了x射线泄露的潜在风险。
50.如图6所示，电子枪40的主体可以是可拆卸的，例如在主体的侧壁的适合位置(例如避开测温窗口或第一窗口的位置)可拆卸。拆卸后的电子枪中，第一部分包括电子枪阴极
灯丝、栅极帽、盖状的顶部，第二部分包括阳极帽、侧壁和底面的杯状部分，内部抽真空后，两个整体之间由橡胶密封圈压紧。此外可以增加一个管状加长件46(网格线所示部分)在两部分之间，管状加长件46的尺寸与电子枪40的环形侧壁一致以形成完整侧壁，以使得所述第一部分、管状加长件和第二部分耦合形成完整腔体。因此整体密封地将电子枪40的腔体内部空间扩大，栅极帽43与阳极帽23之间的距离增加，使得激光引入装置20的光路入射角度可调节范围更大，且入射角能够进一步减小。在另外的实施例中，环状侧壁部46不是必须的，可以直接在原有电子枪腔体内布置激光引入装置。
51.如图6所示，在电子枪40的圆形底壁45上，承载镜托组件21和配合镜托组件22相对于轴线a2对称地分布，由此外形接近的承载镜托组件21和配合镜托组件22使得电子枪40内部电场分布沿着轴线a2方向更为均匀，因此能够解决仅仅存在单个承载镜托组件21时电子枪40内部电场分布均匀性被破坏，进而导致激发电子由栅极帽向阳极帽移动路线偏差的问题。
52.阳极帽23顶面的反光部231相比于现有技术中的阳极帽适度地扩大了其顶表面积，即使其具有更大的半径。因此其能够具有较大范围的入射光反射点选择范围以提供给激光引入装置20更大的反射角度调节范围。
53.图7示出了根据本发明的较佳实施例的激光引入装置以及扫描电子显微镜协同工作引入凸透镜聚焦后的汇聚光路的简要示意图。由凸透镜701(为突出重点，激光源未画出)汇聚出射的超快激光水平通过电子枪740的第一窗口741，依次通过第一反射镜724、第二反射镜725和阳极帽723反射并入射到电子枪740的栅极帽内的热发射电子枪灯丝744，与热发射电子枪灯丝744作用而激发脉冲探测电子(pulsed probe electrons)，该电子(probe electrons，相对于下面的pump laser而言)在栅极帽(未示出)与阳极帽723之间的加速电场作用下通过第一出射孔742出射，穿过扫描电子显微镜703的内部光通道并聚焦在样品702，而凸透镜705将泵浦激光被引入扫描电子显微镜703以由另一方向照射样品702并对其泵浦激发。控制探测电子(probe electrons)与泵浦激光各自照射样品702的时间差，并探测与样品相互作用后激发出各种物理信号，收集、放大所述信号并成像或分析，就能够准确表征样品微观形貌、化学组成或其超快过程的时间维度信息。
54.在另一个实施例中，脉冲激光垂直于轴线a2入射到第一反射镜24，第一反射镜24为45
°
反射镜，第二反射镜25为15
°
反射镜，因此由阳极帽的反光部231反射到热发射电子枪灯丝44的脉冲激光与轴线a2夹角在30
°
附近，例如在10
°
至45
°
的入射角度范围内，由此获得更佳的入射脉冲激光与热发射电子枪灯丝44作用效率。
55.在另一个实施例中，电子枪腔体内部可以相对于轴线a2对称地布置多个固定部。例如，至少一个固定部的形状接近所述承载镜托组件(其上也可安装两个于第一、第二反射镜角度一致的反射镜)，相邻固定部之间的间距相等关于轴线a2轴对称地布置在电子枪腔体内的圆形底壁上，从而保证电子枪腔体内部电场在栅极帽和阳极帽之间较均匀分布，因此保证激发电子能有效地从栅极帽向阳极帽运动并由电子枪第一出射孔出射。
56.在另一个实施例中，本技术提出一种改进现有技术的扫描电镜以使其能够使用超快激光源的方法，该方法针对不具备电子枪的侧向窗口(例如温度测量窗口)的扫描电镜，或者侧向窗口位置无法使超快激光对准电子枪阴极灯丝照射的扫描电镜，将激光引入装置20或者其变形布置在所述电子枪中，将引入的超快激光以最小可工作角度照射灯丝以激发
脉冲电子。
57.所述方法包括：首先在所述电子枪的腔体侧壁开有贯通的第一窗口或者利用电子枪的腔体侧壁本身已经具有第一窗口，其中该第一窗口的位置无需水平对齐阴极灯丝，可以灵活选择；然后在电子枪的腔体内侧靠近该第一窗口的较佳位置布置激光引入装置20的承载镜托组件21(例如粘接固定在电子枪的腔体侧壁或者底壁)，在其上安装第一反射镜24、第二反射镜25；用抛光处理后的具有较大圆形顶面的阳极帽23替换到原电子枪的阳极帽位置；使得第一反射镜24、第二反射镜25和阳极帽23依次形成反射光路，对第一反射镜24、第二反射镜25的旋转角度进行调节以使得由阳极帽23反射到与其相对布置的栅极帽中的电子枪内部的脉冲激光是以最小工作角度入射；将配合镜托组件22或者更多个固定部(其与承载镜托组件具有相同形状)布置在电子枪的腔体内，使得所述至少两个固定部在相对于电子枪的栅极帽指向阳极帽方向(即电子出射方向)对称分布，从而减弱或者消除栅极帽与阳极帽相对平面之间的电场的畸变。
58.虽然本发明已经通过优选实施例进行了描述，然而本发明并非局限于这里所描述的实施例，在不脱离本发明范围的情况下还包括所作出的各种改变以及变化。