激光加热方法及系统与流程

【技术领域】

本发明涉及高通量材料热处理领域，具体涉及一种激光加热方法及系统。

背景技术：

自上个世纪八十年代起，技术的革新和经济的发展越来越依赖新材料的进步。然而，从新材料的最初发现到最终工业化应用一般需要10-20年的时间。因此，为了缩短新材料的研发周期，美国提出了材料基因组计划。材料基因组计划欲通过利用计算能力，数据管理和材料科学与工程的新的综合性实验方法，来进行高效的新材料研发。

高通量材料实验是材料基因组的灵魂，高通量即是指在一块基片上同时集成生长和表征成千上万种不同组分的材料，通过自动化的微区表征实现快速、高效、准确的材料筛选。在高通量材料实验中，常常需要对样品进行热处理。然而目前大都利用激光对样品进行加热，存在着样品上温度分布不均匀的问题，从而影响实验结果。

技术实现要素：

为克服现有的技术问题，本发明提供一种激光加热方法及系统，被加热的样品上温度分布均匀，提高实验结果的准确性。

本发明为解决上述技术问题提供的一种激光加热方法，其用于对承载在基底上的样品进行加热，该基底包括相对的第一表面和第二表面，所述样品承载在第一表面，利用激光作用于所述基底的第二表面从而进行样品的加热。

优选地，所述基底的导热系数为7-500w/mk，所述激光的功率为2-12w。

优选地，所述基底的材料为熔融石英晶体、硅或铜。

优选地，当所述基底的导热系数为5-80w/mk时，所述激光的功率为2-4w；当所述基底的导热系数为80-300w/mk时，所述激光的功率为4-10w；当所述基底的导热系数为300-500w/mk时，所述激光的功率为6-12w。

优选地，所述基底的厚度为0.5-3mm。

优选地，所述激光加热方法进一步包括实时检测样品温度。

优选地，所述激光加热方法进一步包括实时检测样品是否发生物相变化。

本发明还提供一种激光加热系统，其包括基底和激光发生装置，所述基底用于放置需要加热的样品，所述激光发生装置用于发出激光，所述基底包括相对的第一表面和第二表面，所述第一表面用于放置样品；所述激光发生装置所发出的激光作用于所述基底的第二表面从而进行样品的加热。

优选地，所述激光发生装置包括激光控制机构、激光发生机构；所述激光控制机构用于控制所述激光发生机构以一定功率发出激光。

优选地，所述激光加热系统进一步包括检测装置，所述检测装置用于检测加热过程中样品的温度或者样品是否发生物相变化。

相对于现有技术，本发明所提供的一种激光加热方法，利用激光作用于所述基底的第二表面，也即直接对基底的第二表面进行加热，基底内进行热传导热量到达第一表面，从而进行放置在基底第一表面上样品的加热。这样基底的第一表面上温度一致性好，从而保证样品上温度分布均匀，提高实验结果的准确性。并且由于采用激光加热的方式，能对于微区样品(即尺寸为0.1-1000μm的样品)进行加热，特别适用于高通量材料实验。

本发明还提供一种激光加热系统，其包括基底和激光发生装置，所述激光发生装置所发出的激光作用于所述基底的第二表面，也即直接对基底的第二表面进行加热，基底内进行热传导热量到达第一表面，从而进行放置在基底第一表面上样品的加热。这样基底的第一表面上温度一致性好，从而保证样品上温度分布均匀，提高实验结果的准确性。并且由于采用激光加热的方式，能对于微区样品进行加热，特别适用于高通量材料实验。

【附图说明】

图1是本发明所提供的激光加热方法中基底和样品的结构示意图。

图2是本发明所提供的激光加热方法中基底和激光头的结构示意图。

图3是本发明所提供的激光加热方法中基底的部分区域的放大示意图。

图4是本发明所提供的激光加热方法中部分对比组基底的部分区域的放大示意图。

图5是本发明所提供的激光加热系统的结构示意图。

图6是本发明所提供的激光加热系统的另一实施例的结构示意图。

图7是本发明所提供的激光加热系统中激光发生装置的结构示意图。

【具体实施方式】

为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施实例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例一

一种激光加热方法，如图1、2所示，其用于对承载在基底10上的样品20进行加热。该基底10包括相对的第一表面101和第二表面102。如图1中所示，所述样品20承载在第一表面101，一般来说，在高通量材料实验中，所述样品20有若干个，并且阵列排布于基底10上。如图2所示，本发明所提供的激光加热方法利用激光30作用于所述基底10的第二表面102从而进行样品20的加热。激光30可以是由激光头301发出，可以理解激光30照射的位置与需要加热样品20的位置相对应即可。

相对于现有技术，本发明所提供的一种激光加热方法，利用激光30作用于所述基底10的第二表面102，也即直接对基底10的第二表面102进行加热，基底10内进行热传导热量到达第一表面101，从而进行放置在基底10第一表面101上样品20的加热。这样基底10的第一表面101上温度一致性好，从而保证样品20上温度分布均匀，提高实验结果的准确性。并且由于采用激光加热的方式，能对于微区样品(即尺寸为0.1-1000μm的样品)进行加热，特别适用于高通量材料实验。

优选地，所述基底10的导热系数为7-500w/mk，所述激光30的功率为2-12w。通过确定基底10的导热系数和激光30的功率，保证加热效果以及效率。具体的，当所述基底的导热系数为5-80w/mk时，所述激光的功率为2-4w；当所述基底的导热系数为80-300w/mk时，所述激光的功率为4-10w；当所述基底的导热系数为300-500w/mk时，所述激光的功率为6-12w。具体的，所述基底的材料为熔融石英晶体、硅或铜，也即所述基底为熔融石英晶体基底、硅基底或铜基底。在一些优选的实施例中，所述基底10的厚度d为0.5-3mm，既保证热量能有效传导，同时保证第二表面102上温度分布的均匀性。具体的，所述基底10的厚度d为0.5mm、0.6mm、0.8mm、1mm、1.2mm、1.5mm、2mm、2.5mm、3mm。

请一并参阅图3，图中示意性的展示出基底10的部分区域，即如图中所示的扇形区域。当利用激光30进行加热时，根据基底10上不同位置的温度进行进一步说明。

为进一步说明提供以下实验组：

实验组1-1

如图3中所示，激光30照射在a处，分别测试或进行仿真实验获取b、c、d处的温度。其中基底厚度d为1mm，半径r为2mm，半径r为1mm，即c处、d处分别距离b处2mm、0.9mm。

在该实验组中采用熔融石英晶体基底，激光加热参数：功率为4w，加热步长为0.01s，加热时间为1s。

加热后b处温度为1051k，c处温度为937k，d处温度为880k。因此c处与b处之间的温差为114k，d处与b处之间的温差为170k。

实验组1-2

实验组1-2与实验组1-1的区别在于：激光功率为2w。

加热后b处温度为686k，c处温度为594k，d处温度为538k。因此c处与b处之间的温差为92k，d处与b处之间的温差为148k。

对比组1-1

对比组1-1与实验组1-1的区别在于：激光功率为10w。

加热后b处温度为1898k，c处温度为1549k，d处温度为1386k。因此c处与b处之间的温差为349k，d处与b处之间的温差为512k。

对比组1-2

对比组1-2与实验组1-1的区别在于：如图4所示，激光30照射在b处。

加热后b处温度为1398k，c处温度为1187k，d处温度为880k。因此c处与b处之间的温差为211k，d处与b处之间的温差为518k。

实验组2-1

实验组2-1与实验组1-1的区别在于：采用硅基底。

加热后b处温度为925k，c处温度为922k，d处温度为920k。因此c处与b处之间的温差为3k，d处与b处之间的温差为5k。

实验组2-2

实验组2-2与实验组2-1的区别在于：激光功率为8w。

加热后b处温度为1463k，c处温度为1459k，d处温度为1457k。因此c处与b处之间的温差为4k，d处与b处之间的温差为6k。

对比组2-1

对比组2-1与实验组2-2的区别在于：如图4所示，激光30照射在b处。

加热后b处温度为1468k，c处温度为1461k，d处温度为1456k。因此c处与b处之间的温差为7k，d处与b处之间的温差为12k。

实验组3-1

实验组3-1与实验组2-2的区别在于：采用铜基底。

加热后b处温度为337k，c处温度为335k，d处温度为334k。因此c处与b处之间的温差为2k，d处与b处之间的温差为3k。

针对上述实验组的结果整理成表格，如下表所示：

实验结果分析：

(1)根据实验组1-1与对比组1-2、实验组2-2与对比组2-1之间的对比可知，当激光照射位置为a处时，b、c、d处之间的温差明显减小。

(2)根据实验组1-1、实验组1-2、对比组1-1之间的对比可知，对于熔融石英基底，更适用于较低的激光功率。

(3)根据实验组1-1、实验组2-2、实验组3-1之间的对比可知，当基底的导热系数较高时，温度分布更为均匀(熔融石英晶体的导热系数约为7.6w/mk，硅的导热系数约为150w/mk，铜的导热系数约为401w/mk)。并且，由于铜对激光的高反射率，因此其加热效果较差，但是温度分布均匀。

从上述结果可知，利用本发明所提供的激光加热方法，被加热的样品上温度分布均匀，提高实验结果的准确性。可以理解，根据不同的加热需求，可以选择不同的基底以及激光功率。其中，当采用熔融石英晶体基底时，激光功率优选为2-4w；当采用硅基底时，激光功率优选为4-10w，进一步优选为4-8w；当采用铜基底时，激光功率优选为6-12w，进一步优选为8w。

实施例二

对样品进行热处理后，需要对样品进行各种测试，其中对于样品物相变化温度的检测是很重要的测试之一。

在该实施例中，对于如何进行样品物相变化温度的检测做进一步说明。

一种激光加热方法，包括利用激光对样品进行加热(加热方式请参考实施例一)，在加热过程中实时检测样品温度。当检测到样品的温度达到预设温度时，停止加热。也即可以设定需要使样品加热至1000k，当检测到样品温度达到1000k时，停止加热(即关闭激光)。因此，可以对样品进行多次加热后，直至观察或检测样品是否发生物相变化，从而确定样品物相变化温度。例如，将样品加热至1000k后，观察或检测样品是否发生物相变化，如果没有可以依次升高预设温度(1005k、1010k、1015k……)，直至样品是否发生物相变化。从而确定样品物相变化温度在某个温度区间内。

在另一些实施例中，所述激光加热方法包括实时检测样品温度及实时检测样品是否发生物相变化。因此，可以对样品持续加热，直至检测到样品发生物相变化，检测到样品发生物相变化时所测得的样品温度即为样品物相变化温度。

实施例三

一种激光加热系统40，如图5所示，其包括基底41和激光发生装置42，所述基底41用于放置需要加热的样品50，所述激光发生装置42用于发出激光。基底41、样品40和所发出的激光之间的关系示意图请参照图1，也即所述基底41包括相对的第一表面和第二表面，所述第一表面用于放置样品50；所述激光发生装置42所发出的激光作用于所述基底41的第二表面从而进行样品50的加热。

这样基底41的第一表面上温度一致性好，从而保证样品50上温度分布均匀，提高实验结果的准确性。并且由于采用激光加热的方式，能对于微区样品进行加热，特别适用于高通量材料实验。

针对基底41参数的优选请参照实施例一，在此不再赘述。在一些优选的实施例中，所述激光发生装置42包括激光控制机构422、激光发生机构421；所述激光控制机构422用于控制所述激光发生机构421以一定功率发出激光。也即所述激光控制机构422可以控制所述激光发生机构421所发出激光的功率。通过控制激光的功率能更好的进行实验，对于功率的选择请参照实施例一。

优选的，所述激光加热系统40进一步包括检测装置43，所述检测装置43用于检测加热过程中样品50的温度或者样品50是否发生物相变化。具体的，如图5所示，所述检测装置43包括用于实时检测所述样品50的温度的温度检测机构431，或者如图6所示，所述检测装置43包括用于实时检测所述样品50的温度的温度检测机构431和用于检测所述样品50是否发生物相变化的物相检测机构432。所述检测装置43将所得到的检测数据实时反馈给所述激光控制机构422；所述激光控制机构422根据检测数据判断是否控制激光发生机构431停止发出激光。

通过检测装置43实时检测加热过程中样品50的温度或者样品50是否发生物相变化，能很好的对样品物相变化温度进行检测。

优选地，所述温度检测机构431为红外热像仪，可以安全快速的进行温度的检测。优选地，所述物相检测机构432包括光信号发生模块(图未示)和光信号探测模块(图未示)，所述光信号发生模块发出光信号作用于样品50上，所述光信号探测模块接收在该样品50处反射的光信号，从而检测所述样品50是否发生物相变化。利用光反射信号的不同判断样品50是否发生物相变化，更为快速方便。

当所述检测装置43包括用于实时检测所述样品50的温度的温度检测机构431，检测到样品50的温度达到预设温度时，所述激光控制机构422控制激光发生机构421停止发出激光；当所述检测装置43包括用于实时检测所述样品50的温度的温度检测机构431和用于检测所述样品50是否发生物相变化的物相检测机构432，检测到样品50发生物相变化时，所述激光控制机构432控制激光发生机构431停止发出激光。具体的，如何进行操作并确定样品物相变化温度请参照实施例二。

在一些优选的实施例中，请一并参阅图7，所述激光发生装置42还包括聚焦机构423，所述聚焦机构423用于聚焦所述激光发生机构421所发出的激光，以在所述基底41的第二表面上形成光斑。通过聚焦机构423对所发出的激光进行聚焦，能更好的保证激光照射在所需的位置以及利用激光进行加热的加热效率。

优选的，所述聚焦机构423包括扩束镜4232和聚焦目镜4231。可以理解所述激光发生机构421所发出的激光会形成激光束，激光经过扩束镜4232进行扩束，能扩展激光束的直径，并且能减小激光束的发射角。这样能使形成的光斑更小，能更好的适应样品微型化的发展。

与现有技术相比，本发明所提供的激光加热方法，其用于对承载在基底上的样品进行加热，该基底包括相对的第一表面和第二表面，所述样品承载在第一表面，利用激光作用于所述基底的第二表面从而进行样品的加热。这样基底的第一表面上温度一致性好，从而保证样品上温度分布均匀，提高实验结果的准确性。并且由于采用激光加热的方式，能对于微区样品进行加热，特别适用于高通量材料实验。

进一步的是，所述基底的导热系数为7-500w/mk，所述激光的功率为2-12w。通过确定基底10的导热系数和激光30的功率，保证加热效果以及效率。

进一步的是，所述基底的材料为熔融石英晶体、硅或铜。可以根据加热需求选择不同的基底材料。

进一步的是，当所述基底的导热系数为5-80w/mk时，所述激光的功率为2-4w；当所述基底的导热系数为80-300w/mk时，所述激光的功率为4-10w；当所述基底的导热系数为300-500w/mk时，所述激光的功率为6-12w。当基底的导热系数不同时，选用不同的激光功率，在保证温度分布均匀性的同时，保证加热效果。

进一步的是，所述基底的厚度为0.5-3mm，既保证热量能有效传导，同时保证第二表面上温度分布的均匀性。

进一步的是，所述激光加热方法进一步包括实时检测样品温度。进一步的是，所述激光加热方法进一步包括实时检测样品是否发生物相变化。通过实时检测加热过程中样品的温度或者样品是否发生物相变化，能很好的对样品物相变化温度进行检测。

本发明还提供一种激光加热系统，其包括基底和激光发生装置，所述基底用于放置需要加热的样品，所述激光发生装置用于发出激光，所述基底包括相对的第一表面和第二表面，所述第一表面用于放置样品；所述激光发生装置所发出的激光作用于所述基底的第二表面从而进行样品的加热。这样基底的第一表面上温度一致性好，从而保证样品上温度分布均匀，提高实验结果的准确性。并且由于采用激光加热的方式，能对于微区样品进行加热，特别适用于高通量材料实验。

进一步的是，所述激光发生装置包括激光控制机构、激光发生机构；所述激光控制机构用于控制所述激光发生机构以一定功率发出激光。通过控制激光的功率能更好的进行实验。

进一步的是，所述激光加热系统进一步包括检测装置，所述检测装置用于检测加热过程中样品的温度或者样品是否发生物相变化。通过实时检测加热过程中样品的温度或者样品是否发生物相变化，能很好的对样品物相变化温度进行检测。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的原则之内所作的任何修改，等同替换和改进等均应包含本发明的保护范围之内。