用于声子耗散的超快光与非接触摩擦区的耦合装置

摘要

本发明提供的用于声子耗散的超快光与非接触摩擦区的耦合装置，视窗组件可将摩擦声子能耗探测装置的内部与外部进行隔离，为物镜组件提供合适的工作环境。第一姿态调整机构用于带动视窗组件上下移动以及倾斜摆动，保证装配过程中视窗组件和物镜同心。第二姿态调整机构用于调整物镜的水平位置和焦距。声子动力学测试装置的超快激光可通过反射组件反射，经物镜到达待检测样品表面，观察光经反射组件反射回声子动力学测试装置内，实现对摩擦过程中声子动力学特性‑50fs超快时间分辨率以及1meV超高能量分辨率的探测。如此，该耦合装置可将摩擦学测试系统和声子动力学系统耦合联结，实现对二维材料的摩擦声子能耗的原位探测。

权利要求

1.一种用于声子耗散的超快光与非接触摩擦区的耦合装置，其特征在于，包括：视窗组件，所述视窗组件包括壳体和高透光顶盖，所述壳体内部中空，且所述壳体上下两端分别设置有顶部开口和底部开口，所述高透光顶盖用于封闭所述顶部开口；

物镜组件，所述物镜组件包括支撑架和物镜，所述支撑架设置在所述物镜的底部，所述支撑架能够带动所述物镜由所述底部开口伸入所述壳体内部；

第一姿态调整机构，所述第一姿态调整机构设置在所述壳体的底部，所述第一姿态调整机构能够带动所述视窗组件上下移动，且能够带动所述视窗组件倾斜摆动；

第二姿态调整机构，所述第二姿态调整机构设置在所述支撑架的底部，所述第二姿态调整机构能够带动所述物镜组件沿水平方向和竖直方向移动；

反射组件，所述反射组件设置在所述支撑架的下方，所述反射组件能够将外部光线反射到所述物镜处，且能够将所述物镜传递的光线反射到外部。

2.根据权利要求1所述的用于声子耗散的超快光与非接触摩擦区的耦合装置，其特征在于，所述第一姿态调整机构包括：第一底座，所述第一底座设置在所述壳体的底部，所述第一底座上设置有连通所述壳体内外两侧的第一通孔；

第二底座，所述第二底座设置在所述第一底座的顶部，所述第二底座上设置有第二通孔，所述第二通孔套设在所述壳体外侧；

活动连接件，所述活动连接件设置在所述第二通孔与所述壳体之间且与所述第一底座连接；

调节组件，所述调节组件设置在所述第一底座与所述第二底座之间，所述调节组件用于带动所述第一底座上下移动，且用于带动所述第一底座倾斜摆动。

3.根据权利要求2所述的用于声子耗散的超快光与非接触摩擦区的耦合装置，其特征在于，所述活动连接件为波纹管。

4.根据权利要求2所述的用于声子耗散的超快光与非接触摩擦区的耦合装置，其特征在于，所述调节组件包括至少三个调节螺钉，所述调节螺钉可旋转的连接在所述第一底座的外周面上，所述调节螺钉的螺纹端与所述第二底座靠近所述第一底座的一侧螺纹连接。

5.根据权利要求2所述的用于声子耗散的超快光与非接触摩擦区的耦合装置，其特征在于，所述第一底座和所述第二底座均为法兰。

6.根据权利要求1所述的用于声子耗散的超快光与非接触摩擦区的耦合装置，其特征在于，所述第二姿态调整机构包括第三底座、三维位移平台和托板，所述三维位移平台设置在所述第三底座上，所述托板与所述三维位移平台连接，且所述托板用于与所述支撑架连接。

7.根据权利要求6所述的用于声子耗散的超快光与非接触摩擦区的耦合装置，其特征在于，所述反射组件包括支撑臂和反射镜，所述支撑臂的第一端与所述第三底座连接，所述支撑臂的第二端延伸到所述支撑架的底部，所述反射镜设置在所述支撑臂的第二端且位于所述支撑臂的顶面。

8.根据权利要求7所述的用于声子耗散的超快光与非接触摩擦区的耦合装置，其特征在于，所述反射镜与所述支撑臂之间设置有角度调节装置。

9.根据权利要求1所述的用于声子耗散的超快光与非接触摩擦区的耦合装置，其特征在于，所述高透光顶盖为熔融石英玻璃。

10.根据权利要求1所述的用于声子耗散的超快光与非接触摩擦区的耦合装置，其特征在于，所述壳体的材质为抗压材料。

说明书

用于声子耗散的超快光与非接触摩擦区的耦合装置

技术领域

[0001] 本发明涉及摩擦声子动力学特性检测装置技术领域，尤其涉及一种用于声子耗散的超快光与非接触摩擦区的耦合装置。

背景技术

[0002] 节能降耗是目前工业界亟需解决的关键问题，而世界总能耗的三分之一左右来自于摩擦相关的消耗。对于宏观摩擦的能耗，其本质是多种微观摩擦能耗的累加。固体超滑是微纳尺度下减少摩擦、降低能耗的有效方法。二维材料以其原子级厚度、表面平整、性能优异、缺陷可控等特点，成为固体超滑领域研究的前沿热点。准确地表征二维材料的摩擦能耗值，是节能降耗的关键步骤之一。同时，摩擦会导致界面黏着区域产生相当高的温度，而当界面温度发生变化时，局部发热使平衡状态被破坏，各能级上的声子占有数也会发生变化，声子以相互碰撞的方式进行耗散，因而使非热平衡状态向平衡状态转变。声子主导的摩擦‑热转换是摩擦能耗的主要途径，声子的频率或寿命都会影响摩擦能耗过程发生的速率。因此，准确探测和表征摩擦过程中的声子动力学特性，获得声子对二维材料摩擦能耗的影响规律有助于从能耗角度探究摩擦起源、理解超滑本质，最终实现调控摩擦能耗、达到减摩降耗的目标。

[0003] 摩擦过程中被激发的声子是摩擦能耗的最主要方式，而声子激发和湮灭的能量在meV量级，且声子动力学过程通常发生在数皮秒(ps)间，为研究具体的声子动力学过程，需要拥有飞秒(fs)级的时间分辨率和较高的信噪比，而现有的摩擦学测试系统无法有效地探测摩擦声子的耗散过程。

发明内容

[0004] 本发明提供一种用于声子耗散的超快光与非接触摩擦区的耦合装置，用以解决现有技术中的摩擦学测试系统无法有效探测摩擦声子耗散过程的问题，将具备高时间分辨率和能量分辨率的声子动力学测试系统与摩擦学测试系统进行耦合联用，实现对超快时间分辨率与超高能量分辨率的摩擦声子能耗的原位探测，获得非接触摩擦过程中的声子动力学特性。

[0005] 本发明提供一种用于声子耗散的超快光与非接触摩擦区的耦合装置，包括：视窗组件，所述视窗组件包括壳体和高透光顶盖，所述壳体内部中空，且所述壳体上下两端分别设置有顶部开口和底部开口，所述高透光顶盖用于封闭所述顶部开口；物镜组件，所述物镜组件包括支撑架和物镜，所述支撑架设置在所述物镜的底部，所述支撑架能够带动所述物镜由所述底部开口伸入所述壳体内部；第一姿态调整机构，所述第一姿态调整机构设置在所述壳体的底部，所述第一姿态调整机构能够带动所述视窗组件上下移动，且能够带动所述视窗组件倾斜摆动；第二姿态调整机构，所述第二姿态调整机构设置在所述支撑架的底部，所述第二姿态调整机构能够带动所述物镜组件沿水平方向和竖直方向移动；反射组件，所述反射组件设置在所述支撑架的下方，所述反射组件能够将外部光线反射到所述物镜处，且能够将所述物镜传递的光线反射到外部。

[0006] 根据本发明提供的一种用于声子耗散的超快光与非接触摩擦区的耦合装置，所述第一姿态调整机构包括：第一底座，所述第一底座设置在所述壳体的底部，所述第一底座上设置有连通所述壳体内外两侧的第一通孔；第二底座，所述第二底座设置在所述第一底座的顶部，所述第二底座上设置有第二通孔，所述第二通孔套设在所述壳体外侧；活动连接件，所述活动连接件设置在所述第二通孔与所述壳体之间且与所述第一底座连接；调节组件，所述调节组件设置在所述第一底座与所述第二底座之间，所述调节组件用于带动所述第一底座上下移动，且用于带动所述第一底座倾斜摆动。

[0007] 根据本发明提供的一种用于声子耗散的超快光与非接触摩擦区的耦合装置，所述活动连接件为波纹管。

[0008] 根据本发明提供的一种用于声子耗散的超快光与非接触摩擦区的耦合装置，所述调节组件包括至少三个调节螺钉，所述调节螺钉可旋转的连接在所述第一底座的外周面上，所述调节螺钉的螺纹端与所述第二底座靠近所述第一底座的一侧螺纹连接。

[0009] 根据本发明提供的一种用于声子耗散的超快光与非接触摩擦区的耦合装置，所述第一底座和所述第二底座均为法兰。

[0010] 根据本发明提供的一种用于声子耗散的超快光与非接触摩擦区的耦合装置，所述第二姿态调整机构包括第三底座、三维位移平台和托板，所述三维位移平台设置在所述第三底座上，所述托板与所述三维位移平台连接，且所述托板用于与所述支撑架连接。

[0011] 根据本发明提供的一种用于声子耗散的超快光与非接触摩擦区的耦合装置，所述反射组件包括支撑臂和反射镜，所述支撑臂的第一端与所述第三底座连接，所述支撑臂的第二端延伸到所述支撑架的底部，所述反射镜设置在所述支撑臂的第二端且位于所述支撑臂的顶面。

[0012] 根据本发明提供的一种用于声子耗散的超快光与非接触摩擦区的耦合装置，所述反射镜与所述支撑臂之间设置有角度调节装置。

[0013] 根据本发明提供的一种用于声子耗散的超快光与非接触摩擦区的耦合装置，所述高透光顶盖为熔融石英玻璃。

[0014] 根据本发明提供的一种用于声子耗散的超快光与非接触摩擦区的耦合装置，所述壳体的材质为抗压材料。

[0015] 本发明提供的用于声子耗散的超快光与非接触摩擦区的耦合装置，通过该耦合装置可将具备高时间分辨率和能量分辨率的声子动力学测试系统与摩擦学测试系统进行耦合联用，获得非接触摩擦过程中的声子动力学特性。视窗组件可安装到摩擦声子能耗探测装置中，视窗组件的底部开口可与外界连通，通过视窗组件可将摩擦声子能耗探测装置的内部与外部进行隔离。物镜组件伸入到视窗组件内部，视窗组件的内部空间为物镜组件提供合适的工作环境。第一姿态调整机构与壳体底部连接，可带动视窗组件上下移动，且可带动视窗组件倾斜摆动，可保证装配过程中视窗组件和位于视窗组件内部的物镜同心。第二姿态调整机构与支撑架底部连接，可带动物镜组件沿水平和竖直方向移动，可用于调整物镜的水平位置和焦距，弥补装配过程中的误差。声子动力学测试装置的超快激光可通过反射组件反射到物镜位置，并到达待检测样品表面，观察光经物镜到达反射组件，反射组件将观察光反射回声子动力学测试装置内，实现对摩擦过程中声子动力学特性‑50fs超快时间分辨率以及1meV超高能量分辨率的探测。如此，该耦合装置可将摩擦学测试系统和声子动力学系统进行耦合联结，实现对二维材料的摩擦声子能耗的原位探测。

附图说明

[0016] 为了更清楚地说明本发明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，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0017] 图1是本发明提供的用于声子耗散的超快光与非接触摩擦区的耦合装置主视图；

[0018] 图2是本发明提供的图1的A‑A向视图；

[0019] 图3是本发明提供的摩擦学测试装置主视图；

[0020] 图4是本发明提供的图3中a处放大图；

[0021] 图5是本发明提供的图3的B‑B向视图；

[0022] 图6是本发明提供的图5的b处放大图；

[0023] 图7是本发明提供的未设置耦合装置的摩擦学测试装置剖视图；

[0024] 图8是本发明提供的图7中c处放大图；

[0025] 图9是本发明提供的视窗组件主视图；

[0026] 图10是本发明提供的图9的C‑C向视图；

[0027] 图11是本发明提供的第二底座的三维结构示意图；

[0028] 图12是本发明提供的CARS系统与物镜组件耦合光路图；

[0029] 附图标记：

[0030] 1：壳体；            2：高透光顶盖；      3：真空声子腔；

[0031] 4：TNC‑AFM；         5：CARS系统；        6：光路接口；

[0032] 7：中孔；            8：支撑架；          9：物镜；

[0033] 10：第一底座；       11：第二底座；       12：波纹管；

[0034] 13：调节螺钉；       14：方扣；           17：第一通孔；

[0035] 18：第二通孔；       19：第三底座；       20：三维位移平台；

[0036] 21：托板；           22：支撑臂；         23：反射镜；

[0037] 24：角度调节装置。

具体实施方式

[0038] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明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。

[0039] 下面结合图1至图12描述本发明的用于声子耗散的超快光与非接触摩擦区的耦合装置。

[0040] 本发明提供的用于声子耗散的超快光与非接触摩擦区的耦合装置，可将具备高时间分辨率和高能量分辨率的声子动力学测试系统与摩擦学测试系统进行耦合联用，实现对超快时间分辨率与超高能量分辨率的摩擦声子能耗的原位探测，获得非接触摩擦过程中的声子动力学特性。

[0041] 现有技术中，基于TNC‑AFM4(Tuning‑fork‑based Non‑Contact Atomic Force Microscope，音叉式非接触原子力显微镜)的非接触摩擦能耗测试系统是摩擦声子能耗探测系统的重要组成部分，可在超高真空环境下进行非接触能耗测试。时间分辨的CARS系统5(Coherent Anti‑Stokes Raman Spectroscopy，相干反斯托克斯拉曼光谱散射装置)是探测声子能耗的有力手段，可实现对声子寿命及频率的探测。为探究摩擦状态下的声子动力学特性，检测过程中反斯托克斯拉曼谱线的增强、展宽和位移，选择抗干扰能力强的CARS光路与基于TNC‑AFM4的非接触摩擦系统耦合，实现对摩擦过程中声子动力学特性‑50fs超快时间分辨率以及1meV超高能量分辨率的探测。

[0042] 本发明提供的用于声子耗散的超快光与非接触摩擦区的耦合装置可以将上述的TNC‑AFM4和CARS进行耦合，使TNC‑AFM4和CARS合二为一，使两者的组合可应用于声子动力学特性的研究。

[0043] 本发明提供的用于声子耗散的超快光与非接触摩擦区的耦合装置，包括视窗组件、物镜组件、第一姿态调整机构、第二姿态调整机构和反射组件。

[0044] 视窗组件包括壳体1和高透光顶盖2，壳体1可以为圆筒形结构，内部中空且两端设置有顶部开口和底部开口，高透光顶盖2封闭在壳体1的顶部开口处，高透光顶盖2与壳体1可采用胶粘连接。现有的摩擦声子能耗探测系统包括真空声子腔3和TNC‑AFM4，TNC‑AFM4位于真空声子腔3内部，为了通过该耦合装置实现TNC‑AFM4与CARS系统5的耦合，真空声子腔3的底部预留光路接口6，TNC‑AFM4的底部设置有中孔7。壳体1的顶部朝上，通过光路接口6伸入到真空声子腔3内，并通过中孔7，使高透光顶盖2位于待检测样品的下方，而壳体1的另一端位于真空声子腔3的外部，壳体1的底部开口与外部大气连通，壳体1和高透光顶盖2将真空声子腔3的内部真空环境与外部大气环境进行了隔离。

[0045] 其中，上述的TNC‑AFM4的中孔7直径可以为50mm，壳体1的外径可以为40mm，在保证装配余量的同时尽可能减小开孔尺寸。高透光顶盖2可以通过中孔7伸入到样品下方5mm处。

[0046] 物镜组件包括支撑架8和物镜9，支撑架8设置在物镜9的底部，支撑架8可以为筒状结构，内部形成光线穿过的通道。在支撑架8的带动下，物镜9可以由壳体1的底部开口向上伸入到高透光顶盖2下方，从而近距离接近样品，将激光汇聚到样品表面。视窗组件可作为物镜组件的外壳，壳体1内部为大气、常温环境，视窗组件的外部为超真空、超低温环境，视窗组件为物镜组件提供了合适的工作环境。

[0047] 其中，物镜9可以选用奥林巴斯100倍的长焦物镜9，具体型号为SLMPLN100X，其竖直孔径为0.6，直径26mm，工作距离7.6mm。支撑架8可包括两级，两级支撑架8均为筒状结构，可伸入至高透光顶盖2下表面。两级支撑架8顶部支撑物镜9，底部与第二姿态调整机构连接，内部中空，使激光通过，两级支撑架8之间以及支撑架8与物镜9之间可通过螺纹连接，与下方的反射组件配合，实现对样品的光学观察和探测。

[0048] 第一姿态调整机构设置在壳体1的底部，用于带动视窗组件上下移动，且能够带动视窗组件倾斜摆动，用于调整视窗组件的姿态。一方面可以避免壳体1内壁与物镜组件发生空间干涉，另一方面可以调整高透光顶盖2使其处于水平状态，便于光学试验，保证在装配过程中视窗组件和内部的物镜9同心。

[0049] 第二姿态调整机构设置在支撑架8的底部，用于带动物镜组件沿水平方向和竖直方向移动，用于调整物镜9的水平位置以及焦距，弥补装配过程中的误差。

[0050] 反射组件设置在支撑架8的下方，反射组件可将CARS光路的超快激光反射到物镜9处，超快激光经物镜9和高透光顶盖2照射到试样上，同时观察光穿过高透光顶盖2和物镜9，最后经反射组件反射到CARS系统5，实现TNC‑AFM4系统和CARS系统5的耦合。

[0051] 在本发明的一个实施例中，上述的第一姿态调整机构包括第一底座10、第二底座11、活动连接件和调节组件。第一底座10设置在壳体1的底部，第一底座10上设置有连通壳体1内外两侧的第一通孔17。第二底座11设置在第一底座10的顶部，第二底座11上设置有第二通孔18，第二通孔18套设在壳体1外侧。活动连接件设置在所述第二通孔18与所述壳体1之间，且与第一底座10连接。调节组件设置在第一底座10与第二底座11之间，通过调整调节组件使活动连接件发生形变，使第一底座10带动壳体1上下移动且可通过第一底座10带动壳体1发生倾斜摆动，以此达到使视窗组件与物镜组件同心的效果。第二底座11还用于与真空声子腔3的外侧壁连接。

[0052] 在可选的实施例中，上述的活动连接件可以为波纹管12，波纹管12可实现轴向伸缩，使第一底座10可带动壳体1上下移动，波纹管12可发生弯曲变形，使第一底座10可发生倾斜摆动。

[0053] 在可选的实施例中，上述的调节组件可以包括至少三个调节螺钉13，优选的实施方式为，调节螺钉13包括四个，沿第一底座10的外周面均匀分布。在第一底座10的外周面可以设置与调节螺钉13的数量对应的四个方扣14，四个方扣14可焊接在第一底座10的外周面上。在方扣14上可以设置旋转孔，在第二底座11与调节螺钉13对应的位置可以设置螺纹孔，调节螺钉13穿过旋转孔后与螺纹孔进行螺纹连接。如此可通过调节四个调节螺钉13实现第一底座10沿竖直方向±5mm进行上下移动，以及实现壳体1相对竖直轴线±5°进行倾斜摆动。

[0054] 在可选的实施例中，上述的第一底座10和第二底座11均可以为法兰。第一底座10可以为CF35法兰，第二底座11可以为CF63法兰。波纹管12设置在两个法兰之间，CF63法兰用于和真空声子腔3的光学接口6连接，CF35法兰用于和壳体1连接，使得壳体1从波纹管12内部通过。

[0055] 在工作过程中需要对物镜9的焦距和位置进行调整，一方面壳体1的内径可以为34mm，物镜9的外径可以为26mm，壳体1内部的空间为物镜9提供了充足的调整空间，另一方面第二姿态调整组件为物镜9的移动提供驱动力。第二姿态调整机构包括第三底座19、三维位移平台20和托板21，三维位移平台20与第三底座19连接，三维位移平台20包括X向移动机构、Y向移动机构和Z向移动机构，可实现三个自由度的平移，X向移动机构、Y向移动机构和Z向移动机构均可以由气缸、电推杆等驱动装置进行驱动。例如托板21可以与Z向移动机构连接，托板21水平延伸到第一底座10的下方，支撑架8的底部与托板21螺纹连接，支撑架8带动物镜9伸入到壳体1内，通过三维位移平台20带动物镜9在壳体1内实现上下、左右、前后的平移。

[0056] 在本发明的一个实施例中，上述的反射组件包括支撑臂22和反射镜23，支撑臂22的第一端与第三底座19连接，第二端延伸到支撑架8的底部，反射镜23安装在支撑臂22的第二端的顶部。

[0057] 在进一步的实施例中，上述的反射镜23与支撑臂22之间还设置有角度调节装置24，可通过减速齿轮组对反射镜23的角度进行精确调节。

[0058] 在本发明的一个实施例中，上述的高透光顶盖2可以使用熔融石英玻璃，熔融石英玻璃对试验所用的波长有较好的透光性，可减少激光能量的损失。

[0059] 在本发明的一个实施例中，上述的壳体1的材质可以为抗压材料，例如可以为304不锈钢，不锈钢的强度高，用于承受腔体和环境之间的压力差。

[0060] 最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。