激光双轴共焦诱导击穿-拉曼光谱成像探测方法与装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于光谱测量及成像技术领域，涉及一种激光双轴共焦诱导击穿-拉曼光谱成像探测方法及装置，将激光共焦成像技术与光谱探测技术相结合，构成一种“图谱合一”的高分辨光谱成像与探测方法及装置，可用于样品的微区形态组分多光谱综合测试与高分辨成像。
技术背景
[0002]激光诱导击穿光谱技术(LaserInduced Breakdown Spectroscopy，简称 LIBS)，是一种物质组分原位探测技术，其利用高功率密度的激光激发样品表面，产生激光诱导等离子体，通过探测激光诱导等离子体中的原子和离子谱线，来确定样品的组分组成，其突出优势是可探测原子与小分子元素组成。
[0003]自1962年诞生以来，激光诱导击穿光谱技术广泛应用于微纳制造、矿产分析、环境监测、生物医疗等多个领域，并且在2011年美国发射的“好奇号”火星车搭载的“化学与摄像机仪器系统(ChemCam) ”被用于对火星地表岩石样品进行远程探测，展现出其在空间物质组分探测方面的强大能力，因此继“好奇号”火星车ChemCam系统之后又一次被选为金星探测用仪器，被世界多个国家航天结构广泛研宄采用。
[0004]但现有的激光诱导击穿光谱技术存在以下突出问题:
[0005]I)由于利用平行激光束来照射激发样品产生等离子体，因而其仍存在激光激发光斑大、光谱探测空间分辨力不高等问题；
[0006]2)无法对分子中的化学键、分子结构等参数进行探测，其结果制约了样品物质组分信息的准确完整获取；
[0007]3)无法有效抑制背向散射光干扰，制约了系统信噪比的提升，并进而限制了光谱探测分辨力的改善；
[0008]3)获得的样品组分信息无法与样品的形态信息进行结合，无法实现样品形态-组分综合信息的原位高分辨获取。
[0009]而矿产、空间物质以及生化样品的“微区”完整组分信息的准确获取对于科学研宄和生产检测都具有极其重要的意义。事实上，如何高灵敏地探测微区成分信息是目前矿产分析、空间探测和环境检测等领域亟待研宄的共性技术问题。
[0010]激光诱导击穿光谱的强脉冲激光聚焦到样品表面会使样品离子化，可激发样品产生等离子体，通过探测等离子体能量衰退辐射出的光谱可获取样品的原子及小分子元素组成信息，但是无法获得样品分子的化学键和分子结构信息，如何完整的获取样品分子的元素组成及分子结构信息，对于高精度分析样品的组分具有重要意义。
[0011]利用激光拉曼光谱技术可测量样品的分子激发光谱，获得样品中的化学键和分子结构信息。将激光拉曼光谱技术与激光诱导击穿光谱(LIBS)技术相结合，可以来弥补激光诱导击穿光谱技术中无法获得分子结构和化学键信息的不足。
[0012]激光双轴共焦技术利用照明与探测光路非共路结构进行探测，不仅显著提高了光路的轴向分辨力和定焦精度，实现样品形貌的高分辨成像探测，而且可以有效抑制背向散射干扰，提高光谱探测信噪比。
[0013]基于此，本发明提出一种激光双轴共焦诱导击穿光谱-拉曼光谱显微成像方法与装置，其创新在于:首次将具有激光双轴共焦探测光路与激光诱导击穿光谱(LIBS)技术和激光拉曼光谱探测技术相融合，可实现被测样品微区高分辨和高灵敏形貌和组分的成像与探测。
[0014]本发明提出的一种激光双轴共焦诱导击穿光谱-拉曼光谱显微成像方法与装置可为物质组分高分辨成像探测提供一个全新的有效技术途径。
【发明内容】
[0015]本发明的目的是为了实现物质组分与形态信息的“图谱合一”的高分辨光谱成像，提出一种激光双轴共焦诱导击穿-拉曼光谱成像探测方法及装置，以期同时获得被测样品的微区形态组分多光谱综合测试与高分辨成像。
[0016]本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
[0017]本发明的双轴共焦激光诱导击穿-拉曼光谱成像探测方法，光路照明光轴与探测光轴成夹角分布，激发光照射沿照明光路照射到样品表面激发出瑞利光和载有样品组分信息的激光诱导击穿光谱和拉曼光谱，瑞利光、激光诱导击穿光谱和拉曼光谱被与照明光路成夹角的探测光路接收，经过分光一部分进入激光诱导击穿光谱探测系统获得样品的元素组成信息，另一部分中的拉曼散射光透过二向色分光系统进入拉曼光谱探测系统获得样品的化学键和分子结构信息，瑞利光和激光诱导击穿光谱经过二向色分光系统反射进入共焦探测系统进行光强探测获得样品表面高度和形貌信息。激光诱导击穿光谱探测、拉曼光谱探测和激光双轴共焦形貌信息探测三者结合可实现结构共用和功能互补，实现高空间分辨的光谱成像与探测，该方法的具体实现步骤如下:
[0018]I)照明物镜与采集物镜对称分布在测量面法线两侧，并且照明光轴与测量面法线的夹角为Q1，采集光轴与测量面法线的夹角为θ2，以测量面法线方向为测量轴线，建立系统坐标系(x，y，z)，其中θ1= θ 2；
[0019]2)激发光经由照明物镜聚焦到被测样品上，激发出瑞利光和载有被测样品光谱特性的拉曼光谱和激光诱导击穿光谱，被激发出的瑞利光及载有被测样品物质组分信息的拉曼光谱和激光诱导击穿光谱被反射进入采集物镜，并被采集物镜会聚到分光系统，光束经分光系统分光后分为透射和反射两束，透射光路进入激光诱导击穿光谱探测系统获得激光诱导击穿光谱信号Ι(λ J ;反射光束经过二向色分光系统分光，反射光中的拉曼光谱透过二向色分光系统进入拉曼光谱探测系统获得拉曼光谱信号I ( λκ)，反射光束中的瑞利光和激光诱导击穿光谱被二向色分光系统反射进入共焦探测系统；
[0020]3)对进入共焦探测系统的光信号进行光强探测，测量光束经过测量透镜会聚到点探测器上，点探测器探测会聚光斑中心区域附近光强信号，结合被测样品3的轴向移动距离得到共焦曲线，获得共焦信号I U，y, ζ,)，利用共焦曲线峰值点与焦点位置对应的特性，通过峰值点位置来定位激发光束焦点O位置，实现被测样品的焦点定位；
[0021]4)根据共焦信号I (X，y, ζ,)控制激光光束准确定焦到被测样品上，重新获取被测样品的光谱信号IUJ和Ι(λκ);
[0022]5)利用数据处理系统将获得的共焦信号I(x，y，z)、光谱信号和Ι(λΕ)进行数据融合处理，以获得样品的形貌信息和物质组分信息的四维测量信息I (X，y, z, Xl, λ k)；
[0023]6)完成上述步骤后，控制光束对被测样品进行扫描探测，对被测样品表面下一个点重复步骤2)、3)、4)、5)直至扫描完成；
[0024]7)单独处理共焦信号I(x，y，z)时，获得被测样品的高空间分辨的三维形貌信息；单独处理拉曼光谱信号Ι(λκ)时，获得被测样品的化学键和分子结构信息；单独处理激光诱导击穿光谱信号ι(λ J时，获得被测样品的元素组成信息；同时处理共焦信号1(17，2)、光谱信号1(人^和Ι(λκ)时，获得被测样品的高空间分辨形貌及微区物质组分“图谱合一”的成像探测。
[0025]本发明中共焦探测系统中的点探测器还可以是图像采集系统，数据处理系统从图像采集系统上获取焦斑图案后，计算出此时焦斑图案的中心位置，并取焦斑图案中心附近区域进行光强探测，构成共焦虚拟针孔，当被测样品进行轴向扫描移动时，数据处理系统计算出共焦虚拟针孔范围内像素灰度总和，得到共焦轴向强度响应。
[0026]本发明中为压缩测量聚焦光斑尺寸并提高系统横向分辨力，所述激发光束是偏振光束，包括线偏光、圆偏光、径向偏振光；或是由光瞳滤波技术生成的结构光束。
[0027]本发明中系统还可以探测荧光、康普顿散射光等散射光谱。
[0028]本发明提供一种双轴共焦激光诱导击穿-拉曼光谱成像探测装置，包括光源，照明物镜和采集物镜，其特征在于:还包括准直扩束镜，光束扫描装置，分光系统，二向色分光系统、共焦探测装置、拉曼光谱探测系统和激光诱导击穿光谱探测系统；其中，照明物镜和采集物镜对称地布局在测量面法线两侧，照明光轴与测量面法线的夹角为Θ i，采集光轴与测量面法线的夹角为θ2，其中θ1= Θ 2，准直扩束镜、光束扫描装置和照明物镜依次放在光源的出射光线方向，采集物镜和分光系统依次放在被测样品的反射光线方向，激光诱导击穿光谱探测系统放在二向色分光装置透射方向，二向色分光系统和拉曼光谱探测系统放置在分光系统的反射方向，共焦探测装置放置在向色分光系统的反射方向。
[0029]本发明装置中为提高系统横向分辨力，系统还可在准直扩束镜和照明物镜之间加入照明端光瞳滤波器，或者在二向色性分光系统和测量透镜之间加入采集端光瞳滤波器，或者在准直扩束镜和照明物镜之间以及二向色分光系统和测量透镜之间同时加入照明端光瞳滤波器和米集端光瞳滤波器。
[0030]本发明装置中为提高系统横向分辨力，还可在准直扩束镜和光束扫描装置之间加入偏振调制装置，或者在照明物镜和照明端光瞳滤波器之间加入偏振调制装置。
[0031]本发明装置中共焦探测装置的探测装置可以点探测器或者是CCD探测器。
[0032]本发明装置中还包括最后进行数据融合处理的数据处理系统。
[0033]本发明装置中拉曼光谱探测装置可以是