一种用于激光探针成分分析仪的光路系统的制作方法

本发明属于激光精密检测相关技术领域，更具体地，涉及一种用于激光探针成分分析仪的光路系统。

背景技术：

激光探针，又称为激光诱导击穿光谱(Laser-induced breakdown spectroscopy，简称LIBS)，是一种物质成分分析方法。激光探针利用激光在待测样品表面烧蚀产生等离子体，再通过分析等离子体发射光谱实现对物质元素成分的测量。从科研化走向工业化的过程中，激光探针需要一种成熟的光路系统，在保证稳定光谱采集的同时，获得样品表面成像信息，使用户能够对样品表面特定位置的原位信息进行采集，保证可见即所得。

目前，本领域相关技术人员已经做了一些研究，如公开号为CN103267746B的专利、公开号为CN101587074B的专利、授权公告号为CN101587074B的专利分别公开了不同的激光探针分析仪，以上所公开的激光探针分析仪均集成了激光探针光谱分析和同轴样品表面成像的功能，为激光探针光路系统的典型实例。但是上述实例皆存在以下几点不足：

1.没有样品表面的同轴照明装置，对于表面光滑或者色彩较暗的样品，特别是在显微分析高倍成像时，难以保证样品表面清晰可见；

2.成像系统中，没有考虑对激光的滤除，同轴成像过程样品表面反射的激光很容易将成像相机损坏；

3.没有激光能量实时调节和监控系统，既无法对激光光斑进行整形获得更适合激光探针使用的光束，也无法对激光能量波动和衰减效应进行实时校正、调节及监控；

4.光谱采集器前面没有滤除激光，样品表面反射的激光容易将光纤采集头损坏。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于激光探针成分分析仪的光路系统，其集成了激光控制模块、激光监测模块、光谱采集模块、照明模块和成像模块五个模块，可以同时实现激光能量和光斑控制、激光能量实时监测、等离子体光谱采集、样品表面照明、样品表面成像功能，实现稳定的光谱信息和样品图像信息的同时获取，满足现代工业应用需求；其中激光控制模块、激光监测模块、光谱采集模块、照明模块和成像模块五个模块在光路中是同轴的，结构紧凑，多个零件均可以实现多功能使用。此外，所述光路系统对各个零部件进行了激光防护，提高零部件的使用寿命。

为实现上述目的，本发明提供了一种用于激光探针成分分析仪的光路系统，其包括光谱采集模块及成像模块，其特征在于：

所述光路系统还包括激光控制模块、激光监测模块及照明模块，所述光谱采集模块、所述激光控制模块、所述激光监测模块、所述照明模块及所述成像模块是同轴设置的；

所述激光控制模块用于控制激光能量及光斑；所述激光监测模块用于实时监测激光能量，以便所述激光控制模块对激光能量波动及衰减效应进行实时校正；所述光谱采集模块用于实时采集等离子光谱；所述照明模块用于对待测样品表面进行照明，以保证所述待测样品的表面清晰可见；所述成像模块用于对所述待测样品表面成像。

进一步的，所述激光控制模块、所述光谱采集模块、所述照明模块及所述成像模块共同具有物镜；所述激光控制模块、所述激光监测模块、所述照明模块及所述成像模块共同具有分束镜；所述激光控制模块及所述成像模块共同具有激光反射镜；所述照明模块及所述成像模块共同具有分光镜。

进一步的，所述激光控制模块还包括激光器、激光扩束镜、谐波分束镜、第一激光窗口、第一激光吸收体、半波片、偏振分束镜、第二激光窗口、第二激光吸收体、光闸及光阑；所述第一激光窗口位于所述谐波分束镜及所述第一激光吸收体之间；所述半波片位于所述谐波分束镜前方；所述第二激光窗口位于所述偏振分束镜及所述第二激光吸收体之间；所述激光反射镜位于所述光阑及所述分束镜之间；所述物镜位于所述分束镜及所述待测样品之间。

进一步的，所述半波片是可旋转的。

进一步的，所述激光监测模块还包括第一线偏振片及激光能量计，所述第一线偏振片位于所述分束镜及所述激光能量计之间。

进一步的，所述光谱采集模块还包括第二线偏振片、光纤耦合镜、光纤接头、光纤及光谱仪，所述第二线偏振片位于所述分束镜及所述光纤耦合镜之间；所述光纤耦合镜连接于所述光纤接头；所述光纤连接所述光纤接头及所述光谱仪。

进一步的，所述照明模块还包括LED光源及照明准直镜，所述照明准直镜位于所述LED光源之前方。

进一步的，所述成像模块还包括目镜、第三线偏振片及相机，所述第三线偏振片位于所述相机之前方。

进一步的，所述激光控制模块、所述光谱采集模块、所述照明模块及所述成像模块共同具有物镜；所述激光控制模块、所述激光监测模块、所述照明模块及所述成像模块共同具有分束镜；所述激光控制模块及所述成像模块共同具有激光反射镜；所述照明模块及所述成像模块共同具有分光镜；所述激光控制模块、所述照明模块及所述成像模块共同具有宽带反射镜。

进一步的，所述激光控制模块还包括激光器、激光扩束镜、谐波分束镜、第一激光窗口、第一激光吸收体、半波片、偏振分束镜、第二激光窗口、第二激光吸收体、光闸及光阑；所述第一激光窗口位于所述第一激光吸收体及所述谐波分束镜之间；所述半波片位于所述偏振分束镜前方；所述第二激光窗口位于所述偏振分束镜及所述第二激光吸收体之间；所述物镜位于所述分束镜及所述待测样品之间。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的用于激光探针成分分析仪的光路系统，其集成了激光控制模块、激光监测模块、光谱采集模块、照明模块和成像模块五个模块，可以同时实现激光能量和光斑控制、激光能量实时监测、等离子体光谱采集、样品表面照明、样品表面成像功能，实现稳定的光谱信息和样品图像信息的同时获取，满足现代工业应用需求；其中激光控制模块、激光监测模块、光谱采集模块、照明模块和成像模块五个模块在光路中是同轴的，结构紧凑，多个零件均可以实现多功能使用。此外，所述光路系统对各个零部件进行了激光防护，提高零部件的使用寿命。

附图说明

图1是本发明第一实施方式提供的用于激光探针成分分析仪的光路系统的使用状态示意图。

图2是本发明第二实施方式提供的用于激光成分分析仪的光路系统的使用状态示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1.激光器；2.激光扩束镜；3.谐波分束镜；4.第一激光窗口；5.第一激光吸收体；6.半波片；7.偏振分束镜；8.第二激光窗口；9.第二激光吸收体；10.光闸；11.光阑；12.激光反射镜；13.分束镜；14.物镜；15.待测样品；16.第一线偏振片；17.激光能量计；18.第二线偏振片；19.光纤耦合镜；20.光纤接头；21.光纤；22.光谱仪；23.分光镜；24.照明准直镜；25.LED光源；26.全反镜；27.目镜；28.第三线偏振片；29.相机；30.宽带反射镜。

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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

请参阅图1，本发明第一实施方式提供的用于激光探针成分分析仪的光路系统，其包括激光器1、激光扩束镜2、谐波分束镜3、第一激光窗口4、第一激光吸收体5、半波片6、偏振分束镜7、第二激光窗口8、第二激光吸收体9、光闸10、光阑11、激光反射镜12、分束镜13、物镜14、待测样品15、第一线偏振片16、激光能量计17、第二线偏振片18、光纤耦合镜19、光纤接头20、光纤21、光谱仪22、分光镜23、照明准直镜24、LED光源25、全反镜26、目镜27、第三线偏振片28及相机29，以上所述的零部件分别组成了激光控制模块、激光监测模块、光谱采集模块、照明模块及成像模块。本实施方式中，所述激光控制模块、所述激光监测模块、所述光谱采集模块、所述照明模块及所述成像模块是同轴设置的；所述物镜14为所述激光控制模块、所述光谱采集模块、所述照明模块及所述成像模块共同具有；所述分束镜13为所述激光控制模块、所述激光监测模块、所述照明模块及所述成像模块共同具有；所述激光反射镜12为所述激光控制模块及所述成像模块共同具有；所述分光镜23为所述照明模块及所述成像模块共同具有。

所述激光控制模块还包括所述激光器1、所述激光扩束镜2、所述谐波分束镜3、所述第一激光窗口4、所述第一激光吸收体5、所述半波片6、所述偏振分束镜7、所述第二激光窗口8、所述第二激光吸收体9、所述光闸10、及所述光阑11。所述激光扩束镜2位于所述激光器1及所述谐波分束镜3之间；所述第一激光窗口4位于所述谐波分束镜3及所述第一激光吸收体5之间；所述半波片6位于所述谐波分束镜3及所述偏振分束镜7之间；所述第二激光窗口8位于所述偏振分束镜7及所述第二激光吸收体9之间；所述光闸10位于所述偏振分束镜7及所述光阑11之间；所述激光反射镜12位于所述光阑11及所述分束镜13之间；所述物镜14位于所述分束镜13及待测样品15之间。本实施方式中，所述激光器1是Nd:YAG的2次谐波532nm波长的激光器。

所述激光器1用于发射激光束。所述激光束从所述激光器1输出之后，所述激光扩束镜2用于对所述激光束进行扩束。所述谐波分束镜3用于使经所述激光扩束镜2扩束后的激光透过以进入光路系统中，同时，所述谐波分束镜3将波长为1064nm的激光反射后透过所述第一激光窗口4而被所述第一激光吸收体5吸收。透过所述谐波分束镜3的532nm激光束通过可旋转的所述半波片6调节偏振方向，即调节垂直偏振和水平偏振分量的比例。经所述半波片6调节偏振后的所述激光束的垂直偏振分量自所述偏振分束镜7通过，水平偏振分量反射并透过所述第二激光窗口8而被所述第二激光吸收体9吸收。所述光闸10设置于所述偏振分束镜7的后方，所述光闸10用于控制激光束的通断。所述光阑11设置在所述光闸10的后方，所述光阑11用于将所述激光束的光斑外围波动较大的部分滤除。经所述光阑11滤除处理后的激光束依次经所述激光反射镜12及所述分束镜13反射后，通过所述物镜14聚焦在所述待测样品15表面上，激发出等离子体。

所述激光监测模块还包括第一线偏振片16及激光能量计17，所述第一线偏振片16位于所述分束镜13及所述激光能量计17之间。经所述分束镜13透过的激光光束部分通过所述第一线偏振片16控制而到达所述激光能量计17的激光能量范围。通过实时监控激光能量，可以得到每一次光谱信号所对应的激光能量信息，通过计算机光谱分析软件做光谱信号波动修正，以及通过调节所述半波片6实现能量调节以消除激光能量衰减效应。

所述光谱采集模块还包括第二线偏振片18、光纤耦合镜19、光纤接头20、光纤21及光谱仪22。所述待测样品15表面等离子体发射的光通过所述物镜14的准直后透过所述分束镜13而到达到所述第二线偏振片18，所述待测样品15表面反射的激光在所述第二线偏振片18处滤除；等离子体光信号可以透过所述第二线偏振片18，并通过所述光纤耦合镜19耦合进所述光纤接头20处；耦合到所述光纤接头20的等离子体光信号通过所述光纤21传导以进入所述光谱仪22。

所述照明模块还包括所述LED光源25及所述照明准直镜24，所述照明准直镜24位于所述LED光源25及所述分光镜23之间。所述LED光源25发出的光依次通过所述照明准直镜24准直及所述分光镜23反射后进入同轴光路中，再依次通过所述分束镜13反射及所述物镜14聚焦后照明在所述待测样品15表面的待测区域上。

所述成像模块还包括所述全反镜26、所述目镜27、所述第三线偏振片28及所述相机29，所述全反镜26位于所述目镜27及所述分光镜23之间，所述第三线偏振片28位于所述目镜27及所述相机29之间。所述待测样品15表面反射的光依次通过所述物镜14准直及所述分束镜13反射后，经所述激光反射镜12滤除大部分波长为532nm的激光。经所述激光反射镜12滤除处理后的光透过所述分光镜23后被所述全反镜26反射到达所述目镜27，所述目镜27将光信号在所述相机29处成像。所述第三线偏振片28位于所述目镜27及所述相机29之间，以用于将剩余的激光滤除。

请参阅图2，本发明第二实施方式提供的用于激光探针成分分析仪的光路系统，其包括激光器1、激光扩束镜2、谐波分束镜3、第一激光窗口4、第一激光吸收体5、半波片6、偏振分束镜7、第二激光窗口8、第二激光吸收体9、光闸10、光阑11、激光反射镜12、分束镜13、物镜14、待测样品15、第一线偏振片16、激光能量计17、第二线偏振片18、光纤耦合镜19、光纤接头20、光纤21、光谱仪22、分光镜23、照明准直镜24、LED光源25、全反镜26、目镜27、第三线偏振片28、相机29及宽带反射镜30。以上所述的零部件分别组成了激光控制模块、激光监测模块、光谱采集模块、照明模块及成像模块。

本实施方式中，所述激光控制模块、所述激光监测模块、所述光谱采集模块、所述照明模块及所述成像模块是同轴设置的；所述物镜14为所述激光控制模块、所述光谱采集模块、所述照明模块及所述成像模块共同具有；所述分束镜13为所述激光控制模块、所述激光监测模块、所述照明模块及所述成像模块共同具有；所述激光反射镜12为所述激光控制模块及所述成像模块共同具有；所述分光镜23为所述照明模块及所述成像模块共同具有；所述宽带反射镜30为所述激光控制模块、所述照明模块及所述成像模块共同具有。

所述激光控制模块还包括所述激光器1、所述激光扩束镜2、所述谐波分束镜3、所述第一激光窗口4、所述第一激光吸收体5、所述半波片6、所述偏振分束镜7、所述第二激光窗口8、所述第二激光吸收体9、所述光闸10及所述光阑11。本实施方式中，所述激光器1是Nd:YAG的3次谐波355nm波长的激光器。

所述激光扩束镜2位于所述激光器1及所述光阑11之间，所述光闸10位于所述光阑11及所述谐波分束镜3之间。所述第一激光窗口4位于所述第一激光吸收体5及所述谐波分束镜3之间。所述半波片6位于所述谐波分束镜3及所述偏振分束镜7之间。所述第二激光窗口8位于所述偏振分束镜7及所述第二激光吸收体9之间。所述激光反射镜12位于所述偏振分束镜7及所述宽带反射镜30之间。所述分束镜13位于所述宽带反射镜30及所述物镜14之间。所述物镜14位于所述分束镜13及待测样品15之间。

所述激光器1用于发射激光束。所述激光束从所述激光器1输出之后，所述激光扩束镜2用于对所述激光束进行扩束。所述光阑11用于将经所述激光扩束镜2扩束后的激光束光斑外围波动较大的部分滤除。所述光闸10用于控制通过所述激光扩束镜2的激光束的通断。所述谐波分束镜3用于使经过所述光闸10的激光束中波长为355nm的激光透过以进入光路系统中，同时，所述谐波分束镜3将波长为1064nm及532nm的激光反射后透过所述第一激光窗口4而被所述第一激光吸收体5吸收。透过所述谐波分束镜3的355nm激光束通过可旋转的所述半波片6调节偏振方向，即调节垂直偏振和水平偏振分量的比例。经所述半波片6调节偏振后的所述激光束的垂直偏振分量自所述偏振分束镜7通过，水平偏振分量反射并透过所述第二激光窗口8而被所述第二激光吸收体9吸收。透过所述偏振分束镜7的激光光束依次经所述激光反射镜12、所述宽带反射镜30及所述分束镜13反射后，通过所述物镜14聚焦在所述待测样品15的表面上以激发出等离子体。

所述激光监测模块还包括第一线偏振片16及激光能量计17，所述第一线偏振片16位于所述分束镜13及所述激光能量计17之间。经所述分束镜13透过的激光光束部分通过所述第一线偏振片16控制而到达所述激光能量计17的激光能量范围。通过实时监控激光能量，可以得到每一次光谱信号所对应的激光能量信息，通过计算机光谱分析软件做光谱信号波动修正，以及通过调节所述半波片6实现能量调节以消除激光能量衰减效应。

所述光谱采集模块还包括第二线偏振片18、光纤耦合镜19、光纤接头20、光纤21及光谱仪22。所述第二线偏振片18位于所述分束镜13及所述光纤耦合镜19之间，所述光纤接头20位于所述光纤耦合镜19及所述光纤21之间，所述光纤21连接所述光谱仪22及所述光纤接头20。所述待测样品15表面等离子体发射的光通过所述物镜14的准直后透过所述分束镜13而到达到所述第二线偏振片18，所述待测样品15表面反射的激光在所述第二线偏振片18处滤除；等离子体光信号可以透过所述第二线偏振片18，并通过所述光纤耦合镜19耦合进所述光纤接头20处；耦合到所述光纤接头20的等离子体光信号通过所述光纤21传导以进入所述光谱仪22。

所述照明模块还包括所述照明准直镜24、所述LED光源25及所述全反镜26。所述照明准直镜24位于所述LED光源25及所述全反镜26之间，所述全反镜26位于所述分光镜23及所述照明准直镜24之间。所述LED光源25发出的光依次经所述照明准直镜24准直、所述全反镜26反射及所述分光镜23透射后进入同轴光路中，然后再依次通过所述宽带反射镜30及所述分束镜13反射、所述物镜14聚焦后照明在所述待测样品15表面的待测区域上。

所述成像模块还包括所述目镜27、所述第三线偏振片28及所述相机29，所述第三线偏振片28位于所述目镜27及所述分光镜23之间，所述目镜27位于所述第三线偏振片28及所述相机29之间。所述待测样品15表面反射的光依次通过所述物镜14准直、所述分束镜13反射及所述宽带反射镜30反射后，经所述激光反射镜12滤除大部分波长为355nm的激光。经所述激光反射镜12滤除处理后的光经所述分光镜23反射后，所述光经所述第三线偏振片28滤除剩余激光后到达所述目镜27，所述目镜27将光信号在所述相机29处成像。

本实施方式中，多个零件可以实现多功能使用，如：①所述物镜14在激光控制模块中的作用是将激光光斑聚焦，在光谱采集模块中的作用是将等离子体的发光平行化，在照明模块中的作用是将照明光聚焦在待测样品所需区域，在成像模块中作用是承担了显微镜中物镜的功能；②所述激光反射镜12在激光控制模块中的作用是将激光光束高效率地反射，在成像模块中的作用是将样品表面反射的激光滤除防止损害相机；③所述分束镜13在激光控制模块中的作用是反射激光光束，在激光测量模块中的作用是获取部分激光光束用于测量，在照明模块中的作用是反射照明光至样品表面，在成像模块中的作用是反射样品表面光至相机。

本实施方式中，所述光路系统对各个零部件进行了激光防护，如①激光控制模块中，2个激光吸收体前面均设置有激光窗口，以防止激光在吸收体表面烧蚀出颗粒飘散附着在反射镜上；②光谱采集模块中，光纤耦合镜前面设置有线偏振片，防止从样品表面反射的激光通过光纤耦合镜聚焦损害光纤接头；③成像模块中，待测样品表面的光先通过激光反射镜滤除绝大部分激光，再通过线偏振片滤除剩余激光，以保护相机。

本发明提供的用于激光探针成分分析仪的光路系统，其集成了激光控制模块、激光监测模块、光谱采集模块、照明模块和成像模块五个模块，可以同时实现激光能量和光斑控制、激光能量实时监测、等离子体光谱采集、样品表面照明、样品表面成像功能，实现稳定的光谱信息和样品图像信息的同时获取，满足现代工业应用需求；其中激光控制模块、激光监测模块、光谱采集模块、照明模块和成像模块五个模块在光路中是同轴的，结构紧凑，多个零件均可以实现多功能使用。此外，所述光路系统对各个零部件进行了激光防护，提高零部件的使用寿命。

本领域的技术人员容易理解，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，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。