光谱稳定性优化装置、系统和方法与流程

本发明涉及光谱分析技术领域，具体而言，涉及一种光谱稳定性优化装置、系统和方法。

背景技术：

激光诱导击穿光谱(laser-inducedbreakdownspectroscopy，libs)是一种基于原子发射光谱的快速的物质成分分析技术。其中，激光器作为libs的激发光源，对整个系统起着重要的作用。目前的libs系统中的激光器输出的激光一般为高斯分布，从而导致照射到样品靶材上的光斑的光强分布不均匀以及样品靶材烧蚀不均匀，进而造成等离子体受力不均匀，并使得等离子体在整个寿命中一直处于剧烈的波动状态，严重影响了采集到的光谱的稳定性，进而影响了定量分析的精度和准确度。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供一种光谱稳定性优化装置、系统和方法，能够有效解决上述问题。

本发明较佳实施例提供一种光谱稳定性优化装置，应用于包括激光器和载物台的libs系统，所述光谱稳定性优化装置包括光束整形器；

所述光束整形器设置于所述激光器与所述载物台之间，且所述光束整形器与所述载物台和所述激光器共线；其中，所述光束整形器用于对由所述激光器发射的高斯光束进行整形，并使得整形后形成的均匀平顶光束入射至所述载物台上的样品靶材上。

在本发明较佳实施例的选择中，所述光束整形器包括非球面的凸透镜和非球面的凹透镜；

所述凹透镜位于所述激光器与所述凸透镜之间，所述凸透镜位于所述凹透镜与所述载物台之间，使得所述激光器、凸透镜和所述凹透镜共线，且所述凹透镜的焦距是所述凸透镜的焦距的1/3。

在本发明较佳实施例的选择中，所述光束整形器包括衍射光学元件和聚焦透镜；

所述聚焦透镜位于所述衍射光学元件与所述载物台之间，且所述衍射光学元件与所述聚焦透镜和所述激光器共线。

在本发明较佳实施例的选择中，所述光谱稳定性优化装置还包括用于滤波的光阑，所述光阑设置于所述光束整形器与所述载物台之间，且该光阑与所述激光器和所述光束整形器共线。

在本发明较佳实施例的选择中，所述光阑为可调光阑。

本发明较佳实施例提供一种光谱稳定性优化系统，包括libs系统和上述的光谱稳定性优化装置，所述光谱稳定性优化装置可拆卸地设置于所述libs系统中的激光器与载物台之间，且所述光谱稳定性优化装置与所述激光器共线。

本发明较佳实施例还提供一种光谱稳定性优化方法，应用于光谱稳定性优化系统，所述光谱稳定性优化系统包括光谱稳定性优化装置和libs系统，所述光谱稳定性优化方法包括：

基于所述光束整形器在不同状态时所述样品靶材中待测元素对应的不同参数，获取针对每一个参数进行多次测量时的光谱强度；

分别基于每一个参数进行多次测量得到的光谱强度，计算该参数对应的光谱强度标准偏差；

选取各光谱强度相对标准偏差的最小值，并将该最小值对应的光谱稳定性作为最优值，以及将该最小值对应的所述光束整形器的状态作为最佳状态进行保存。

在本发明较佳实施例的选择中，所述光束整形器包括非球面的凸透镜和非球面的凹透镜，所述凹透镜位于所述激光器与所述凸透镜之间，所述调节该光束整形器的状态包括：

调节所述凸透镜和凹透镜相对于所述libs系统的初始位置；和/或

调节所述凸透镜和所述凹透镜的之间的距离。

在本发明较佳实施例的选择中，所述光束整形器包括衍射光学元件和聚焦透镜，所述聚焦透镜位于所述衍射光学元件与载物台之间，且所述衍射光学元件与所述聚焦和激光器共线，所述以第一预设值为步进单位调节该光束整形器的状态以实现对样品靶材中待测元素的参数遍历的步骤包括：

以第一预设值为步进单位调节所述衍射光学元件和聚焦透镜相对于所述的载物台的位置，以实现对所述样品靶材中的待测元素的参数遍历。

在本发明较佳实施例的选择中，所述光束整形器与所述载物台之间设置有光阑，且该光阑与激光器和所述光束整形器共线，所述光谱稳定性优化方法还包括：

将所述光谱强度相对标准偏差中的最小值对应的所述光束整形器的状态作为所述光束整形器的最佳状态；

基于所述光束整形器的最佳状态和所述光阑的初始状态，以第二预设值调节该光阑的状态以实现对样品靶材中待测元素的参数遍历，并在该参数满足预设规则时停止参数遍历；

基于所述光阑在不同状态时所述样品靶材中待测元素对应的不同参数，获取针对每一个参数进行多次测量时的光谱强度；；

分别基于每一个参数进行多次测量得到的光谱强度，计算该参数对应的光谱强度标准偏差；

选取各光谱强度相对标准偏差中的最小值，将该最小值对应的光谱稳定性作为最优值，并将该最小值对应的所述光阑的状态作为最佳状态进行保存。

与现有技术相比，本实施例提供一种光谱稳定性优化装置、系统和方法，其中，可通过调节光谱稳定性优化装置的状态实现对位于载物台上的样品靶材中的待测元素进行参数遍历得到稳定性最优且分布均匀的等离子体，即可得到稳定的光谱，从而降低等离子体的波动性、提高libs系统在定量分析时的精确度及准确度。此外，本发明结构简单，操作方便。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为激光诱导的非均匀且处于波动状态的等离子体示意图。

图2为本发明实施例提供的光谱稳定性优化装置的应用场景示意图。

图3为本发明实施例提供的光束整形器的结构示意图。

图4为本发明实施例提供的另一光谱稳定性优化装置的应用场景示意图。

图5为本发明实施例提供的光谱稳定性优化方法的流程示意图。

图6为本发明实施例提供的光谱稳定性优化方法的另一流程示意图。

图标：10-光谱稳定性优化系统；100-光谱稳定性优化装置；110-光束整形器；111-凹透镜；112-凸透镜；113-衍射光学元件；114-聚焦透镜；120-光阑；200-样品靶材；300-激光器；310-载物台；320-光谱仪；330-计算机。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

需要说明的是，光谱的不稳定性是由于等离子体分布不均匀造成，其中，请参阅图1，从图中可看出，等离子体的中心区域温度较高，粒子密度较大，等离子体中心激发态粒子的辐射能被外围同类基态冷粒子吸收而使谱线中心强度减弱和变形。当等离子体满足局部热平衡和光学薄(opticallythin)的理想条件时，在相同基体中的原子/离子发光强度应与含量成线性函数关系。但由于激光光强分布的非均匀造成物质烧蚀的非均匀性及等离子体膨胀过程中受力的不均匀性，造成等离子体的剧烈波动。因此，实际的等离子体并不满足热平衡和光学薄条件，而是处于波动性很大的非均匀状态，严重了影响等离子体光谱的稳定性，也是造成了libs系统定量分析精度差的重要原因。

研究表明，定量分析的精度和等离子体的稳定性有着密切的关系，等离子体作为libs的信号源，它的稳定性直接关系到libs系统采集到的谱线的稳定性。由于激光对物质的烧蚀过程与激光光强分布有着密切的关系，均匀的激光光强分布能够对样品靶材200进行均匀的烧蚀，产生均匀、稳定的等离子体。本发明实施例通过在传统的libs系统中设置光谱稳定性优化装置100，并通过调节光谱稳定性优化装置100的状态提高等离子体的稳定性，进而提高光谱的稳定性和定量分析时的精度、准确度。

其中，所述libs系统包括用于发射激光脉冲的激光器300，用于放置样品靶材200的载物台310，用于进行光谱分析处理的光谱仪320，用于进行数据综合分析的计算机330，以及其他辅助设备，如透镜、光纤等。具体地，本实施例在此不再赘述。

请参阅图2，是本发明实施例提供的一种光谱稳定性优化装置100的应用场景示意图。该场景包括libs系统和光谱稳定性优化装置100，所述光谱稳定性优化装置100包括光束整形器110。其中，所述光束整形器110设置于所述libs系统中的激光器300与载物台310之间，且所述光束整形器110与所述激光器300共线。本实施例中，所述光束整形器110用于对由所述激光器300发射的高斯光束进行整形，使得整形后形成的均匀平顶光束入射至所述载物台310上的样品靶材200上，以对该样品靶材200进行烧蚀。

具体地，所述光束整形器110能够用于将由所述激光器300发射出来的高斯光束整形变成平顶分布(准矩形)的，以使得激光能量分布变得均匀，对样品靶材200的烧蚀也更加均匀，从而有效提高等离子体的稳定性以及光谱的稳定性，换言之，所述光束整形器110能够有效提高libs的光谱分析精度。

可选地，在达到上述光束整形效果的前提下，本实施例中，所述光束整形器110存在多种实施方式。例如，如图3所示，所述光束整形器110可以包括非球面的凸透镜112和非球面的凹透镜111，所述凹透镜111位于所述激光器300与所述凸透镜112之间，所述凸透镜112位于所述凹透镜111与所述载物台310之间，且所述凹透镜111的焦距可以是凸透镜112的焦距的1/3，例如，所述凹透镜111的焦距可以为25mm，所述凸透镜112的焦距可以为75mm。应理解，本实施例中对所述凸透镜112焦距和所述凹透镜111的焦距不做具体限制。。

实际实施时，该光束整形器110与所述载物台310之间还可设置有二向色镜，本实施例在此不做限制。应理解，所述激光器300的放置位置不限于图2所示，例如，所述激光器300可以为水平放置，也可以为竖直放置。

进一步地，为了将由所述光束整形器110整形后的光束进行进一步扩束，以改变光束的发散角，使得所述光束成为平行光束。因此，本实施例中，所述光束整形器110与所述二向色镜之间还可设置有扩束镜。所述扩束镜的具体类型等在此不做限制。

又如，作为另一种实施方式，如图4所示，所述光束整形器110还可以包括衍射光学元件113和聚焦透镜114。所述聚焦透镜114位于所述衍射光学元件113与所述载物台310之间，且所述衍射光学元件113与所述聚焦透镜114和所述激光器300共线。其中，所述衍射光学元件113和所述聚焦透镜114的类型可根据实际情况进行灵活选择，本实施例在此不做限制。

进一步地，所述光谱稳定性优化装置100还可包括光阑120，该光阑120用于将经光束整形器110整形之后的平顶分布的准矩形光束两边的陡坡和毛刺过滤掉，只取中间平坦部分，从而使得激光光斑的能量分布更加均匀，且对样品靶材200的焼蚀的也更加均匀。换言之，通过在所述光谱稳定性优化装置100中设置光阑120可有效提高等离子体的稳定性以及光谱的稳定性，进而提高libs的分析精度。可选地，所述光阑120为可调节尺寸大小的可调光阑。

基于对上述光谱稳定性优化装置100的描述，本实施例还提供一种光谱稳定性优化系统10，所述光谱稳定性优化系统10包括libs系统和上述的光谱稳定性优化装置100，所述光谱稳定性优化装置100可拆卸地设置于所述libs系统中的激光器300与载物台310之间，且所述光谱稳定性优化装置100与所述激光器300和载物台310共线。

其中，由于所述光谱稳定性优化系统10包括所述光谱稳定性优化装置100，因此具有与所述光谱稳定性优化装置100相同的技术特征，在此不再一一赘述，请参考对所述光谱稳定性优化装置100的解释说明。在此应理解，所述光谱稳定性优化装置100中的光束整形器110可以包括非球面的凸透镜112和非球面的凹透镜111的光束整形器110，也可以是包括衍射光学元件113和聚焦透镜114的光束整形器110，本实施例在此不做具体限制。

进一步地，请参阅图5，是本发明实施例提供的一种光谱稳定性优化方法的流程图。该方法应用于上述光谱稳定性优化系统10。其中，所述光谱稳定性优化系统10中的激光器300与载物台310之间设置有光束整形器110，且所述激光器300和所述光束整形器110共线，以对待测样品集中的待测元素进行参数遍历和分析。所应说明的是，本方法不以图5及下述的具体顺序为限制。下面将对图5所示的各步骤进行详细阐述。

步骤s110，基于所述光束整形器110的初始状态，以第一预设值为步进单位调节该光束整形器110的状态以实现对样品靶材200中待测元素的参数遍历，并在该参数满足预设规则时停止参数遍历。

本实施例中，所述样品靶材200中的待测元素的数量为多个。例如，可以采用图2中所示的libs系统获取目标待测元素的光谱，并针对获取到的光谱图选择待测元素的目标谱线。

可选地，所述光束整形器110的初始状态可以包括，但不限于该光束整形器110相对于所述激光器300或所述载物台310的初始位置，以及该光束整形器110的自身参数，如所述凸透镜112和所述凹透镜111的之间的距离等。

其中，作为一种实施方式，当所述光束整形器110包括非球面的凸透镜112和非球面的凹透镜111，所述凹透镜111位于所述激光器300与所述凸透镜112之间，且所述凹透镜111的焦距可以是，但不限于所述凸透镜112的焦距的1/3倍。本实施例中，在以第一预设值为步进单位调节所述凹透镜111与所述凸透镜112之间的距离时，从而实现对样品靶材200中待测元素的参数遍历，其中，通过调节所述凹透镜111与所述凸透镜112之间的距离可改变光束的发散角和整形效果，进而改变入射至所述样品靶材200上的激光对该样品靶材200的烧蚀状态，以得到不同稳定性的等离子体。

应理解，所述光束整形器110的初始状态和第一预设值均可根据实际需求进行设计。例如，所述光束整形器110中的所述凹透镜111与所述凸透镜112之间的距离可以为预设范围内的任意值，在进行调节时，可按照从大到小或从小到大的对应顺序依次对待测元素的参数进行遍历。

可选地，作为另一种实施方式，请再次参阅图4，当所述光束整形器110包括衍射光学元件113和聚焦透镜114时，所述聚焦透镜114位于所述衍射光学元件113与所述载物台310之间，且所述衍射光学元件113与所述聚焦和所述激光器300共线。其中，所述调节该光束整形器110的状态以实现对样品靶材200中待测元素的参数遍历的可通过以下子步骤实现。

子步骤s112，基于所述光束整形器110的初始状态，以第一预设值为步进单位调节所述载物台310以改变所述衍射光学元件113和聚焦透镜114的状态，实现对所述对样品靶材200中待测元素的参数遍历。其中，可通过精密位移平台控制载物台310上的被测样品以第一预设值上下移动实现该被测样品的参数遍历。

进一步地，所述待测元素的参数可以包括，但不限于光谱强度，并根据该光谱强度计算对应的相对标准偏差，那么，在对待测元素的参数进行遍历时，所述预设规则可以根据相对标准偏差判断是否停止参数遍历。例如，实际实施时，获取样品靶材200中的待测元素的光谱强度，并判断所述该光谱强度对应的相对标准偏差是否低于预设值，若是，则停止参数遍历。其中，所述预设值可以是，但不限于2％。

步骤s120，基于所述光束整形器110在不同状态时所述样品靶材200中待测元素对应的不同参数，获取针对每一个参数进行多次测量时的光谱强度。

步骤s130，分别基于每一个参数进行多次测量得到的光谱强度，计算该参数对应的光谱强度标准偏差。

步骤s140，选取相对标准偏差的最小值，并将该最小值对应的光谱稳定性作为最优值，以及将该最小值对应的所述光束整形器110的状态作为最佳状态进行保存。

基于上述描述，为进一步实现对光谱稳定性的优化，请再次参阅图4，若所述光束整形器110与所述载物台310之间还设置有光阑120，且该光阑120与所述激光器300和所述光束整形器110共线，所述光谱稳定性优化方法还包括以下步骤，下面将结合图6进行详细阐述。

步骤s150，将所述相对标准偏差中的最小值对应的所述光束整形器110的状态作为所述光束整形器110的最佳状态。

步骤s160，基于所述光束整形器110的最佳状态和所述光阑120的初始状态，以第二预设值调节该光阑120的状态以实现对样品靶材200中待测元素的参数遍历，并在该参数满足预设规则时停止参数遍历。

步骤s170，基于所述光阑120在不同状态时所述样品靶材200中待测元素对应的不同参数，获取针对每一个参数进行多次测量时的光谱强度。

步骤s180，分别基于每一个参数进行多次测量得到的光谱强度，计算该参数对应的光谱强度标准偏差。

步骤s190，选取相对标准偏差中的最小值，将该最小值对应的光谱稳定性作为最优值，并将该最小值对应的所述光阑120的状态作为最佳状态进行保存。

具体地，在本实施例中，在所述光束整形器110达到最优状态的基础上，所述光谱稳定性优化装置100还包括光阑120，换言之，在通过步骤s110-步骤s140获得所述光束整形器110的最佳状态后，将基于该所述光束整形器110的最佳状态和所述光阑120的初始状态，进一步调节该光阑120的状态实现对样品靶材200中待测元素的参数遍历，进而选取对应的光谱强度相对标准偏差中的最小值，并将该最小值对应的光谱稳定性作为最优值，并将该最小值对应的所述光阑120的状态作为最佳状态进行保存。

其中，所述光阑120的状态包括光阑120的孔径大小，以及该光阑120相对于所述光束整形器110或所述载物台310的初始位置。在此以所述光阑120的孔径大小为例，实际实施时，以第二预设值为步进单元调节所述光阑120的孔径大小实现对样品靶材200中待测元素的参数遍历。优选地，所述光阑120的孔径大小为6mm或7mm。

应理解，步骤s110-步骤s140中通过调节所述光阑120的状态获取相对标准偏差中的最小值与步骤s150-步骤s190中通过调节所述光束整形器110的状态获取相对标准偏差的最小值的原理相同，具体地，本实施例在此不再赘述。

在此应注意，在实际实施时，若所述光谱稳定性优化装置100中包括光束整形镜和光阑120时，也可先通过调节光阑120的状态，以得到最优的光谱稳定性，再在光阑120状态为最佳状态时调节光束整形镜的状态，最后使得二者的状态均为最佳，即得到稳定性最优的光谱。

此外，在调节所述光束整形器110和所述光阑120的状态时，还可对离焦量进行适当调节，以进一步获取最优光谱自吸收系数，使得激光光斑增大，激光能量密度降低，得到一种均匀的、稳定的、低温和低电子密度的薄的、弱等离子体。

综上所述，本发明提供的一种光谱稳定性优化装置、系统和方法，其中，可通过调节自吸收效应优化装置的状态实现对位于载物台310上的样品靶材200中的待测元素进行参数遍历以得到稳定性最优且分布均匀的等离子体，即稳定的光谱。此外，本发明结构简单，操作方便。

除此之外，基于libs系统的光谱稳定性优化装置、系统和方法，在快速优化光谱稳定性的同时，能够有效降低等离子体的波动性，提高libs系统在定量分析时的精确度及准确度。

在本发明的描述中，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明实施例所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其他方式实现。以上所描述的装置和方法实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本发明的预设数量个实施例的装置、方法和计算机程序产品可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分。所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或预设数量个用于实现规定的逻辑功能。

也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。