一种激光诱导击穿光谱采集装置及方法与流程

本发明涉及样品检测，尤其是指一种激光诱导击穿光谱采集装置及方法。

背景技术：

1、激光诱导击穿光谱技术(laser induced breakdown spectroscopy,简称libs)，通过脉冲激光与物质相互作用产生等离子体，通过分析等离子体中的光谱，从而实现对待测物质进行定性与定量分析的作用。激光诱导击穿光谱技术技术目前也正在快速发展，相较于其他物质判别技术，激光诱导击穿光谱技术拥有快速，无接触测量的优点，所以其应用领域也逐步拓宽。

2、现有的商业化的激光诱导击穿光谱技术设备可以参见中国专利cn 210571951 u，提供了一种基于激光诱导光热效应的多模式扫描显微镜成像系统，该系统明场成像与激光激发共用同一物镜，通过滤光器件实现功能切换，导致光路结构复杂，设备成本较高，设备体积庞大等缺点。而且无法实现显微物镜与激光诱导击穿光谱技术物镜快速切换，导致测试样品效率低下。同时，由于共用同一物镜，导致在明场成像时无法选用特定倍率的物镜观察特定的样品，成像受到较大限制。限制为小倍率物镜无法观察尺寸较小的样品，需要切换成大倍率物镜。在该专利中，采用受调制的泵浦激光照射材料表面，由于待测试样品的表面往往粗糙不平,使离焦量发生变化进而导致采集到的光谱信息出现波动,会严重影响激光诱导击穿光谱技术分析的稳定性和准确性。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供了一种激光诱导击穿光谱采集装置及方法。

2、一种激光诱导击穿光谱采集装置，包括：

3、照明观测单元，用于为激光诱导击穿光谱采集提供视野；

4、激光激发单元，用于照射至待测试样品表面的预设区域并激发产生样品等离子体光束；

5、光谱采集单元，用于采集由所述激光激发单元激发的样品等离子体光束的光谱数据；

6、平移台，位于所述待测试样品上方，用于承载所述第一物镜组件和第二物镜组件并带动所述第一物镜组件和第二物镜组件在所述待测试样品上方移动，使得所述照明观测单元或激光激发单元作用于所述预设区域；

7、计算单元，用于协同控制整个装置的等离子体激发、等离子体光谱采集、激发过程观测以及平移台的移动，并对采集得到的样品等离子体光束的光谱数据进行处理和分析。

8、优选地，所述照明观测单元包括：

9、led，所述led用于提供照明光束；

10、准直透镜组，所述准直透镜组用于对所述照明光束进行准直，得到准直照明光束；

11、分束镜，所述分束镜对所述准直照明光束进行一次反射；

12、第一反射镜，所述第一反射镜对所述准直照明光束进行二次反射；

13、第一物镜组件，所述第一物镜组件用于将所述准直照明光束聚焦于所述待测试样品表面的预设区域；

14、第一透镜，由所述待测试样品表面散射的光依次经所述第一物镜组件准直和第一反射镜反射后由所述分束镜透射，所述第一透镜用于对由所述分束镜透射的光进行聚焦；

15、相机，所述相机接收由所述第一透镜聚焦后的光束。

16、优选地，所述准直透镜组包括第二透镜和第三透镜，第三透镜的焦距为第二透镜的两倍，所述第二透镜与第三透镜共焦，形成4f成像系统。

17、优选地，所述第一物镜组件包括第三反射镜和成像物镜，所述第三反射镜用于将由所述第一反射镜反射的准直照明光束入射至成像物镜；所述成像物镜用于将所述准直照明光束聚焦于所述待测试样品表面。

18、优选地，所述激光激发单元包括：

19、纳秒脉冲激光器，所述纳秒脉冲激光器出射纳秒脉冲激光；

20、锥透镜组，所述纳秒脉冲激光经所述锥透镜组后出射准直贝塞尔光束；

21、第二反射镜，所述第二反射镜用于改变所述准直贝塞尔光束的传输方向；

22、第二物镜组件，所述第二物镜组件将所述准直贝塞尔光束聚焦于待测试样品表面的预设区域，激发得到样品等离子体光束。

23、优选地，所述锥透镜组包括第一锥透镜和第二锥透镜，所述第一锥透镜的顶角与所述第二锥透镜的顶角相对设置，第一锥透镜和第二锥透镜的锥角范围为10°-30°，所述第一锥透镜和第二锥透镜的锥角大小相同，所述第二锥透镜的口径为所述第一锥透镜的口径的两倍。

24、优选地，所述第二物镜组件包括第四反射镜和紫外物镜，所述第四反射镜用于将由所述第二反射镜反射的准直贝塞尔光束入射至所述紫外物镜；所述紫外物镜用于将所述准直贝塞尔光束聚焦于所述待测试样品表面。

25、优选地，所述光谱采集单元包括：

26、开环反射镜，所述开环反射镜设置于所述锥透镜组与所述第二反射镜之间，所述开环反射镜上具有开环区域以及非开环区域，所述开环区域可容纳由所述锥透镜组出射的准直贝塞尔光束通过，所述非开环区域对由待测试样品表面激发的样品等离子体光束进行反射；

27、狭缝，所述狭缝用于将由所述开环反射镜反射的样品等离子体光束进行整形，得到线形样品等离子体光束；

28、啁啾型反射式体布拉格光栅，所述啁啾型反射式体布拉格光栅用于对所述线形样品等离子体光束进行窄带分光，得到多个不同波段的光谱；

29、微透镜阵列，所述透镜阵列微透镜阵列对所述多个不同波段的光谱分别聚焦；

30、线阵ccd，所述线阵ccd接收由所述微透镜阵列聚焦后的不同波长的强度信息，所述不同波长的强度信息为光谱数据。

31、优选地，所述开环反射镜的开环区域的内径d1不大于由锥透镜组出射的准直贝塞尔光束的内径r1，所述开环反射镜的开环区域的外径d2不小于由锥透镜组出射的准直贝塞尔光束的外径r2。

32、优选地，啁啾型反射式体布拉格光栅的光栅衍射角θ＝10°-40°。

33、优选地，所述微透镜阵列的曲率半径为50-200mm。

34、一种激光诱导击穿光谱采集方法，采用如上所述的激光诱导击穿光谱采集装置实现，包括以下步骤：

35、s1：控制平移台，使得第一物镜组件位于待测试样品上方；

36、s2：打开led，由所述led出射的照明光束经过所述准直透镜组后由分束镜反射至第一反射镜，经第一反射镜反射后由所述第一物镜组件聚焦于所述待测试样品上，并将所述待测试样品上的照射区域标记为预设区域；

37、s3：由预设区域散射的光依次经过第一物镜组件、第一反射镜后由分束镜透射，透射后由第一透镜聚焦于相机，进行成像；

38、s4：控制所述平移台，将第二物镜组件移动至所述待测试样品上方，并使得由所述第二物镜组件出射的光照射于预设区域处；

39、s5：打开纳秒脉冲激光器，由所述纳秒脉冲激光器出射的纳秒脉冲激光经锥透镜组后出射准直贝塞尔光束，准直贝塞尔光束由第二反射镜反射后由第二物镜组件照射于所述待测试样品的预设区域；

40、s6：位于该预设区域内的材料被烧蚀剥离，并在样品上方形成纳米粒子云团，诱导等离子体发光，得到样品等离子体光束；

41、s7：所述样品等离子体光束依次经过第二物镜组件、第一反射镜后由开环反射镜的非开环区域反射，反射后的样品等离子体光束由狭缝进行光束整形得到线形样品等离子体光束；

42、s8：所述线形样品等离子体光束经啁啾型反射式体布拉格光栅反射后由微透镜阵列聚焦于线阵ccd；

43、s9:所述线阵ccd采集所述线形样品等离子体光束由所述微透镜阵列聚焦后的不同波长的强度信息，所述不同波长的强度信息为光谱数据，并将所述光谱数据传输至计算单元；

44、s10：所述计算单元对所述光谱数据进行处理和分析，从而实现对待测试样品的定性及定量分析。

45、本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

46、1、本发明的平移台位于所述待测试样品上方，用于承载所述第一物镜组件和第二物镜组件，并带动所述第一物镜组件和第二物镜组件移动，使得所述第一物镜组件或第二物镜组件位于所述待测试样品上方，从而对位于待测试样品上的预设区域进行操作，实现第一物镜组件与第二物镜组件之间的快速切换，进而提高测试效率。

47、2、本发明的照明观测单元与激光激发单元采用不同物镜，可以实现物镜倍率的单独调节，并可以根据实际的应用场景进行物镜倍率的选择，从而扩展了使用场景。

48、3、在本发明提供的激光诱导击穿光谱采集装置中，采用开环反射镜使得用于进行诱导待测试样品等离子体发光的纳秒脉冲激光的强度在传输过程中衰减大大减小，从而有利于诱导待测试样品进行等离子体发光信号提升；与现有的采用二向色镜的激光诱导击穿光谱设备相比，不仅简化了光率，且可以实现对等离子体光谱的全波段收集。

49、4、本发明的激光诱导击穿光谱采集装置利用一对顶角相对设置的锥透镜构造准直的贝塞尔光束并使其聚焦于待测试样品表面。由于贝塞尔光束具有主瓣直径小、焦深长、可控环形光斑等特点,可以提高激光诱导击穿光谱技术对于离焦量变化的容错度,降低样品表面不平引起的光谱波动,并且环形光源更有助于适配此系统开环反射镜，减少激光能量损失，从而提高激光诱导击穿光谱分析的准确度。

50、5、本发明的激光诱导击穿光谱采集装置中，利用啁啾型反射式体布拉格光栅替代复杂的多通道光谱仪结构，啁啾型反射式体布拉格光栅相较于普通面光栅分辨率更高，且衍射效率更高，可以达到99％，有利于提高信号强度，且由啁啾型反射式体布拉格光栅出射的光束倾角相同，无需额外进行准直。