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 入差动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差动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： 1) 照明物镜（2)与采集物镜（7)对称分布在测量面法线（5)两侧，并且照明光轴（4) 与测量面法线（5)的夹角为Q1 (6)，采集光轴（20)与测量面法线（5)的夹角为0 2 (37)，以 测量面法线（5)方向为测量轴线，建立系统坐标系（x，y，z)，其中S1= 0 2; 2) 激发光经由照明物镜⑵聚焦到被测样品（3)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（3)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（7)，并被采集物镜（7)会聚到 分光系统（8)，光束经分光系统（8)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（19)获得激光诱导击穿光谱信号I(XJ;反射光束经过二向色分光系统 (38)分光，反射光中的拉曼光谱透过二向色分光系统（38)进入拉曼光谱探测系统（39)获 得拉曼光谱信号I(AK)，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（38) 反射进入差动探测系统（15); 3) 对进入差动探测系统（15)的光信号进行差动处理，其中，差动探测系统（15)中两个 相同的探测系统（11、12)对称放置于测量光轴（13)两侧，对探测系统（11)和（12)的信号 相减处理得到差动共焦曲线（27)，并获得差动信号I(X，y，z，vxM)，其中Vxm是探测系统（11、 12)横向偏移量，利用差动共焦曲线过零点与焦点位置精确对应的特性，通过零点触发来精 确定位激发光束焦点O位置，实现被测样品的高空间分辨的焦点定位； 4) 根据差动信号I(x，y，z，vxM)控制激光光束准确定焦到被测样品（3)上，重新获取被 测样品⑶的光谱信号I(AJ和I(AK); 5) 利用数据处理系统（21)将获得的差动信号I(X，y，z，vxM)、光谱信号I(AJ和 I(Ak)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，入L，入 K); 6) 完成上述步骤后，控制光束对被测样品（3)进行扫描探测，对被测样品（3)表面下一 个点重复步骤2)、3)、4)、5)直至扫描完成； 7) 单独处理差动信号I(x，y，z，vxM)时，获得被测样品（3)的高空间分辨的三维形貌信 息；单独处理拉曼光谱信号I(Ak)时，获得被测样品（3)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I(AJ时，获得被测样品（3)的元素组成信息；同时处理差动信 号I(x，y，z，vxM)、光谱信号I(AJ和I(AK)时，获得被测样品（3)的高空间分辨形貌及微 区物质组分"图谱合一"的成像探测；2. 根据权利要求1所述的激光双轴差动共焦诱导击穿-拉曼光谱成像探测方法，其 特征在于：差动探测系统（15)中的两个相同的探测系统（11、12)还可以是单一的探测系 统即第一探测器（22)，数据处理系统（21)从第一探测器（22)上获取焦斑图案（16)后， 计算出此时焦斑图案（16)的中心，以此中心作为坐标原点，建立探测器像面上的坐标系 (x/，y/ )，在x/轴上对称设置两个具有相同半径的圆形针孔对（23、24)焦斑图案（16) 进行分割探测，分别为第一虚拟针孔（24)和第二虚拟针孔（23)，其位置分别对应上述两个 探测系统（11、12)，当被测样品（3)进行扫描时，数据处理系统（21)分别计算出第一虚拟针 孔（24)和第二虚拟针孔（23)范围内像素灰度总和，得到强度响应。3. 根据权利要求1所述的激光双轴差动共焦诱导击穿-拉曼光谱成像探测方法，其特 征在于：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。4. 根据权利要求1所述的激光双轴差动共焦诱导击穿-拉曼光谱成像探测方法，其特 征在于：该系统还可以探测荧光、康普顿散射光等散射光谱。5. 激光双轴差动共焦诱导击穿-拉曼光谱成像探测装置，包括光源（1)，照明物镜（2) 和采集物镜（7)，其特征在于：还包括光束扫描装置（26)，准直扩束镜（25)，分光系统（8)， 二向色分光系统（38)、差动探测装置（15)、拉曼光谱探测系统（19)和激光诱导击穿光谱探 测系统（39);其中，照明物镜⑵和采集物镜（7)对称地布局在测量面法线（5)两侧，照明 光轴（4)与测量面法线（5)的夹角为Q1 (6)，采集光轴（20)与测量面法线（5)的夹角为 9 2 (37)，其中Q1= 0 2，准直扩束镜（25)、光束扫描装置（26)和照明物镜（2)依次放在光 源（1)的出射光线方向，采集物镜（7)和分光系统（8)依次放在被测样品（3)的反射光线 方向，激光诱导击穿光谱探测系统（39)放在二向色分光装置（8)透射方向，二向色分光系 统（38)和拉曼光谱探测系统（19)放置在分光系统（8)的反射方向，差动探测装置（15)放 置在向色分光系统（38)的反射方向。6. 根据权利要求5所述的激光双轴差动共焦诱导击穿-拉曼光谱成像探测装置，其特 征在于：为提高系统横向分辨力，系统还可在准直扩束镜（25)和照明物镜（2)之间加入照 明端光瞳滤波器（28)，或者在二向色分光系统（38)和测量透镜（9)之间加入采集端光瞳滤 波器（30)，或者在准直扩束镜（25)和照明物镜（2)之间以及二向色分光系统（38)和差动 探测装置（15)之间同时加入照明端光瞳滤波器（28)和采集端光瞳滤波器（30)。7. 根据权利要求5或6所述的激光双轴差动共焦诱导击穿-拉曼光谱成像探测装置， 其特征在于：为提高系统横向分辨力，还可在准直扩束镜（25)和光束扫描装置（26)之间加 入偏振调制装置（29)，或者在照明物镜（2)和照明端光瞳滤波器（28)之间加入偏振调制装 置（29)。8. 根据权利要求5或6或7所述的激光双轴差动共焦诱导击穿-拉曼光谱成像探测装 置，其特征在于：差动探测装置（15)的探测装置可以是CCD探测器，或者是两个参数相同的 点探测器。9. 根据权利要求5所述的激光双轴差动共焦诱导击穿-拉曼光谱成像探测装置，其特 征在于：还包括最后进行数据融合处理的数据处理系统（21)。10. 根据权利要求5或6所述的激光双轴差动共焦诱导击穿-拉曼光谱成像探测装置， 其特征在于：拉曼光谱探测装置（19)可以是共焦光谱探测装置，包括第一聚光镜（31)、位 于第一聚光镜焦点处的针孔（32)、第二聚光镜（33)、位于第二聚光镜（33)焦点处的光谱仪 (34)及光谱仪（34)后的第二探测器（35);还可以是普通光谱探测装置，包括第第二聚光镜
【专利摘要】本发明属于光谱测量及成像技术领域，涉及一种激光双轴差动共焦诱导击穿光谱-拉曼光谱成像探测方法及装置，可用于样品的微区组分与形态参数的高空间分辨成像与探测。该方法与装置利用激光诱导击穿光谱探测样品组分的元素组成信息；利用拉曼光谱探测样品的化学键与分子结构信息；利用双轴差动共焦技术探测样品表面形貌信息，双轴差动结构具有大视场、大工作距的优势，可对样品准确定焦，保证照明光斑最小，提升光谱激发效率；三者联用可实现结构共用和功能互补，实现样品的形貌和组分信息的综合测量。本发明具有高空间分辨，物质组分信息丰富和测量聚焦光斑尺寸可控等优点，在矿产、冶金、空间探测、环境监测、生物医疗等领域有广泛的应用前景。
【IPC分类】G01N21/65, G01N21/63
【公开号】CN104931481
【申请号】CN201510350428
【发明人】赵维谦, 王允, 邱丽荣
【申请人】北京理工大学
【公开日】2015年9月23日
【申请日】2015年6月23日