[发明专利]一种LIBS光谱探测及显微成像的多功能系统

说明书

技术领域

本发明涉及光学设计领域，尤其是一种LIBS光谱探测及显微成像的多功能 系统。

背景技术

LIBS技术(激光诱导击穿光谱探测技术)是一种利用高功率激光器发出 高能量的激光，经过激光聚焦系统聚焦到远距离的物体表面，物体在受到高能 量的激光照射时，会辐射出等离子体光谱，通过分析等离子体光谱中的特征谱 线来探测物质的元素组成及含量。由于该技术无需样品制备、可同时测量多种 元素、以及非接触式快速测量等优点，非常适合于实时在线分析，现已经广泛 应用于各行各业，其广阔的前景和巨大的潜在市场是世界各国研究的热点。

目前LIBS技术存在两个非常重要的问题：第一，由于激光聚焦系统的聚 焦能力有限，仅可以将激光光斑聚焦到1mm范围之内，激光器的功率仍然较 高，激光器散热系统设计依然非常复杂；第二，目前的LIBS技术仅仅通过光 谱探测的方法来检测物质元素的组成和含量，不能够对物质表面的几何形态进 行显微成像，缺乏对物体的视觉成像识别功能。

在现有的LIBS技术中，如图1所示，其装置主要包括：激光发生装置1， 激光初级扩束系统2，反射镜3，二向色镜4，望远镜接收系统(由主镜5和副 镜6组成)，光纤耦合系统8，光纤9。激光发生装置1以脉冲方式工作，产生 一束高能量的激光，激光波长为1064nm，经初级扩束系统2放大后，通过反 射镜3和二向色镜4进入望远镜接收系统，之后被主镜5反射聚焦到远程物体 7的表面，物体7在受到激光照射后会产生等离子体光谱，等离子体光谱经望 远镜接收系统由副镜6反射到光纤耦合系统8，之后进入光纤9，最后通过光 谱仪对物质元素组成及含量进行光谱探测。由于在这种技术中，望远镜接收系 统会产生较大的像差，而后光路系统消像差能力有限，导致激光接收系统的MTF 非常低，故该技术无法对远程物体表面几何形态进行成像；其次，由于望远镜 接收系统的像差较大，故激光聚焦光斑直径缩小受到限制，目前仅能聚焦到光 斑直径为1mm范围以内,激光聚焦光斑无法进一步缩小，这将会使得激光器功 率依然较大，进而导致激光器散热系统设计仍然较为复杂。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本专利提供了一种能使激光聚焦光斑聚集 在直径更小范围以内，既可以对远程物体的元素组成及含量进行光谱探测，又 可以对远程物体表面的几何形态进行显微成像的多功能系统。

为解决现有技术问题和实现上述功能，本专利采用以下技术方案：

激光器1发射出1064nm的激光，经扩束模块2放大后，再由反射镜3和偏 置于主镜5和次镜6之间的第一分色片4进入反射式显微系统，之后经像差校 正板7聚焦到被测物体8上，被测物体8受到激光照射后产生等离子体光谱， 等离子体光谱经主镜5、次镜6及第一分色片4进入耦合透镜组9，通过耦合 透镜组9之后到达偏置于耦合透镜组9之后的第二分色片10，第二分色片10 将光束分成两路，一路光进入光谱探测模块11进行光谱探测，另一路光进入 成像探测器12进行显微成像。

所述像差校正板7被加入反射式显微系统中，且放置于主镜5与被测物体8 之间的光路中，其可以大大减小反射式显微系统产生的像差。

所述耦合透镜组9放置于主镜中心孔处，由两片透镜组成，两片透镜材料 的阿贝数相差30以上，且两种材料在240nm-1000nm波段的光谱透过率均在90％ 以上，不仅使得耦合到光谱探测模块11中的光斑变得更小，而且提高了系统 的MTF。

所述第一分色片偏置于主镜5与次镜6之间，使得整个系统更加紧凑，第 一分色片镀240nm-2400nm的增透膜。

所述第二分色片以45°角偏置于耦合透镜组9之后的系统光轴上，其上镀 240-850nm增透膜，使得该波段的光进入光谱探测模块11中；镀900-100nm 增透膜，使得该波段的光进入成像探测器12上。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点:

(1)可以在不同距离下对激光进行更好地聚焦，且聚焦光斑直径小于0.5mm， 这既保证了被测物体表面能产生高能量、高密度的等离子体，又同时降低 了激光器的功率和激光器散热系统设计的难度；

(2)提高了系统的MTF，不仅可以对物体元素组成及含量进行光谱探测，而 且同时可以对物体表面的几何形态进行显微成像，实现了LIBS技术的光谱 探测与显微成像的双重功能。

附图说明