專利名稱：一種激光探針微區(qū)成分分析儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于激光精密檢測技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種激光探針微區(qū)成分分析儀(簡稱激光探針儀)，主要用于物質(zhì)微區(qū)元素成分的定性與精確定量分析。
背景技術(shù)：
在冶金、機械、能源、化工、環(huán)保、生物制藥等不同領(lǐng)域中，常常需要對物質(zhì)成分進行定性或者精確定量分析。常用的分析儀器主要包括電子探針和掃描電鏡能譜分析儀，它們能夠比較準(zhǔn)確地探測物質(zhì)元素成分，特別是在高倍放大條件下準(zhǔn)確分析物相的微區(qū)成分。但是，這兩種儀器存在的不足之處是首先，設(shè)備體積龐大，對設(shè)備放置的環(huán)境要求高，如需要恒溫、恒濕等，因此無法將儀器搬到生產(chǎn)現(xiàn)場進行分析；其次，這兩種分析設(shè)備都是采用電子束作為物相成分分析的手段，而要減少電子束的散射效應(yīng)，必須將被分析樣品放置在高真空環(huán)境下進行分析檢測工作，因此樣品室空間尺寸受到很大限制，特別是無法完成大尺寸試樣的成分分析；再次，長期以來，電子探針分析精度一直在1%左右徘徊，掃描電鏡能譜分析的精度只有1%—5%，難以滿足一些微區(qū)物相精確定量分析的要求；最后，電子探針和能譜分析時，被分析物質(zhì)必須導(dǎo)電，因此無法對不導(dǎo)電的陶瓷、玻璃、有機物等絕緣材料進行成分分析。
中國專利文獻《激光誘導(dǎo)等離子光譜分析儀》(公告為CN2869853，公告日為2007年02月14日)公開了一種適合氣體、液體和固體中微量元素分析的激光誘導(dǎo)等離子光譜分析儀，該儀器分為激光器、微型分析儀和上位計算機三部分。實際使用時，啟動激光器發(fā)射脈沖激光束，通過聚光鏡將激光束聚焦在樣品臺上的待測樣品表面，使待測樣品產(chǎn)生等離子體，在等離子體冷卻泯滅的過程中，將等離子體束中被激發(fā)原子放射出的光譜信號聚焦到樣品臺側(cè)的光纖接收端，通過光纖將元素發(fā)射光譜引導(dǎo)到微型光譜
儀中，分光后打在CCD上，CCD將元素發(fā)射光譜轉(zhuǎn)換成電信號傳輸?shù)接嬎銠C進行分析，由計算機輸出元素定性分析和定量分析結(jié)果。
以上技術(shù)是利用激光誘導(dǎo)擊穿光譜儀(LIBS)進行物質(zhì)元素分析的實例，它能在野外現(xiàn)場快速測量氣體、液體和固體樣品的元素含量。但是，該裝置只能作為針對塊體或者大量物質(zhì)(包括固體、氣體和液體)的成分分析設(shè)備，即其所分析的物質(zhì)成分實際上是塊狀物質(zhì)的綜合平均結(jié)果，而不能分析物質(zhì)微區(qū)的化學(xué)成分。此外，該專利文獻沒有提到所能夠分析物質(zhì)的分析精度和靈敏度。
1996年以后，國外有學(xué)者提出了采用LIBS分析固體物質(zhì)成分微區(qū)分析的方法，簡稱為MicroLIBS或laser microanalysis技術(shù)(參見K.Y. Yamamoto:D.A. Cremers, M.J. Ferris and L.E. Foster. Appl. Determination of copper inA533b steel for the assessment of radiation embrittlement using laser-inducedbreakdown spectroscopy Spectrosc. 50 (1996), pp. 222—233.)。其實質(zhì)是將LIBS裝置與光學(xué)顯微鏡結(jié)合起來，在對塊狀物質(zhì)的表面組織結(jié)構(gòu)形貌進行觀察后，蔣LIBS中的激光束聚焦后直接對準(zhǔn)所觀察區(qū)域輻照，在所選定微區(qū)產(chǎn)生擊穿等離子體光譜，同時采用光柵光譜分析儀對激光激發(fā)的原子和離子光譜進行探測、分析，所檢測出的物質(zhì)成分就對應(yīng)著該微區(qū)的化學(xué)成分。這種MicroLIBS首次提出了將光學(xué)顯微鏡和LIBS結(jié)合起來的技術(shù)路線，使得在大氣環(huán)境下分析指定微區(qū)成分成為可能。
從1996年起直至現(xiàn)在，已經(jīng)發(fā)展了各種形式的MicroLIBS。這些MicroLIBS技術(shù)雖然可以對物質(zhì)的微觀區(qū)域成分進行分析，但是存在以下不足第一，MicroLIBS的結(jié)構(gòu)設(shè)計中忽略了所采用激光器光束質(zhì)量對分析區(qū)域最小分辨率的影響，聚焦的激光光斑直徑較大，影響了其微區(qū)分析精度。例如，對比文獻(J.M. Mermet a， P. Mauchien b， et al， Processing of shot國to畫shotraw data to improve precision laser-induced breakdown spectrometrymicroprobe， Spectrochimica Acta Part B 63 (2008) 999—)中所描述的MicroLIBS最小分析微區(qū)尺寸范圍是5-10微米。這一數(shù)值甚至大于當(dāng)前的電子探針和掃描電鏡能譜分析的最小區(qū)域。第二，上述對比文獻中，沒有采取有效措施提高MicroLIBS系統(tǒng)的成分分析精度。目前，MicroLIBS技術(shù) 所能夠達到的成分分辨率最高精度為1 % ，該精度值與現(xiàn)有的電子探針分析 精度相當(dāng)，略高于掃描電鏡的分析精度。所以，相對于發(fā)展已經(jīng)非常成熟 的電子探針和掃描電鏡分析設(shè)備而言，MicmLIBS的應(yīng)用還是受到了很大的 限制。
發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的在于提供一種激光探針微區(qū)成分分析儀，該激光探 針儀分析精度高，可分析的最小微區(qū)尺寸范圍小，不需要真空環(huán)境，對所 分析樣品的尺寸大小和導(dǎo)電性無限制，分析效率高。
本實用新型提供的激光探針微區(qū)成分分析儀，其特征在于 激光器、擴束鏡和第一全反射鏡依次位于同一水平光路上，第一全反 射鏡的反射面與水平光路的夾角為45度；
工業(yè)CCD位于第一全反射鏡的上方，第一聚焦物鏡位于第一全反射鏡
下方，第一聚焦物鏡和工業(yè)CCD的光軸重合；
三維工作臺的工作臺面位于第一聚焦物鏡的下方，用于放置樣品；
第二全反射鏡活動安裝在樣品的反射光路上，光纖探頭位于第二全反 射鏡的反射光路上；
工業(yè)CCD通過光纖與帶有顯示器的計算機連接，光纖探頭通過光纖依 次與光柵光譜儀、增強型CCD相連，后者通過同軸電纜和計算機連接。
作為本實用新型的改進，激光器采用可調(diào)諧脈沖激光器，激光器內(nèi)帶 有小孔光闌或者其出光口設(shè)置有小孔光闌，在激光器與擴束鏡之間依次活 動安裝有半波片和第一、第二偏振片。這種結(jié)構(gòu)的成分分析儀不僅可以進 行更準(zhǔn)確的定性分析，還可以進行高精度的定量分析。
作為本實用新型的另一種改進，各聚焦物鏡的下方均安裝有約束機構(gòu)。 該約束機構(gòu)可以為薄壁圓筒形構(gòu)件或由平行的兩片薄壁組成，其材料優(yōu)選 磁性材料。
6由于現(xiàn)有MicroLIBS技術(shù)存在的種種缺點，本實用新型提供了上述技 術(shù)方案，可以達到激光探針微區(qū)成分的定性或者精確定量分析的目的。具 體而言，本實用新型具有以下技術(shù)特點-
(1) 本實用新型中當(dāng)對單質(zhì)元素或者只有少量元素進行定性檢測分析 時，可以采用固定波長的激光器作為激發(fā)光源。當(dāng)需要檢測多種元素，并 需要對其中的微量元素進行精確的定量分析時， 一般采用波長可調(diào)諧全固 態(tài)脈沖激光器(以下簡稱可調(diào)諧激光器)作為激發(fā)光源。采用可調(diào)諧激光 器的主要目的是為了提高激光探針的成分分析精度。傳統(tǒng)LIBS技術(shù)的分析 精度不高的關(guān)鍵因素之一是，激光激發(fā)物質(zhì)的等離子光譜時，固定激光波 長條件下被分析物質(zhì)中含量較多的元素等離子體光譜信號將會湮沒含量較 少的元素光譜信號，因此使得微量或者痕量元素的成分分析精度降低。造 成這一現(xiàn)象的主要原因在于，目前國內(nèi)外LIBS或者MicroLIBS系統(tǒng)中使用 的激光器波長都是單一或固定的。而激光束激發(fā)物質(zhì)的光譜時，物質(zhì)中不 同的元素受到不同波長激光束照射后，所產(chǎn)生的激發(fā)程度存在很大的差別。 特別是當(dāng)激光束的光子能量與被探測物質(zhì)的本征激發(fā)所需要的能量相當(dāng) 時，該元素的光譜激發(fā)強度遠遠大于其它元素的激發(fā)強度，這樣，就可以 抑制其它元素的光譜信號強度，提高所設(shè)定元素的光譜信號強度。這一激 發(fā)過程稱為諧振激發(fā)，它對于提高物質(zhì)中各個元素的分析精度，特別是對 于大幅度提高對微量或者痕量元素的分析精度具有重要意義。本實用新型 的特點之一正是利用了物質(zhì)諧振激發(fā)的這一技術(shù)特點，將現(xiàn)有LIBS分析時 通常采用的單一波長全固態(tài)激光器改成波長可調(diào)諧的全固態(tài)脈沖激光器， 利用不同物質(zhì)產(chǎn)生諧振激發(fā)時特征光譜能態(tài)的差別及其對應(yīng)的光子能量差 別(對應(yīng)于不同波長)，最大限度激發(fā)被分析物質(zhì)中指定元素的特征光譜， 同時將其它元素的特征光譜抑制到最小，從而提高被分析物質(zhì)中含量相對 較少的元素分析精度，特別是微量元素甚至痕量元素的分析精度。
(2) 本實用新型中采用了兩個措施確保激光束聚焦后的光斑直徑達到 最小狀態(tài) 一是采用擴束鏡，將激光束的光斑直徑擴展到足夠大，以便充 分利用大數(shù)值孔徑的聚焦系統(tǒng)，聚焦后獲得更加細小的光斑直徑；二是采 用了多個放大倍率不同的聚焦物鏡，適用于各種分析精度。當(dāng)選擇其中放大倍率最高的聚焦物鏡時，可以使聚焦激光束的光斑直徑更小。而現(xiàn)有
MicroLIBS技術(shù)的最大缺點之一就是光斑直徑仍然偏大(一般為5 — 10微 米)，因此無法獲得更小的微區(qū)分析空間。
(3)本實用新型中等離子體光譜信號從同軸光軸中采集，確保了激光探 針等離子體光譜的分析精度。傳統(tǒng)的MicroLIBS技術(shù)一般從激光誘導(dǎo)等離 子體的側(cè)向采集光譜信號，由于需要在聚焦物鏡和樣品之間留一定的空間 安放探測器，所以聚焦物鏡的焦距不能夠太短，否則無法有效探測相關(guān)信 號，這也是此前MicroLIBS技術(shù)中激光束斑直徑無法進一步減小的根本原 因之一。本實用新型中，將等離子體信號從光軸中采集，并通過石英光纖 將信號傳輸?shù)焦鈻殴庾V儀、增強型電荷耦合檢測儀(即增強型CCD)，經(jīng)過 計算機進行相關(guān)的計算和處理后，最終在顯示器終端上顯示出光譜的強度 特征和分布情況。由于信號同軸采集，不需要考慮留下足夠空間安裝側(cè)向 式光譜探測頭，因此可以采用短焦距物鏡使激光束斑直徑更小，這樣激光 探針儀所能夠分析的最小微區(qū)尺寸可以更小，分辨率更高。本實用新型中 通過采取上述三個措施，可以使激光束斑的直徑達到1微米左右，分析精 度不僅遠高于現(xiàn)有的MicroLIBS系統(tǒng)，也遠高于現(xiàn)有的電子探針和掃描電 鏡能譜分析儀，使得激光探針儀在高精度微區(qū)成分分析方面更加具有競爭 力。
(4)激光探針儀的最大特點之一就是能夠?qū)λ^察到的微區(qū)組織結(jié)構(gòu) 進行定點成分分析。為了確保所得到的成分分析結(jié)果就是對應(yīng)所觀察到的 微區(qū)區(qū)域的化學(xué)成分，本實用新型采用了同軸光學(xué)系統(tǒng)，即激光束的導(dǎo)光 系統(tǒng)與樣品光學(xué)觀察系統(tǒng)集成到同一套光路中，兩者光軸同軸，部分光學(xué)
元器件共用。通過聚焦后，在樣品表面形成共焦平面，對待測樣品的微區(qū) 表面形貌進行觀察和成分分析。換句話說，將激光器產(chǎn)生的激光束與聚焦 物鏡、工業(yè)CCD的光軸重合，通過物鏡、工業(yè)攝像頭(CCD)對微區(qū)進行 形貌觀察之后，不需要光學(xué)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換，直接啟動激光器產(chǎn)生高能量脈沖 激光束，使其對所觀察區(qū)域激發(fā)等離子體，并通過對等離子體光譜特征的 分析，就可以原位完成該區(qū)域的成分分析，確保了微觀組織結(jié)構(gòu)分析和成 分分析過程的一致性。(5)在物質(zhì)成分分析過程中，常常需要分析一個面積較大微區(qū)的平均成 分，或者沿著某一條直線成分的變化規(guī)律等，電子探針和掃描電鏡都有這 種功能，分別稱為成分面掃描和成分線掃描?，F(xiàn)有的MicroLIBS技術(shù)由于 沒有設(shè)運動機構(gòu)，因此不具備這種功能。本實用新型具有激光成分分析、 光學(xué)聚焦、三軸移動及計算機控制等功能，所形成的激光探針儀，可以像 電子探針和掃描電鏡能譜分析那樣，完成被分析物質(zhì)各個元素的成分線掃 描和面掃描分析。換句話說，在采用顯微聚集器件(包括工業(yè)CCD和聚焦 物鏡)對被分析物質(zhì)的表面形貌進行了觀察、分析之后，可以編制相應(yīng)的 控制程序，設(shè)定需要分析的區(qū)域(包括直線區(qū)域或者表面區(qū)域)，然后直接 啟動激光器，產(chǎn)生等離子體光譜，并獲得相關(guān)分析結(jié)果。同時，工作臺根 據(jù)分析所編程序要求，將聚焦激光束在樣品表面掃描，完成對該物質(zhì)的成 分線掃描和面掃描分析。
本實用新型的改進方案中，考慮有時需要對樣品微區(qū)的微量甚至痕量 元素進行更進一步精密的無損探測，本實用新型中利用帶小孔光闌的激光 器或者在激光器的出光口增加小孔光闌去除激光束中的高階模，同時在激 光光路中增加了半波片、偏振片來進一步對激光器輸出的激光束進行濾波， 使得激光束成為理想的高斯00模。
在本實用新型的改進方案中，同時考慮到當(dāng)激光束的光斑直徑變小后， 所激發(fā)的等離子體信號范圍也將變小，信號變?nèi)?。還可以采用專門設(shè)計的 等離子體約束機構(gòu)，約束等離子體的運動方向和擴展范圍，從而延長等離 子體信號的生存壽命，提高被分析元素的精度。
綜上所述，與目前物質(zhì)成分分析時廣泛使用的電子探針、掃描電鏡、 MicroLIBS相比較，激光探針具有如下技術(shù)效果
第一，激光探針儀對物質(zhì)的激發(fā)區(qū)域最小可達lpm以下，其最小空間分 辨率遠優(yōu)于電子探針、掃描電鏡和MicroLIBS;第二，激光探針儀的絕對分 析精度最高可達ppm級，這是掃描電鏡和電子探針無法比擬的；第三，激光 探針儀適合導(dǎo)電和不導(dǎo)電物質(zhì)的高精度微區(qū)成分分析，因此，該設(shè)備可以 用于包括金屬、陶瓷、玻璃、塑料等幾乎所有固體物質(zhì)的成分分析；而電 子探針、掃描電鏡只能完成導(dǎo)電材料的成分分析；第四，激光探針儀不需
9要真空，物質(zhì)樣品尺寸不受限制，并且對環(huán)境要求低，可以搬運到大型零
部件的現(xiàn)場進行微區(qū)成分分析；最后，激光探針儀的擴展空間大，可以發(fā) 展成為系列專用成分檢測儀器，滿足不同目的的檢測要求，特別是針對器 件的無損探測。
激光探針儀可替代現(xiàn)有的電子探針和掃描電鏡，它不但適合金屬材料 的微區(qū)成分分析，而且適合陶瓷、玻璃、塑料等非金屬材料的微區(qū)成分分 析，可以應(yīng)用于材料科學(xué)與工程、機械制造、冶金、石油化工、生物工程、 電子工程、核物理、農(nóng)業(yè)和安全檢測等眾多領(lǐng)域。


圖1為本實用新型激光探針微區(qū)成分分析儀的第一種具體實施方式
的 結(jié)構(gòu)示意圖2為圖1中區(qū)域A的放大示意圖3為本實用新型激光探針微區(qū)成分分析儀的第一種改進型的具體實 施方式的結(jié)構(gòu)示意圖4為本實用新型激光探針微區(qū)成分分析儀的第二種改進型的具體實
施方式的結(jié)構(gòu)示意圖5為本實用新型激光探針微區(qū)成分分析儀的第三種改進型的具體實 施方式的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
下面通過借助實施例更加詳細地說明本實用新型，但以下實施例僅是 說明性的，本實用新型的保護范圍并不受這些實施例的限制。
如圖1所示，本實用新型激光探針微區(qū)成分分析儀包括成分分析系統(tǒng) (LIBS系統(tǒng))、樣品光學(xué)觀察系統(tǒng)、三維工作臺、激光探針一體化控制系統(tǒng)。 圖2為圖1中A處進行放大的示意圖。
成分分析系統(tǒng)包括激光器l，激光束整形導(dǎo)光組件，以及光譜采集分析 組件。
激光器l通常采用可調(diào)諧激光器，其波長范圍在215nm-2550nm范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)；在定性地檢測一些特定元素的情況下，可以采用固定波長的激光 器。激光器l選用帶有小孔光闌的激光器，也可以通過在出光口加小孔光闌 實現(xiàn)選模。
激光束整形導(dǎo)光組件包括依次位于同一光路上的擴束鏡5，第一全反射 鏡7和第一聚焦物鏡19。第一全反射鏡7的反射面與水平光路的夾角為45度。
激光器l、擴束鏡5都通過螺釘連接直接固定在基板13的上面，第一全 反射鏡7安裝在第一旋轉(zhuǎn)電磁鐵16上，且第一旋轉(zhuǎn)電磁鐵16與顯微觀察組件 的固定支架ll相連，其中顯微觀察組件的固定支架11固定安裝在基板13上。
顯微觀察組件的固定支架11的下面安裝有移動支架12。移動支架12的 下面安裝有鏡頭架轉(zhuǎn)盤17，鏡頭架轉(zhuǎn)盤17上可以安裝多個鏡頭支架，在每
個鏡頭支架上均安裝一個聚集物鏡。本實例安裝有三個鏡頭支架，鏡頭支 架內(nèi)部分別安裝有第一聚焦物鏡19和作為備用的第二、第三聚焦物鏡18、 20，它們分別為不同放大倍率的物鏡，通過旋轉(zhuǎn)鏡頭架轉(zhuǎn)盤17可以進行自 由選擇。在圖1中，以選用第一聚焦物鏡19為例進行說明。
光譜采集分析組件包括約束機構(gòu)21、第二全反射鏡9、光纖探頭8、石 英光纖25、光柵光譜儀27、增強型CCD28、第二顯示器30組成。
在第一聚焦物鏡19和第二、第三聚焦物鏡18、 20的下方安裝有光信號 約束機構(gòu)21。約束機構(gòu)21的形狀可以是薄壁形圓筒狀結(jié)構(gòu)，也可以是平行 的兩片薄壁構(gòu)件組成。在僅對樣品進行定性分析時，也可以省略約束機構(gòu) 21。
第二全反射鏡9位于第一全反射鏡7和第一聚焦物鏡19之間，且安裝在 第二旋轉(zhuǎn)電磁鐵36上，第二旋轉(zhuǎn)電磁鐵36安裝在移動支架12上，第二全反 射鏡9與激光束6的垂直光路成45度角安裝，它將等離子體22的光學(xué)信號水 平反射。
光纖探頭8位于第二全反射鏡9的反射光路上，且固定安裝在移動支架 12的側(cè)面，用于采集等離子體22的光學(xué)信號，后者通過約束機構(gòu)21經(jīng)由第 二全反射鏡9反射后進入光纖探頭8，再通過石英光纖25傳輸?shù)焦鈻殴庾V儀 27和增強型CCD28，之后通過上位機29進行數(shù)據(jù)處理，最后在第二顯示器 30上顯示出所采集到的特征光譜結(jié)果。樣品光學(xué)觀察系統(tǒng)包括工業(yè)CCDIO、光纖26、第一顯示器32。
工業(yè)CCD10位于第一全反射鏡7的上方，并通過光纖26與下位機31相 連，第一顯示器32與下位機31相連。
聚焦物鏡19攝取被分析樣品23表面形貌圖像，通過工業(yè)CCD10放大以 后，再通過光纖26傳輸給下位機31，并在第一顯示器32上顯示出來。
三維工作臺包括顯微觀察組件移動支架12、 二維數(shù)控機床24、絲桿、 導(dǎo)軌14、電機15和控制器34。
顯微觀察組件移動支架12位于顯微觀察組件固定支架11的下方，與安 裝在基板13側(cè)面的絲桿、導(dǎo)軌14相連。
二維數(shù)控機床24為標(biāo)準(zhǔn)的平面工作臺，它安放在大理石或者花崗巖基 臺35上，并通過螺釘固定與之固定?？刂破?4用于控制平面工作臺在x-y方 向的運動，同時與電機15相連，通過控制電機15使絲桿、導(dǎo)軌14帶動移動 支架12上下運動，以便調(diào)節(jié)顯微觀察組件與被分析試樣表面的距離。換句 話說，二維數(shù)控機床24 (即x-y軸)與安裝在顯微觀察系統(tǒng)的移動支架12上 的電機15、絲桿和導(dǎo)軌14 (即z軸) 一起，構(gòu)成x-y-z三軸運動系統(tǒng)。在控制 器34的驅(qū)動下，通過編制相應(yīng)的控制軟件，就可以完成復(fù)雜形狀樣品的表 面微區(qū)成分分析；
激光探針一體化控制系統(tǒng)是整臺激光探針成分分析儀的核心，包括下 位機31和上位機29。
下位機31與二維數(shù)控機床24相連，同時與控制器34相連，主要功能是 給控制器34輸入控制指令，控制二維數(shù)控機床24的平面運動與電機15、絲 桿14的高度方向運動，構(gòu)成三維運動，可對被分析樣品23表面微區(qū)進行掃 描分析。
上位機29中安裝的控制系統(tǒng)軟件可以通過同步信號線控制與上位機29 相連的激光器電源控制模塊33、光柵光譜儀27的控制模塊、增強型CCD28 的控制模塊、數(shù)控機床的驅(qū)動模塊等相連，經(jīng)過專門編制的控制軟件，完 成激光探針儀的各種復(fù)雜的分析測試功能。
作為一個典型的定性分析的實例，該激光器l一般采用固定波長為 532nm的激光器，且其激光脈寬< 10ns;單脈沖脈沖能量10-50mJ，脈沖重復(fù)頻率10Hz。
擴束鏡5將激光器1所輸出的激光束6直徑擴大，以降低激光束6的發(fā)散 角，充分利用聚焦物鏡19的數(shù)值孔徑，聚焦后獲得光斑直徑更小的激光束 斑，從而提高激光探針儀的最小空間分辨精度。
所述第一、第二全反射鏡7、 9均為活動安裝。第一全反射鏡7主要用于 將激光束水平光路反射向下為垂直光路，而第二全反射鏡9主要用于反射等 離子體22的光信號進入光纖探頭8。
所述聚焦物鏡19的功能有三個 一是直接觀察樣品表面光學(xué)形貌；二 是作為導(dǎo)光系統(tǒng)的一部分，將激光束斑6聚焦后直接照射到被分析樣品23的 表面；三是采集激光束6激發(fā)的等離子體22的信號并沿激光束光路反向傳輸 到光纖探頭8，以便進行光譜分析。
約束機構(gòu)21是確保激光探針成分分析精度的關(guān)鍵機構(gòu)。約束機構(gòu)21所
使用的材料可以是磁性或非磁性材料，采用磁性材料可以進一步延長等離 子體22的壽命。約束機構(gòu)21既不妨礙激光束6的正常輸出，也不阻擋激光誘 導(dǎo)的等離子體22的光信號進入導(dǎo)光系統(tǒng)。同時，由于約束機構(gòu)21是空間較 小的薄壁結(jié)構(gòu)，又非?？拷鼧悠?3表面，因此能夠有效限制等離子體22的 運動方向和速率，延長其生存壽命，提高激光探針儀的分析精度。
所述基板13可以優(yōu)選大理石或花崗巖等材料，以確保其硬度和平整度， 并具有很好的減震、抗震性能。
所述絲桿、導(dǎo)軌14與電機15相連，可以在電機15的驅(qū)動下上下移動， 根據(jù)需要調(diào)節(jié)聚焦物鏡19到本分析樣品23之間的距離，使得激光束6的焦點 總是落在被分析樣品23的表面。
所述CCD10的主要作用和聚焦物鏡19一起，構(gòu)成樣品的高倍觀察系 統(tǒng)，用于樣品表面形貌的觀察分析。通過改變聚焦物鏡19和工業(yè)CCD10之 間的距離，可以改變第一顯示器32上被觀察樣品的表面形貌放大倍率。
所述工業(yè)CCDIO、第一全反射鏡7、第二全反射鏡9和薄壁狀等離子體 約束機構(gòu)21的中心位置應(yīng)該處于同一軸線上。激光束6經(jīng)過第一全反射鏡7
反射后的光學(xué)系統(tǒng)與觀察部分的光學(xué)系統(tǒng)的光路完全共用。
所述光柵光譜儀27主要將等離子體光分解為各種元素的光譜線，所述增強型CCD28主要將光譜線的信號進行放大。 激光探針儀微區(qū)成分分析過程如下。
首先是初步分析，觸發(fā)第一、二旋轉(zhuǎn)電磁鐵16、 36的開關(guān)使第一、二 全反射鏡7、 9都處于偏離激光束6的光路狀態(tài)，當(dāng)被分析樣品23置于二維數(shù) 控機床24上后，調(diào)整二維數(shù)控機床24在水平(x-y軸方向)的位置、顯微觀 察組件移動支架12 (z軸方向)上聚焦物鏡19的高度，并適當(dāng)調(diào)整聚焦物鏡 19和工業(yè)CCD10之間的間距，使得樣品表面處于觀察系統(tǒng)的焦點上，就可 以在第一顯示器32上觀察和分析樣品材料23的表面微觀形貌和結(jié)構(gòu)。將三 維工作臺和LIBS系統(tǒng)中激光束的光路進行精確匹配后對準(zhǔn)并鎖定所需要分 析樣品的微區(qū)。
當(dāng)被分析樣品23的特征微區(qū)對準(zhǔn)并鎖定后，觸發(fā)第一旋轉(zhuǎn)電磁鐵16的 開關(guān)使第一全反射鏡7位于激光束6的光路中并與之成45度角，開啟激光器 1，使之發(fā)出波長為532nm的脈沖激光束6。脈沖激光束6通過擴束鏡5擴束后 在第一全反射鏡7的反射面發(fā)生全反射，然后經(jīng)過聚焦物鏡19聚焦到樣品23 上進行燒蝕，產(chǎn)生等離子體22，等離子體22在約束機構(gòu)21內(nèi)膨脹擴散、逐 漸冷卻并釋放出各種元素的光譜，由于等離子體22的產(chǎn)生存在一定的延時， 所以當(dāng)激光束6發(fā)射后瞬間，通過觸發(fā)第二旋轉(zhuǎn)電磁鐵36使第二全反射鏡9 回到樣品23的反射光路中，各種元素的等離子體釋放出的光譜通過聚焦物 鏡19后在第二全反射鏡9的反射面進行全反射，進入到光纖探頭8，然后耦 合到光纖25的接收端，通過光纖25將光子光譜輸入到光柵光譜儀27，并通 過增強型CCD28進行光譜信號放大處理，再將相關(guān)信息傳輸給上位機29， 并由上位機29通過第二顯示器30將各種波長的光譜顯示出來，通過比對其 光譜的波長來定性分析樣品的各種組成元素，這樣就完成了樣品微區(qū)成分 的定性分析。
在初步定性分析的基礎(chǔ)上，如需對其中某些特定的微量甚至痕量元素 進行進一步精確定量分析，則可以采用精密定量分析方法，具體實施時， 采用如圖3所示的改進型具體實施方式
的結(jié)構(gòu)。圖3主要是在圖1的基礎(chǔ)上作 了如下改進，首先激光器l選用波長可調(diào)諧激光器，其波長調(diào)諧范圍為 215nm-2550nm連續(xù)可調(diào)，激光脈寬< 10ns;單脈沖脈沖能量10-50mJ，脈沖重復(fù)頻率10Hz。在激光探測過程中，逐漸調(diào)諧激光束的波長，完成多次掃 描并記錄相關(guān)的光譜信號；其次是在激光器l的諧振腔內(nèi)或者激光器的輸出 光路上安裝小孔光闌，本實例中采用在激光器l的諧振腔內(nèi)安裝小孔光闌， 最后是在激光束的光路中增加了半波片2、第一、二偏振片3和4。
圖3中選用的波長可調(diào)諧激光器1可以改變輸出的激光束6的波長，以便 在精確的定量探測中選用與被分析元素相匹配的波長，達到最大限度激發(fā) 被分析元素的等離子體，即大大的增強對應(yīng)元素的光子光譜信號。采用小 孔光闌、半波片2、偏振片3和4可以使輸出的激光束模式接近理想的高斯00 模，且能更好的對激光束進行濾波。
通過采用圖3所示的改進型激光探針結(jié)構(gòu)可以大大的增強其對微量甚 至痕量元素的探測精度，微區(qū)特征元素的精密定量分析具體操作步驟如下
首先插入相應(yīng)的波長的半波片2、偏振片3和4。啟動第二旋轉(zhuǎn)電磁鐵36 的開關(guān)使第二全反射鏡9偏離激光束6的光路。激光器l選用對應(yīng)微量、痕量 元素的波長，這樣可以最大限度的激發(fā)出對應(yīng)微量、痕量元素的波長，抑 制其他元素對該元素波長的影響，增強對應(yīng)微量、痕量元素的光譜信號， 進而提高其探測精度。然后開啟激光器1發(fā)出經(jīng)過小孔光闌選模的激光束6， 激光束6接近高斯00模，激光束6由半波片2，第一、第二偏振片3、 4過濾后， 光束模式變得更加理想，經(jīng)過擴束鏡5，光斑的直徑被放大數(shù)倍，此時第二 全反射鏡9處于偏離激光束6光軸的位置，對激光束6的傳輸過程無影響。因 此，激光束6直接在第一全反射鏡7處發(fā)生反射，然后通過聚焦物鏡19聚焦 后直接轟擊在被分析樣品23的微區(qū)進行燒蝕，產(chǎn)生等離子體22。在激光束 出光口的約束結(jié)構(gòu)21能將所產(chǎn)生等離子體22的運動區(qū)間控制在可探測范圍 內(nèi)，同時降低其運動速度，延長其在探測區(qū)域的停留時間，從而顯著提高 微量元素和痕量元素的檢測精度。
在激光束6發(fā)射后瞬間，通過觸發(fā)第二旋轉(zhuǎn)電磁鐵36使第二全反射鏡9 的中心回到光路中，等離子體22的光信號在通過聚焦物鏡19、在第二全反 射鏡9反射后進入光纖探頭8，然后耦合到光纖25的接收端，通過光纖25將 光子光譜輸入到光柵光譜儀27，并通過增強型CCD28進行光譜信號放大處 理，再將相關(guān)信息傳輸給上位機29，并由上位機29通過第二顯示器30將對應(yīng)特征元素光譜的定量分析結(jié)果顯示出來。
上位機29可以采用臺式計算機或者筆記本電腦通過USB接口或者網(wǎng)線 與增強型CCD28的信號采集處理電路進行連接，計算機的軟件具有自動掃 描、尋找原子光譜峰值、定性識別和定量轉(zhuǎn)化計算等功能。
使用本實用新型提供的高精度激光探針微區(qū)成分分析儀的操作分析分 為初步定性分析與精確定量分析，具體的初步定性分析操作步驟如下
1. 設(shè)置第一、第二旋轉(zhuǎn)電磁鐵16、 36的控制開關(guān)使第一、第二全反射 鏡7、 9處于偏離激光束6的光路狀態(tài)。且抽出半波片2、偏振片3和4。
2. 將被分析樣品23固定在二維數(shù)控機床24上，通過工業(yè)CCDIO、聚焦 物鏡19觀察待測樣品23的表面，調(diào)整二維數(shù)控機床24和顯微觀察系統(tǒng)的移 動支架12中聚焦物鏡19的高度，對樣品的待分析微區(qū)進行精確定位并鎖定；
3. 觸發(fā)第一旋轉(zhuǎn)電磁鐵16的開關(guān)，使第一全反射鏡7移動到激光束6的 光路中。
4. 開啟激光器l發(fā)射波長為532nm的短脈沖、高能量的激光束6;激光 束6通過擴束鏡5擴束，在第一全反射鏡7處反射后通過聚焦物鏡19聚焦到被 分析樣品23表面對樣品微區(qū)進行燒蝕產(chǎn)生等離子體。
5. 短脈沖高能量激光將樣品微區(qū)快速加熱到很高溫度，使微區(qū)燒蝕并 激發(fā)出等離子體22，激光束6發(fā)射完瞬間，接通第二旋轉(zhuǎn)電磁鐵36的觸發(fā)開 關(guān)，使得第二全反射鏡9位于樣品23的反射回路中，等離子體22受到約束機 構(gòu)21的約束，膨脹擴散受到限制，并逐漸冷卻、釋放出與所含元素對應(yīng)特 征波長光譜，等離子體22的光譜在第二全反射鏡9處發(fā)生全反射后進入光纖 探頭8，光纖探頭8將采集到的光譜信號通過石英光纖25傳輸至光柵光譜儀 27。
6. 光柵光譜儀27對激光激發(fā)的原子和離子光譜進行探測、分析，將所 檢測出的光譜信號通過增強型CCD28進行放大處理并轉(zhuǎn)化為電信號傳輸?shù)?上位機29，進行判斷分析。
7. 由上位機29將采集到的光譜波長與光譜數(shù)據(jù)庫中元素的光譜波長進 行對比分析，分析并確定微區(qū)元素的成分，并通過第二顯示器30顯示出來。 達到微區(qū)元素定性分析的目的。定性分析后，當(dāng)需要對樣品所含特定微量、痕量元素進一步精確分析 時，采用定量分析操作。具體定量分析操作步驟如下
8、 針對所選元素，通過設(shè)置激光器l采用對應(yīng)微量、痕量元素的激光 束波長。插入相應(yīng)微量、痕量元素波長的半波片2、偏振片3和4。
9、 觸發(fā)第二旋轉(zhuǎn)電磁鐵36的開關(guān)使第二全反鏡9偏離激光束光路。
10、 啟動激光器l發(fā)射激光脈沖，激光束6通過半波片2、偏振片3和4濾 波后，在擴束鏡5處進行擴束，然后在全反射鏡7的反射面進行全反射并通 過聚焦物鏡19在樣品23上聚焦。在被分析樣品23表面對樣品微區(qū)進行燒蝕。
11、 對應(yīng)波長的激光束6能與對應(yīng)元素產(chǎn)生調(diào)諧激發(fā)，使微量、痕量元 素得到最大限度的激發(fā)。樣品微區(qū)將被快速加熱到很高溫度，并激發(fā)出等 離子體22。
12、 激光束6發(fā)射完瞬間，接通第二旋轉(zhuǎn)電磁鐵36的觸發(fā)開關(guān)，使得第 二全反射鏡9位于樣品23的反射回路中，等離子體22受到約束機構(gòu)21的約 束，膨脹擴散受到限制，并逐漸冷卻、釋放出與所含元素對應(yīng)特征波長光 譜，等離子體22的光譜在第二全反射鏡9處發(fā)生全反射后進入光纖探頭8， 光纖探頭8將采集到的光譜信號通過石英光纖25傳輸至光柵光譜儀27。
13、 光柵光譜儀27對激光激發(fā)的原子和離子光譜進行探測、分析，將 所檢測出的光譜信號通過增強型CCD28進行放大處理并轉(zhuǎn)化為電信號傳輸 到上位機29，進行判斷分析。
14、 由上位機29將采集到的光譜通過計算機軟件定量計算出其含量，并 將其顯示出來。
通過上述步驟，就完成了激光探針成分分析儀的一次定點成分的定性 分析與一次特定微量、痕量元素的定量分析，當(dāng)需要繼續(xù)對其他微量、痕 量元素做進一步分析時，通過調(diào)整激光器l的波長與待測元素的波長進行匹 配，同時插入與波長匹配的半波片和偏振片，再進行精密定量分析。當(dāng)需 要對其他特征微區(qū)進行探測時，通過x、 y、 z三軸聯(lián)動控制，可使激光探針 儀沿著試樣表面輪廓移動，完成對樣品不同部位的微區(qū)成分分析。
表面的化學(xué)成分進行線掃描和面掃描分析時，首先應(yīng)該根據(jù)試樣的表 面形貌、所需要定性或者定量分析的微區(qū)面積和路徑編制程序，在編制程序時應(yīng)該注意可調(diào)諧激光的激光波長、激光器功率、輸出方式、脈沖重復(fù) 頻率與二維數(shù)控機床移動速度的匹配。激光器輸出高功率脈沖激光束和工 作臺的移動、光譜分析過程協(xié)調(diào)進行，完成樣品表面的線掃描、面掃描成 分分析。
本實用新型還可以采用如圖4所示的實施方式，例如可以將第二旋轉(zhuǎn) 電磁鐵36、.第二全反射鏡9移至第一全反射鏡7與工業(yè)CCD10的之間，且第 二全反射鏡9的反射面和第一全反射鏡7的反射面成90度角安裝，并固定于 顯微聚焦系統(tǒng)固定支架上。光釬探頭8水平安裝在顯微聚焦系統(tǒng)固定支架 上，與第二全反射鏡9反射光路的光軸相同。也可以采用如圖5所示的實施 方式，將旋轉(zhuǎn)電磁鐵36、第二全反射鏡9移至擴束鏡5和第一全反射鏡7之間， 且第一全反射鏡7與第二全反射鏡9平行安裝，光纖探頭8至于第二全反射鏡 9的上方。還可以采用如圖5所示的實施方式，將旋轉(zhuǎn)電磁鐵36、第二全反 射鏡9移至擴束鏡5和第一全反射鏡7之間，且第一全反射鏡7與第二全反射 鏡9平行安裝，光纖探頭8至于第二全反射鏡9的上方。
對于形狀復(fù)雜的樣品，還可以在二維數(shù)控機床上增加一個可以轉(zhuǎn)動的 小型工作臺，它可以以平行于x軸的A軸或者平行于y軸的B軸作為轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn) 動，并與x-y-z三個軸的運動聯(lián)動，成為五軸聯(lián)動系統(tǒng)，因此可使得激光束 的入射方向始終垂至于樣品的被分析面，確保所采集等離子體光電信號的 強度和分析精度。
三維工作臺也可以直接采用三維數(shù)控機床。此外，本實用新型中的所 述上位機和下位機可以進行合并，即由一臺計算機就可以完成上位機和下 位機的所有功能，例如當(dāng)需要對物質(zhì)微區(qū)表面進行觀察時，通過計算機的 顯示器進行顯示；當(dāng)需要對物質(zhì)進行分析時，可以通過切換顯示器上的界 面來進行顯示元素的光譜，或者通過分屏顯示的方法在顯示器上同時顯示 樣品的觀察圖像和元素光譜圖。
依據(jù)本實用新型所制造的激光探針儀對物質(zhì)成分的分析精度最高可以 達到ppm級別，最小空間分辨率可以達到l微米，使該設(shè)備成為高檢測精度、 大尺度范圍、無需真空、物相分析準(zhǔn)確的多功能激光探針成分分析儀。
本實用新型激光探針微區(qū)成分分析儀具有對物質(zhì)微區(qū)進行精密探測功能，其對物質(zhì)微區(qū)的定位對準(zhǔn)度高，能對物相的表面形貌、顯微結(jié)構(gòu)特征 進行微區(qū)成分的精確定量分析，滿足大型金屬零部件、陶瓷零部件、高分 子材料零部件的化學(xué)成分和物相分析要求。
本實用新型也可以直接采用如圖3、圖4或圖5所示結(jié)構(gòu)的分析儀進行定 性分析。
以上所述為本實用新型的較佳實施例而已，但本實用新型不應(yīng)該局限 于該實施例和附圖所公開的內(nèi)容。所以凡是不脫離本實用新型所公開的精 神下完成的等效或修改，都落入本實用新型保護的范圍。
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權(quán)利要求1、一種激光探針微區(qū)成分分析儀，其特征在于激光器(1)、擴束鏡(5)和第一全反射鏡(7)依次位于同一水平光路上，第一全反射鏡(7)的反射面與水平光路的夾角為45度；工業(yè)CCD(10)位于第一全反射鏡(7)的上方，第一聚焦物鏡(19)位于第一全反射鏡(7)下方，第一聚焦物鏡(19)和工業(yè)CCD(10)的光軸重合；三維工作臺的工作臺面位于第一聚焦物鏡(19)的下方，用于放置樣品(23)；第二全反射鏡(9)活動安裝在樣品(23)的反射光路上，光纖探頭(8)位于第一全反射鏡(7)的反射光路上；工業(yè)CCD(10)通過光纖與帶有顯示器的計算機連接，光纖探頭(8)通過光纖(25)依次與光柵光譜儀(27)、增強型CCD(28)相連，后者通過同軸電纜和計算機連接。
2 、根據(jù)權(quán)利要求l所述的激光探針微區(qū)成分分析儀，其特征在于激光器(l)為可調(diào)諧脈沖激光器，激光器(1)內(nèi)帶有小孔光闌或者其出光口設(shè)置有小孔光闌；在激光器(1)與擴束鏡(5)之間依次活動安裝有半波片(2)和第一、第二偏振片(3、 4)。
3、根據(jù)權(quán)利要求2所述的激光探針微區(qū)成分分析儀，其特征在于激光器(l)，半波片(2)，第一、第二偏振片(3、 4),擴束鏡(5)安裝在基板(13)上；所述三維工作臺包括二維數(shù)控機床(24)和移動支架(12);鏡頭架轉(zhuǎn)盤(17)安裝在移動支架(12)的下部，第一聚焦物鏡(19)安裝在鏡頭架轉(zhuǎn)盤(17)上，鏡頭架轉(zhuǎn)盤(17)還安裝有備用的聚焦物鏡；移動支架(12)通過絲桿、導(dǎo)軌(14)安裝在基板(13)的側(cè)面，電機(15)與絲桿和導(dǎo)軌(14)相連。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的激光探針微區(qū)成分分析儀，其特征在于各聚焦物鏡的下方均安裝有約束機構(gòu)(21)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的激光探針微區(qū)成分分析儀，其特征在于約束機構(gòu)(21)為薄壁圓筒形構(gòu)件或由平行的兩片薄壁組成，
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的激光探針微區(qū)成分分析儀，其特征在于約 束機構(gòu)(21)所采用的材料為磁性材料。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1至4或所述的激光探針微區(qū)成分分析儀，其特征在于: 第二全反射鏡(9)活動位于第一全反射鏡(7)與第一聚焦物鏡(19)或工業(yè) CCD(10)之間，第二全反射鏡(9)的反射面與第一全反射鏡(7)的反射面之伺 夾角為卯 度。 -
8、 根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一所述的激光探針微區(qū)成分分析儀，其特征 在于第二全反射鏡(9)活動置于擴束鏡(5)與第一全反射鏡(7)之間，第二全 反射鏡(9)的反射面與水平光路的夾角為45度。
9、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的激光探針微區(qū)成分分析儀，其特征在于第 一、第二全反射鏡(7、 9)通過分別通過第一、第二旋轉(zhuǎn)電磁鐵(16、 36)安裝。
10、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的激光探針微區(qū)成分分析儀，其特征在于第 一、第二全反射鏡(7、 9)通過分別通過第一、第二旋轉(zhuǎn)電磁鐵(16、 36)安裝。
專利摘要本實用新型屬于激光探測技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種激光探針微區(qū)成分分析儀。其結(jié)構(gòu)為激光器，擴束鏡和第一全反射鏡依次位于同一水平光路上；第一全反射鏡的反射面與水平光路的夾角為45度；工業(yè)CCD位于第一全反射鏡的上方，工業(yè)CCD和第一聚焦物鏡自上而下依次放置且光軸重合；三維工作臺的工作臺面位于第一聚焦物鏡的下方；全反射鏡活動安裝在樣品的反射光路上，光纖探頭位于全反射鏡的反射光路上；工業(yè)CCD通過光纖與帶有顯示器的計算機連接，光纖探頭與光柵光譜儀、增強型CCD和計算機連接。該激光探針儀能對物質(zhì)微區(qū)元素進行無損探測，能滿足各種材料及尺寸的器件的快速元素成分定性分析，還可以針對樣品微區(qū)的微量甚至痕量元素進行高精度的定量分析。
文檔編號G01N21/01GK201434840SQ200920086880
公開日2010年3月31日 申請日期2009年6月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月23日
發(fā)明者宇 曹, 曾曉雁, 李常茂, 蔡志祥, 郭連波, 陸永楓 申請人:華中科技大學(xué)