一種基于光纖波導(dǎo)的微區(qū)激光探針成分分析儀的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于光纖波導(dǎo)的微區(qū)激光探針成分分析儀，包括Nd:YAG激光器、波長可調(diào)諧激光器、CCD監(jiān)控相機、計算機、光柵光譜儀、聚焦物鏡、位移平臺、數(shù)字延時脈沖發(fā)生器、增強型CCD；聚焦物鏡為反射式聚焦物鏡，Nd:YAG激光器和波長可調(diào)諧激光器均使用光纖波導(dǎo)進行激光脈沖的傳輸，并經(jīng)光纖準(zhǔn)直鏡準(zhǔn)直，擴束鏡擴束后進入所述聚焦物鏡，由Nd：YAG激光器發(fā)射的激光脈沖用于對待分析樣品表面微區(qū)進行燒蝕產(chǎn)生等離子體，由所述波長可調(diào)諧激光器發(fā)射的激光脈沖用于在所述等離子體上產(chǎn)生共振激發(fā)；光纖的一端用于采集所述等離子體發(fā)射的光譜信號，另一端與光柵光譜儀的光纖接口相連。本發(fā)明可以實現(xiàn)激光探針對物質(zhì)微區(qū)成分的精確定性與定量分析。
【專利說明】一種基于光纖波導(dǎo)的微區(qū)激光探針成分分析儀
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于成分分析與檢測【技術(shù)領(lǐng)域】，具體為一種基于光纖波導(dǎo)的微區(qū)激光探針成分分析儀，主要用于微小區(qū)域的物質(zhì)成分的精確定性與定量分析。
【背景技術(shù)】
[0002]激光探針技術(shù)，即激光誘導(dǎo)擊穿光譜(Laser-1nduced breakdown Spectroscopy,簡稱LIBS)技術(shù)，是利用高能量激光束轟擊被分析物質(zhì)表面產(chǎn)生等離子體，通過采集等離子體發(fā)射的特征光譜并對其進行分析，進而得到被分析物質(zhì)所含元素種類和含量的一種新型的物質(zhì)成分分析技術(shù)。LIBS技術(shù)具有無需樣品預(yù)處理、多元素同時檢測以及可在線、實時檢測等優(yōu)點，自從誕生至今一直受到廣泛的關(guān)注。但是由于傳統(tǒng)的LIBS技術(shù)采用的激光脈沖能量大OlOOmJ)，并且聚焦后的光斑直徑大OlOOum)，使得其無法對物質(zhì)微區(qū)元素進行精確的定量和定性分析，導(dǎo)致近年來微區(qū)激光探針技術(shù)越來越受到人們的關(guān)注。然而，微區(qū)激光探針技術(shù)目前仍存在以下兩個主要不足:一、檢測極限低；二、系統(tǒng)受外界干擾較大，檢測準(zhǔn)確度低、穩(wěn)定性差。
[0003]中國專利文獻《一種基于雙激光光源的激光探針微區(qū)成分分析儀》(公告為CN101782517A，公告日為2010年7月21日)公開了一種基于雙激光光源的激光探針微區(qū)成分分析儀。其結(jié)構(gòu)為:固定波長激光器、衰減器、擴束鏡、小孔光闌和第一半透半反鏡依次位于同一水平光路上，波長可調(diào)諧激光器通過第二全反鏡反射到第一半透半反鏡上后與固定波長激光器的激光束同光路；固定波長激光器和波長可調(diào)諧激光器可上下或平行放置，且通過數(shù)字延時發(fā)生器控制其開啟順序和延時；由光纖探頭接收并通過光纖傳輸?shù)焦鈻殴庾V儀后至增強型CXD的等離子體光譜采集時間也由數(shù)字延時發(fā)生器控制。這種雙激光光源激發(fā)的激光探針儀探測極限低，元素分析精度高，元素選擇性好，可用于各種物質(zhì)微區(qū)的微量、痕量元素的準(zhǔn)確定性和精確定量分析。但是該裝置仍然存在以下幾點不足:第一，該裝置使用反射鏡和半透半反鏡實現(xiàn)兩束激光的同軸傳輸，光路系統(tǒng)復(fù)雜，難以對其進行精確調(diào)校，不利于系統(tǒng)的日常維護，且鏡片制造難度大，成本較高；第二，該設(shè)備使用反射鏡系統(tǒng)將激光束傳遞到樣品表面，光路系統(tǒng)靈活性差，光束質(zhì)量受外界噪聲和干擾影響大；第三，該設(shè)備光路系統(tǒng)是針對某一特定激光波長設(shè)計，設(shè)備通用性差，若要使用另外的激光波長，必須對光路系統(tǒng)進行更換和重新調(diào)校，過程繁瑣，費時費力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提供了一種基于光纖波導(dǎo)耦合實現(xiàn)同軸激發(fā)的微區(qū)激光探針成分分析儀，目的在于實現(xiàn)激光探針對物質(zhì)微區(qū)成分的精確定性與定量分析。
[0005]本發(fā)明提供的一種基于光纖波導(dǎo)的微區(qū)激光探針成分分析儀，包括Nd=YAG激光器、波長可調(diào)諧激光器、CCD監(jiān)控相機、計算機、光柵光譜儀、聚焦物鏡、位移平臺、數(shù)字延時脈沖發(fā)生器、增強型CXD ;
[0006]所述Nd=YAG激光器和波長可調(diào)諧激光器安裝在光學(xué)平臺上，聚焦物鏡安裝在物鏡轉(zhuǎn)換器上，并位于用于安放待分析樣品的位移平臺的上方；
[0007]所述Nd:YAG激光器、波長可調(diào)諧激光器和增強型CCD分別與數(shù)字延時脈沖發(fā)生器通訊連接；
[0008]所述CCD監(jiān)控相機用于采集待分析樣品表面的反射光以實現(xiàn)對待分析樣品表面的同軸監(jiān)測；增強型CCD與光柵光譜儀電信號連接；
[0009]所述計算機分別與CXD監(jiān)控相機、位移平臺和增強型CXD電信號連接；
[0010]其特征在于，所述聚焦物鏡為工作波段為200nm-1100nm的反射式聚焦物鏡，Nd:YAG激光器和波長可調(diào)諧激光器均能夠使用工作波段為200nm-1100nm的光纖進行激光脈沖的傳輸，并經(jīng)光纖準(zhǔn)直鏡準(zhǔn)直，擴束鏡擴束后進入所述聚焦物鏡，由Nd =YAG激光器發(fā)射的激光脈沖用于對待分析樣品表面微區(qū)進行燒蝕產(chǎn)生等離子體，由所述波長可調(diào)諧激光器發(fā)射的激光脈沖用于在所述等離子體上產(chǎn)生共振激發(fā)；光纖的一端稱之為采集端、用于采集所述等離子體發(fā)射的光譜信號，另一端與光柵光譜儀的光纖接口相連。
[0011]作為上述技術(shù)方案的一種改進，該分析儀還包括工作波段為200nm-100nm的寬帶介質(zhì)膜反射鏡，所述光纖準(zhǔn)直器、擴束鏡和寬帶介質(zhì)膜反射鏡依次位于第一水平光路上，CCD監(jiān)控相機、寬帶介質(zhì)膜反射鏡和聚焦物鏡依次位于一豎直光路上，寬帶介質(zhì)膜反射鏡的反射面與水平光路的夾角為45度；Nd:YAG激光器的出光口與第一光纖耦合器位于第二水平光路；波長可調(diào)諧激光器的出光口與第二光纖耦合器位于第三水平光路；第一光纖耦合器、第二光纖耦合器的出射光束均通過傳能光纖耦合進入光纖準(zhǔn)直器；所述光纖采集端和光纖準(zhǔn)直器與光纖耦合器相連接的一端相連；或者所述光纖采集端連接有用于采集所述等離子體發(fā)出的特征光譜信號的光纖接頭。
[0012]作為上述技術(shù)方案的進一步改進，該分析儀還包括第四光纖耦合器；第四光纖耦合器的入光口通過一光纖束與準(zhǔn)直鏡連接相連，第四光纖耦合器的出光口位于CCD監(jiān)控相機的視場內(nèi)；Nd:YAG激光器的出光口與第一光纖耦合器位于第二水平光路，光纖耦合器的入光端面與第二水平光路垂直；波長可調(diào)諧激光器的出光口與第二光纖稱合器位于第三水平光路；第一光纖耦合器、第二光纖耦合器的出射光束均通過光纖耦合進入光纖準(zhǔn)直器；所述光纖的一端和光纖準(zhǔn)直器與第二光纖耦合器連接的一端相連。
[0013]作為上述技術(shù)方案的再進一步改進，該激光探針成分分析儀還包括同軸照明子系統(tǒng)。所述同軸照明子光路的優(yōu)選結(jié)構(gòu)包括LED光源和第三光纖耦合器；LED光源的出光口與第三光纖耦合器位于第四水平光路上，第三光纖耦合器的出射光束通過光纖束耦合進入光纖準(zhǔn)直器。
[0014]由于現(xiàn)有微區(qū)激光探針設(shè)備存在的種種缺點，本發(fā)明提供了上述技術(shù)方案，可以實現(xiàn)激光探針對微區(qū)成分的精確定性與定量分析。具體而言，本發(fā)明具有以下技術(shù)特點:
[0015](I)本發(fā)明最突出的技術(shù)特點是使用光纖波導(dǎo)實現(xiàn)了兩束激光同軸傳輸。首先，傳統(tǒng)的光路系統(tǒng)都是使用反射鏡系統(tǒng)實現(xiàn)兩束激光同軸傳輸，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)校繁瑣。使用光纖波導(dǎo)稱合的方法將兩束激光稱合進入一根光纖后同軸傳輸大大降低了光路系統(tǒng)復(fù)雜性，兩束激光的光路同軸度也更高，同軸激發(fā)效果更好；其次，光纖波導(dǎo)使微區(qū)激光探針分析儀的光路系統(tǒng)與激光器、光譜儀以及信號控制部分分離，增加了設(shè)備的可移動性，減小了設(shè)備的體積和空間占用率。
[0016](2)本發(fā)明另一個突出的技術(shù)特點是使用光纖波導(dǎo)實現(xiàn)了激光脈沖的傳輸。傳統(tǒng)的LIBS設(shè)備使用的激光脈沖能量較大(脈沖能量>100mJ)，由于光纖制造工藝的限制，光纖只能傳輸較低能量(脈沖能量<50mJ)的激光脈沖，因此傳統(tǒng)的LIBS設(shè)備都是使用反射鏡系統(tǒng)將高能激光束傳輸?shù)綐悠繁砻妫饴穫鬏斚到y(tǒng)可移動性差，對準(zhǔn)繁瑣，限制了 LIBS技術(shù)在原位、實時分析中的使用。而微區(qū)LIBS技術(shù)中使用的激光脈沖能量在ImJ以下，遠低于光纖的損傷閾值，因此完全可以使用光纖將激光脈沖傳遞到樣品表面，增強了光路系統(tǒng)的靈活度，節(jié)約了檢測現(xiàn)場對光路進行對準(zhǔn)和調(diào)校的時間，使利用LIBS技術(shù)進行原位、實時分析成為可能；其次，光纖波導(dǎo)能夠?qū)⒓す饧s束在光纖的芯徑內(nèi)部傳輸，減小了激光的發(fā)散角，提高了光束質(zhì)量，降低了外界環(huán)境波動和噪聲干擾對激光的影響，同時也可避免激光偏出光路對人體造成傷害。
[0017](3)本發(fā)明第三個突出的技術(shù)特點是光路系統(tǒng)使用大帶寬光纖、寬帶介質(zhì)膜反射鏡和反射式聚焦物鏡，工作帶寬大，通用性強，更為重要的是可以實現(xiàn)同軸激發(fā)和光譜的同軸采集。傳統(tǒng)的LIBS設(shè)備中光路系統(tǒng)的反射鏡和聚焦物鏡都是針對某一固定的激光波長，但是在實際應(yīng)用為了得到最佳的檢測效果，對不同的待測樣品必須使用與之相應(yīng)最佳激光波長。若要更換反射鏡及聚焦物鏡，經(jīng)常要耗費大量的時間和精力才能完成相應(yīng)元件的更換和光路校準(zhǔn)，過程繁雜，效率低下。本發(fā)明使用的光纖、寬帶介質(zhì)膜反射鏡和聚焦物鏡其工作波段為200nm-1100nm，完全覆蓋了系統(tǒng)使用的Nd:YAG脈沖激光器(四個輸出波長分別為266nm、355nm、532nm和1064nm)和輸出波長可調(diào)諧激光器的輸出頻段，在檢測不同的樣品時，只需直接改變激光器的輸出波長，光路系統(tǒng)不用做任何改變，大大節(jié)約了調(diào)校光路花費的時間，增強了設(shè)備的穩(wěn)定性和光路的可重復(fù)性，降低了后期使用過程中設(shè)備的維護成本。
[0018]綜上所述，與目前的微區(qū)激光探針設(shè)備相比較，本發(fā)明具有如下技術(shù)優(yōu)勢:
[0019]第一，使用光纖波導(dǎo)耦合實現(xiàn)兩束激光的同軸傳輸降低了光路系統(tǒng)的復(fù)雜性，使設(shè)備的光路部分與其他模塊分離，實現(xiàn)系統(tǒng)的柔性化設(shè)計，減小了設(shè)備的體積，增加了設(shè)備的可移動性；第二，使用光纖實現(xiàn)激光脈沖的傳輸增加了光路系統(tǒng)的靈活度，降低了外界噪聲和干擾對光束質(zhì)量的影響，提高了光束質(zhì)量；第三，光路系統(tǒng)具有寬工作帶寬，通用性強，減少了更換光路中相應(yīng)元件和重新對光路進行對準(zhǔn)的時間，增強了設(shè)備的穩(wěn)定性和光路的可重復(fù)性，降低了后期使用過程中設(shè)備的維護成本。
[0020]本發(fā)明可替代現(xiàn)有的微區(qū)激光探針成分分析儀進行物質(zhì)微區(qū)成分定性和精確定量分析，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)和安全檢測等諸多領(lǐng)域。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1為本發(fā)明激光探針微區(qū)成分分析儀的第一種【具體實施方式】的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖2為本發(fā)明激光探針微區(qū)成分分析儀的第二種【具體實施方式】的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖3為本發(fā)明激光探針微區(qū)成分分析儀的第三種【具體實施方式】的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]其中，1.Nd:YAG激光器；2.波長可調(diào)諧激光器；3.LED光源；4.光學(xué)平臺；5.第一光纖稱合器；6.第二光纖稱合器；7.第三光纖稱合器；8.數(shù)據(jù)線；9.光纖準(zhǔn)直鏡；10.擴束鏡；11.CCD監(jiān)控相機；12.寬帶介質(zhì)膜反射鏡；13.物鏡轉(zhuǎn)換器；14.聚焦物鏡；15.位移平臺；16.計算機；17.光柵光譜儀；18.數(shù)字延時脈沖發(fā)生器；19.千兆網(wǎng)線；20.增強型CCD ；21.控制電纜；22.控制電纜；23.控制電纜；24.控制電纜；25.光纖；26.光纖束；27.傳能光纖；28.傳能光纖；29.基臺；30.第一工作臺；31.第二工作臺；32.樣品；33.顯示器；34.光纖接頭；35.第四光纖I禹合器；36.光纖束。
【具體實施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】作進一步說明。在此需要說明的是，對于這些實施方式的說明用于幫助理解本發(fā)明，但并不構(gòu)成對本發(fā)明的限定。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0026]如圖1所示，第一種【具體實施方式】提供的激光探針儀包括Nd =YAG激光器1、波長可調(diào)諧激光器2、LED光源3、光學(xué)平臺4、第一光纖稱合器5、第二光纖稱合器6、第三光纖率禹合器7、數(shù)據(jù)線8、光纖準(zhǔn)直鏡9、擴束鏡10、CCD監(jiān)控相機11、寬帶介質(zhì)膜反射鏡12、物鏡轉(zhuǎn)換器13、聚焦物鏡14、位移平臺15、計算機16、光柵光譜儀17、數(shù)字延時脈沖發(fā)生器18、增強型(XD20、基臺29、第一工作臺30和第二工作臺31。
[0027]Nd =YAG激光器I的出光口與第一光纖耦合器5位于同一水平光路，光纖耦合器5的入光端面與水平光路垂直；
[0028]波長可調(diào)諧激光器2的出光口與第二光纖耦合器6位于同一水平光路，光纖耦合器6的入光端面與水平光路垂直；
[0029]LED光源3的出光口與第三光纖耦合器7位于同一水平光路，光纖耦合器7的入光端面與水平光路垂直；
[0030]第一光纖稱合器5、第二光纖稱合器6和三光纖稱合器7的出射光束分別通過傳能光纖28、傳能光纖27和光纖束26耦合進入光纖準(zhǔn)直器9 ；
[0031]光纖25的一端與光纖準(zhǔn)直器9的入口端，光纖25的另一端與光柵光譜儀17相連接，光柵光譜儀17與增強型(XD20連接，增強型(XD20通過數(shù)據(jù)線8計算機16連接；光柵光譜儀17可以采用中階梯光柵光譜儀。
[0032]光纖準(zhǔn)直器9、擴束鏡10和寬帶介質(zhì)膜反射鏡12依次位于同一水平光路，寬帶介質(zhì)膜反射鏡12的反射面與水平光路的夾角為45度；
[0033]CXD監(jiān)控相機11、寬帶介質(zhì)膜反射鏡12和聚焦物鏡13依次位于同一豎直光路，CCD監(jiān)控相機11通過千兆網(wǎng)線19與計算機16相連，寬帶介質(zhì)膜反射鏡12的反射面與豎直光路的夾角為45度；
[0034]聚焦物鏡14安裝在物鏡轉(zhuǎn)換器13上，物鏡轉(zhuǎn)換器13采用帶多個安裝孔的轉(zhuǎn)接盤，每個安裝孔上均安裝一個不同放大倍率的聚焦物鏡；
[0035]位移平臺15為三維高精度位移平臺，它位于聚焦物鏡14的正下方，通過控制電纜24與計算機16相連接，位移平臺15置于工作臺30上；
[0036]Nd =YAG激光器1、波長可調(diào)諧激光器2和增強型(XD20分別通過控制電纜22、控制電纜23和控制電纜21與數(shù)字延時脈沖發(fā)生器18相連接；
[0037]Nd:YAG激光器I的主要作用是發(fā)射高能激光脈沖在樣品32微區(qū)激發(fā)出等離子體，波長可調(diào)諧激光器2的主要作用是對Nd:YAG激光器I激發(fā)出的等離子體進行共振激發(fā)，大幅度增強特征光譜信號強度，排除其他元素等離子體信號的干擾；
[0038]LED光源3的作用是發(fā)射照明光束，對樣品表面進行同軸照明，增加樣品表面亮度，使同軸監(jiān)測效果更好；
[0039]光纖準(zhǔn)直器9用于對Nd =YAG激光器1、波長可調(diào)諧激光器2和LED光源3的輸出光束進行準(zhǔn)直，減小其發(fā)散角；
[0040]擴束鏡10將經(jīng)過準(zhǔn)直鏡9準(zhǔn)直后的光束進行擴束，以充分利用聚焦物鏡14通光口徑，使聚焦后的光斑更小，提高設(shè)備的橫向分辨率；
[0041]寬帶介質(zhì)膜反射鏡12的主要功能有:一、將擴束后的高能激光束的方向轉(zhuǎn)折90度后垂直入射到聚焦物鏡；二、使樣品表面的照明光線部分透過后進入CXD監(jiān)控相機11 ;三、將等離子體發(fā)射出的特征光譜信號反射后反方向通過擴束鏡10進入光纖25 ；
[0042]C⑶監(jiān)控相機11要作用:和聚焦物鏡14實現(xiàn)對樣品表面微區(qū)的實時監(jiān)測，通過使用不同放大倍率的聚焦物鏡14改變監(jiān)測系統(tǒng)的放大倍率。
[0043]聚焦物鏡14采用反射式聚焦物鏡，其主要功能有:一、對樣品32的微區(qū)形貌進行放大；二、將高能激光束聚焦到樣品32的表面；三、將LED光源3發(fā)出的照明光束聚焦到監(jiān)控區(qū)域；四、將等離子體發(fā)射的光譜信號準(zhǔn)直后沿豎直光路反向傳輸?shù)綄拵Ы橘|(zhì)膜反射鏡12反射后進入光纖器9耦合進光纖25，以對光譜信號進行采集；
[0044]光柵光譜儀17的作用是將采集到的光譜信號分解為各種元素的特征譜線，增強型CCD20的作用是將光柵光譜儀17分解后的光譜強度進行放大，同時控制等離子體信號的采集時間；
[0045]數(shù)字延時脈沖發(fā)生器18主要用于控制Nd =YAG激光器I和波長可調(diào)諧激光器2出射光束的延遲時間，同時控制增強型CCD20采集光譜的延遲時間；
[0046]計算機16內(nèi)部同時集成了光譜分析軟件、同軸監(jiān)測控制軟件和位移平臺控制軟件，具有在線監(jiān)測、尋找元素譜峰、定性分析和定量分析的功能；
[0047]上述結(jié)構(gòu)的微區(qū)激光探針成分分析儀的具體操作步驟如下:
[0048]1.首先將要分析的樣品32表面磨平和拋光，然后將被分析樣品32放置在位移平臺15上，打開LED光源3，該光源發(fā)出的光束依次通過光纖耦合器7耦合進入光纖束26，光纖準(zhǔn)直鏡9準(zhǔn)直，擴束鏡10擴束，然后經(jīng)寬帶介質(zhì)膜反射鏡12反射后通過聚焦物鏡14聚焦到被分析樣品32表面微區(qū)進行照明。通過CXD監(jiān)控相機11和聚焦物鏡14觀察樣品32微區(qū)表面，控制位移平臺15在X、Y、Z3個方向的移動將樣品32移到視野中央，并使樣品32表面與聚焦物鏡14的焦面重合以達到最佳監(jiān)測效果。
[0049]2.根據(jù)分析樣品的種類和性質(zhì)，確定所需的激光波長，開啟Nd=YAG激光器1，調(diào)節(jié)激光器實現(xiàn)所需波長輸出(Nd =YAG激光器I可以實現(xiàn)266nm、355nm、532nm或1064nm四種波長的激光輸出)，該激光器I發(fā)射出的高能激光束依次通過第一光纖I禹合器51禹合進入傳能光纖28，光纖準(zhǔn)直鏡9準(zhǔn)直，擴束鏡10擴束，然后經(jīng)寬帶介質(zhì)膜反射鏡12反射后通過聚焦物鏡14聚焦到被分析樣品32表面，對樣品32表面微區(qū)進行燒蝕產(chǎn)生等離子體。
[0050]3.經(jīng)過預(yù)先設(shè)定的延時時間，數(shù)字延時脈沖發(fā)生器18發(fā)出一個觸發(fā)信號觸發(fā)波長可調(diào)諧激光器2，然后波長可調(diào)諧激光器2輸出某一設(shè)定波長的激光束，該激光束依次通過第二光纖耦合器6耦合進入傳能光纖27，光纖準(zhǔn)直鏡9準(zhǔn)直，擴束鏡10擴束，然后經(jīng)寬帶介質(zhì)膜反射鏡12反射后通過聚焦物鏡14聚焦到已經(jīng)產(chǎn)生的等離子體上產(chǎn)生共振激發(fā)。
[0051]4.共振激發(fā)后等離子體發(fā)出的特征光譜信號通過聚焦物鏡14后變?yōu)槠叫泄馐?，?jīng)寬帶介質(zhì)膜反射鏡12反射后由反向進入擴束鏡10，經(jīng)過擴束鏡10將光束直徑壓縮后進入光纖準(zhǔn)直鏡9,然后稱合進光纖25傳輸?shù)焦鈻殴庾V儀17。
[0052]5.光柵光譜儀17對接收到的特征光譜信號進行分解，將分解后的光譜信號傳送到增強型CCD20，增強型CCD20以設(shè)定好的門寬和延時對光譜信號進行采集，并把采集到的光譜信號進行放大并轉(zhuǎn)化為電信號通過數(shù)據(jù)線傳輸?shù)接嬎銠C16。
[0053]6.計算機16通過自帶的光譜分析軟件對采集到的光譜信號進行定性和定量分析，并顯示在計算機16的屏幕上。
[0054]7.通過上述步驟就完成對樣品表面選定微區(qū)的高精度定性和定量分析，控制位移平臺15的移動可以將樣品32表面的不同區(qū)域移動到聚焦物鏡14的焦點處，實現(xiàn)對樣品32表面不同區(qū)域的成分分析。
[0055]本發(fā)明還可以采用圖2所示的實施方式，其與圖1所示的結(jié)構(gòu)主要區(qū)別在于光纖25的空間位置不同，另外為保護光纖不受污染，在光纖的采集光譜的一端安裝了光纖接頭34。具體為將光纖25安裝光纖接頭34的一端移動到樣品表面上方的某一位置，實現(xiàn)對等離子體發(fā)射的特征譜線的旁軸采集。
[0056]另外為了簡化結(jié)構(gòu)，我們還可以采用圖3所示的結(jié)構(gòu)，其與圖1和圖2的主要區(qū)別在于圖3采用了全光纖化的光路系統(tǒng)，去掉了圖1和圖2所示結(jié)構(gòu)中的寬帶介質(zhì)膜反射鏡12，直接通過光纖波導(dǎo)將Nd =YAG激光器1、波長可調(diào)諧激光器2和LED光源3發(fā)射的光束轉(zhuǎn)折后垂直地傳送到樣品32的表面，光纖束36的一端與準(zhǔn)直鏡9連接，另一端與第四光纖率禹合器35相連,第四光纖f禹合器35的出光口位于CCD監(jiān)控相機11的視場內(nèi)，這樣就可以通過光纖束36將樣品32表面的反射光通過光纖稱合的方式傳輸?shù)紺CD監(jiān)控相機11,實現(xiàn)對樣品32表面的同軸監(jiān)測。
[0057]總之，本發(fā)明可以對物質(zhì)微區(qū)成分進行高精度檢測和分析。首先，由于使用光纖波導(dǎo)耦合實現(xiàn)兩束激光的同軸傳輸，降低了光路系統(tǒng)的復(fù)雜性，使設(shè)備的光路部分與其他模塊分離，實現(xiàn)系統(tǒng)的柔性化設(shè)計，減小了設(shè)備的體積，增加了設(shè)備的可移動性；其次，使用光纖實現(xiàn)激光脈沖的傳輸增加了光路系統(tǒng)的靈活度，降低了外界噪聲和干擾對光束質(zhì)量的影響，提高了光束質(zhì)量；最后，光路系統(tǒng)具有寬工作帶寬，通用性強，減少了更換光路中相應(yīng)元件和重新對光路進行對準(zhǔn)的時間，增強了設(shè)備的穩(wěn)定性和光路的可重復(fù)性，降低了后期使用過程中設(shè)備的維護成本。
[0058]以上所述為本發(fā)明的較佳實施例而已，但本發(fā)明不應(yīng)該局限于該實施例和附圖所公開的內(nèi)容。所以凡是不脫離本發(fā)明所公開的精神下完成的等效或修改，都落入本發(fā)明保護的范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種基于光纖波導(dǎo)的微區(qū)激光探針成分分析儀，其特征在于，它包括Nd:YAG激光器(I)、波長可調(diào)諧激光器(2)、CCD監(jiān)控相機(11)、計算機(16)、光柵光譜儀(17)、聚焦物鏡(14)、位移平臺(15)、數(shù)字延時脈沖發(fā)生器(18)和增強型CCD(20)； 所述Nd:YAG激光器(I)和波長可調(diào)諧激光器(2)安裝在光學(xué)平臺(4)上，聚焦物鏡(14)安裝在物鏡轉(zhuǎn)換器(13)上，并位于位移平臺(15)的上方； 所述Nd:YAG激光器(I)、波長可調(diào)諧激光器(2)和增強型CCD (20)分別與數(shù)字延時脈沖發(fā)生器(18)通訊連接； 所述CCD監(jiān)控相機(11)用于采集待分析樣品表面的反射光以實現(xiàn)對待分析樣品表面的同軸監(jiān)測；增強型(XD(20)與光柵光譜儀(17)電信號連接； 所述計算機(16)分別與CCD監(jiān)控相機(11)、位移平臺(15)和增強型CCD(20)電信號連接； 其特征在于，所述聚焦物鏡(14)為工作波段為200nm-lIOOnm的反射式聚焦物鏡； Nd:YAG激光器(I)和波長可調(diào)諧激光器(2)均能夠使用工作波段為200nm-1100nm的光纖進行激光脈沖的傳輸，并經(jīng)光纖準(zhǔn)直鏡(9)準(zhǔn)直，擴束鏡(10)擴束后進入所述聚焦物鏡(14)，由Nd:YAG激光器⑴發(fā)射的激光脈沖用于對待分析樣品(32)表面微區(qū)進行燒蝕產(chǎn)生等離子體，由所述波長可調(diào)諧激光器(2)發(fā)射的激光脈沖用于在所述等離子體上產(chǎn)生共振激發(fā)； 光纖(25)的一端稱之`為采集端、用于采集所述等離子體發(fā)射的光譜信號，另一端與光柵光譜儀(17)的光纖接口相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光纖波導(dǎo)的微區(qū)激光探針成分分析儀，其特征在于，該分析儀還包括工作波段為200nm-1100nm的寬帶介質(zhì)膜反射鏡(12)，所述光纖準(zhǔn)直器(9)、擴束鏡(10)和寬帶介質(zhì)膜反射鏡(12)依次位于第一水平光路上，CCD監(jiān)控相機(11)、寬帶介質(zhì)膜反射鏡(12)和聚焦物鏡(13)依次位于一豎直光路上，寬帶介質(zhì)膜反射鏡(12)的反射面與水平光路的夾角為45度； Nd:YAG激光器(I)的出光口與第一光纖耦合器(5)位于第二水平光路；波長可調(diào)諧激光器(2)的出光口與第二光纖I禹合器(6)位于第三水平光路；第一光纖I禹合器(5)、第二光纖耦合器(6)的出射光束均通過傳能光纖耦合進入光纖準(zhǔn)直器(9)； 所述光纖(25)的采集端和光纖準(zhǔn)直器(9)與光纖耦合器(6)相連接的一端相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光纖波導(dǎo)的微區(qū)激光探針成分分析儀，其特征在于，該分析儀還包括寬帶介質(zhì)膜反射鏡(12)，所述光纖準(zhǔn)直器(9)、擴束鏡(10)和寬帶介質(zhì)膜反射鏡(12)依次位于第一水平光路上，CCD監(jiān)控相機(11)、寬帶介質(zhì)膜反射鏡(12)和聚焦物鏡(13)依次位于一豎直光路上，寬帶介質(zhì)膜反射鏡(12)的反射面與水平光路的夾角為45度； Nd:YAG激光器(I)的出光口與第一光纖耦合器(5)位于第二水平光路；波長可調(diào)諧激光器(2)的出光口與第二光纖I禹合器(6)位于第三水平光路；第一光纖I禹合器(5)、第二光纖耦合器(6)的出射光束均通過傳能光纖耦合進入光纖準(zhǔn)直器(9)； 所述光纖(25)的采集端連接有用于采集所述等離子體發(fā)出的特征光譜信號的光纖接頭(34)ο
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光纖波導(dǎo)的微區(qū)激光探針成分分析儀，其特征在于，該分析儀還包括第四光纖耦合器(35);第四光纖耦合器(35)的入光口通過工作波段為200nm-lIOOnm的光纖與光纖準(zhǔn)直器(9)相連，第四光纖耦合器(35)的出光口位于C⑶監(jiān)控相機(11)的視場內(nèi)；Nd:YAG激光器(I)的出光口與第一光纖耦合器(5)位于第二水平光路，光纖耦合器(5)的入光端面與第二水平光路垂直；波長可調(diào)諧激光器(2)的出光口與第二光纖耦合器(6)位于第三水平光路；第一光纖I禹合器(5)、第二光纖f禹合器(6)的出射光束均通過光纖耦合進入光纖準(zhǔn)直器(9)；所述光纖(25)的一端和光纖準(zhǔn)直器(9)與第二光纖I禹合器(6)連接的一端相連。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一所述的基于光纖波導(dǎo)的微區(qū)激光探針成分分析儀，其特征在于，該激光探針成分分析儀還包括同軸照明子系統(tǒng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5任一所述的基于光纖波導(dǎo)的微區(qū)激光探針成分分析儀，其特征在于，所述同軸照明子光路包括LED光源(3)和第三光纖耦合器(7)； LED光源(3)的出光口與第三光纖耦合器(7)位于第四水平光路，第三光纖耦合器(7)的出射光束通過光纖耦合進入光纖準(zhǔn)直器(9)。
7.根據(jù)權(quán)利要求2至6中任一所述的基于光纖波導(dǎo)的微區(qū)激光探針成分分析儀，其特征在于，各光纖稱合器的入光 端面均與水平光路垂直。
【文檔編號】G01N21/63GK103512868SQ201310409409
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2013年9月10日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月10日
【發(fā)明者】李祥友, 王旭朝, 鄭重, 沈萌, 郭連波, 曾曉雁 申請人:華中科技大學(xué)