激光共焦誘導(dǎo)擊穿-拉曼光譜成像探測方法與裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于光譜測量及成像技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種激光共焦誘導(dǎo)擊穿-拉曼光譜成 像探測方法及裝置，將共焦成像技術(shù)與光譜探測技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)成一種"圖譜合一"的高分 辨光譜成像與探測方法及裝置，可用于樣品的微區(qū)形態(tài)組分多光譜綜合測試與高分辨成 像。 技術(shù)背景
[0002] 激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)（LaserInducedBreakdownSpectroscopy，簡稱LIBS)， 是一種物質(zhì)組分原位探測技術(shù)，其利用高功率密度的激光激發(fā)樣品表面，產(chǎn)生激光誘導(dǎo)等 離子體，通過探測激光誘導(dǎo)等離子體中的原子和離子譜線，來確定樣品的組分組成，其突出 優(yōu)勢是可探測原子與小分子元素組成。
[0003] 自1962年誕生以來，激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)廣泛應(yīng)用于微納制造、礦產(chǎn)分析、環(huán) 境監(jiān)測、生物醫(yī)療等多個領(lǐng)域，并且在2011年美國發(fā)射的"好奇號"火星車搭載的"化學(xué)與 攝像機儀器系統(tǒng)（ChemCam) "被用于對火星地表巖石樣品進行遠(yuǎn)程探測，展現(xiàn)出其在空間物 質(zhì)組分探測方面的強大能力，因此繼"好奇號"火星車ChemCam系統(tǒng)之后又一次被選為金星 探測用儀器，被世界多個國家航天結(jié)構(gòu)廣泛研究采用。
[0004] 但現(xiàn)有的激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)存在以下突出問題：
[0005] 1)由于利用平行激光束來照射激發(fā)樣品產(chǎn)生等離子體，因而其仍存在激光激發(fā)光 斑大、光譜探測空間分辨力不高等問題；
[0006] 2)無法對分子中的化學(xué)鍵、分子結(jié)構(gòu)等參數(shù)進行探測，其結(jié)果制約了樣品物質(zhì)組 分信息的準(zhǔn)確完整獲??；
[0007] 3)獲得的樣品組分信息無法與樣品的形態(tài)信息進行結(jié)合，無法實現(xiàn)樣品形態(tài)-組 分綜合信息的原位高分辨獲取。
[0008] 而礦產(chǎn)、空間物質(zhì)以及生化樣品的"微區(qū)"完整組分信息的準(zhǔn)確獲取對于科學(xué)研究 和生產(chǎn)檢測都具有極其重要的意義。事實上，如何高靈敏地探測微區(qū)成分信息是目前礦產(chǎn) 分析、空間探測和環(huán)境檢測等領(lǐng)域亟待研究的共性技術(shù)問題。
[0009] 激光誘導(dǎo)擊穿光譜的強脈沖激光聚焦到樣品表面會使樣品離子化，可激發(fā)樣品產(chǎn) 生等離子體，通過探測等離子體能量衰退輻射出的光譜可獲取樣品的原子及小分子元素組 成信息，但是無法獲得樣品分子的化學(xué)鍵和分子結(jié)構(gòu)信息，如何完整的獲取樣品分子的元 素組成及分子結(jié)構(gòu)信息，對于高精度分析樣品的組分具有重要意義。
[0010] 利用激光拉曼光譜技術(shù)可測量樣品的分子激發(fā)光譜，獲得樣品中的化學(xué)鍵和分子 結(jié)構(gòu)信息。將激光拉曼光譜技術(shù)與激光誘導(dǎo)擊穿光譜（LIBS)技術(shù)相結(jié)合，可以來彌補激光 誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)中無法獲得分子結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵信息的不足。
[0011] 激光共焦顯微鏡"點照明"和"點探測"的成像探測機制，不僅使其橫向分辨力較 同等參數(shù)的光學(xué)顯微鏡改善1. 4倍，而且還使共焦顯微鏡極便于與超分辨光瞳濾波技術(shù)、 徑向偏振光緊聚焦技術(shù)等結(jié)合來壓縮聚焦光斑，進一步實現(xiàn)高空間分辨顯微成像。
[0012] 基于此，本發(fā)明提出一種高空間分辨激光共焦誘導(dǎo)擊穿光譜-拉曼光譜顯微成像 方法與裝置，其創(chuàng)新在于：首次將具有高空間分辨能力的激光共焦顯微技術(shù)與激光誘導(dǎo)擊 穿光譜（LIBS)技術(shù)和激光拉曼光譜探測技術(shù)相融合，可實現(xiàn)被測樣品微區(qū)高空間分辨和 高靈敏形態(tài)與組分的成像與探測。
[0013] 本發(fā)明提出的一種高空間分辨激光共焦誘導(dǎo)擊穿光譜-拉曼光譜顯微成像方法 與裝置可為物質(zhì)組分高分辨成像探測提供一個全新的有效技術(shù)途徑。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014] 本發(fā)明的目的是為了實現(xiàn)物質(zhì)組分與形態(tài)信息的"圖譜合一"的高分辨光譜成像， 提出一種激光共焦誘導(dǎo)擊穿光譜-拉曼光譜成像探測方法及裝置，以期同時獲得被測樣品 的微區(qū)形態(tài)組分多光譜綜合測試與高分辨成像。
[0015] 本發(fā)明的目的是通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)的。
[0016] 本發(fā)明的激光共焦誘導(dǎo)擊穿-拉曼光譜成像探測方法，利用激發(fā)光照射到樣品表 面激發(fā)出瑞利光和載有樣品組分信息的激光誘導(dǎo)擊穿光譜和拉曼光譜，瑞利光、激光誘導(dǎo) 擊穿光譜和拉曼光譜被系統(tǒng)收集后經(jīng)過分光一部分進入激光誘導(dǎo)擊穿光譜探測系統(tǒng)獲得 樣品的元素組成信息，另一部分中的拉曼散射光透過二向色分光系統(tǒng)進入拉曼光譜探測系 統(tǒng)獲得樣品的化學(xué)鍵和分子結(jié)構(gòu)信息，瑞利光和激光誘導(dǎo)擊穿光譜經(jīng)過二向色分光系統(tǒng)反 射進入共焦探測系統(tǒng)進行光強探測獲得樣品表面高度和形貌信息，并利用共焦曲線最大值 M精確定位焦點0位置保證激發(fā)光斑最小從而提高光譜探測的空間分辨力。激光誘導(dǎo)擊穿 光譜探測、拉曼光譜探測和激光共焦形貌信息探測三者結(jié)合可實現(xiàn)結(jié)構(gòu)共用和功能互補， 實現(xiàn)高空間分辨的光譜成像與探測，該方法的具體實現(xiàn)步驟如下：
[0017] 1)通過激發(fā)光束產(chǎn)生系統(tǒng)產(chǎn)生激發(fā)光，經(jīng)過第一分光系統(tǒng)、光束掃描系統(tǒng)、物鏡 后，聚焦在被測樣品上，并激發(fā)出瑞利光、載有被測樣品光譜特性的拉曼光譜以及激光誘導(dǎo) 擊穿光譜；
[0018] 2)被測樣品激發(fā)出瑞利光、載有被測樣品光譜特性的拉曼光譜以及激光誘導(dǎo)擊穿 光譜被光路收集，經(jīng)過物鏡，光束掃描系統(tǒng)、并被第一分光系統(tǒng)反射至第二分光系統(tǒng)，第二 分光系統(tǒng)將光束分為反射和透射兩路；
[0019] 3)透射光束進入激光誘導(dǎo)擊穿光譜探測系統(tǒng)，利用激光誘導(dǎo)擊穿光譜探測系統(tǒng)測 得載有被測樣品元素信息的激光誘導(dǎo)擊穿光譜信號I( \)，實現(xiàn)激光誘導(dǎo)擊穿光譜測試， 其中\(zhòng)為激光誘導(dǎo)擊穿光譜波長；
[0020] 4)反射光束經(jīng)過二向色分光系統(tǒng)分光，反射光束中拉曼光譜透過二向色分光系統(tǒng) 進入拉曼光譜探測系統(tǒng)，利用拉曼光譜探測系統(tǒng)測得載有被測樣品化學(xué)鍵和分子結(jié)構(gòu)信息 的拉曼光譜信號I(AR)，實現(xiàn)激光拉曼光譜測試，其中A激光拉曼光譜波長；反射光束 中其余成分被二向色分光系統(tǒng)反射進入共焦探測系統(tǒng)，利用共焦探測系統(tǒng)測得載有被測樣 品表面高度信息的共焦光強信息I(v，u)，實現(xiàn)樣品表面高度的定位測量，其中，v為橫向 歸一化光學(xué)坐標(biāo)，u為軸向歸一化光學(xué)坐標(biāo)；
[0021 ] 5)將I(v，u)、I(AJ和I(AR)送到數(shù)據(jù)處理模塊進行處理，從而獲得包含被測樣 品位置信息I(v，u)和光譜信息I(AJ、I(AR)的三維形貌和組分信息I(v，u，AR);
[0022] 6)光束掃描系統(tǒng)驅(qū)動光束對被測樣品進行掃描，獲得被測樣品表面一組i個包含 高度信息I(V，u)和光譜信息I(\)、I(AB)的序列測量信息仏dAB)，Ii(V，U)};利 用Mv，!!）可以重構(gòu)出被測樣品的表面三維形貌，利用AR)可以獲得被測樣品的表 面各個微區(qū)的物質(zhì)組分，兩者結(jié)合可實現(xiàn)被測樣品的"圖譜合一"的形態(tài)組分的成像測量。
[0023] 本發(fā)明中，共焦曲線最大值M處對應(yīng)物鏡焦點0,此處聚焦光斑尺寸最小，探測的 區(qū)域最小，共焦曲線其他位置對應(yīng)物鏡的離焦區(qū)域，在焦前或焦后BB'區(qū)域內(nèi)的聚焦光斑 尺寸隨離焦量增大而增大，利用此特點，通過調(diào)整樣品的z向離焦量，并根據(jù)實際測量精度 需求來控制聚焦光斑的尺寸，控制對樣品探測區(qū)域大小。
[0024] 本發(fā)明中，激發(fā)光束包括偏振光束、線偏光、圓偏光或徑向偏振光；還可以是由光 瞳濾波技術(shù)生成的結(jié)構(gòu)光束，其與偏振調(diào)制技術(shù)聯(lián)用可以壓縮測量聚焦光斑尺寸，提高系 統(tǒng)橫向分辨力。
[0025] 本發(fā)明提供一種激光共焦誘導(dǎo)擊穿-拉曼光譜成像探測裝置，包括激發(fā)光束產(chǎn)生 系統(tǒng)、第一分光系統(tǒng)、光束掃描系統(tǒng)、物鏡、第二分光系統(tǒng)、激光誘導(dǎo)擊穿光譜探測系統(tǒng)、二 向色分光系統(tǒng)、拉曼光譜探測系統(tǒng)、共焦探測系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處理模塊；其中，第一分光系統(tǒng)、光 束掃描系統(tǒng)、物鏡沿光路依次放置在激發(fā)光束產(chǎn)生系統(tǒng)的出射方向，第二分光系統(tǒng)位于第 一分光系統(tǒng)的反射方向，激光誘導(dǎo)擊穿光譜探測系統(tǒng)位于第二分光系統(tǒng)的透射方向，二向 色分光系統(tǒng)位于第二分光系統(tǒng)的反射方向，拉曼光譜探測系統(tǒng)位于二向色分光系統(tǒng)的透射 方向，共焦探測系統(tǒng)位于二向色分光系統(tǒng)的反射方向，數(shù)據(jù)處理模塊與激光誘導(dǎo)擊穿光譜 探測系統(tǒng)、拉曼光譜探測系統(tǒng)和共焦探測系統(tǒng)連接，用于融合并處理激光誘導(dǎo)擊穿光譜探 測系統(tǒng)、拉曼光譜探測系統(tǒng)和共焦探測系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)。
[0026] 本發(fā)明裝置中，光譜探測系統(tǒng)可以是普通激光誘導(dǎo)擊穿光譜探測系統(tǒng)、拉曼光譜 探測系統(tǒng)，包括沿光路依次放置的第三聚光鏡、位于第