專利名稱:Libs光譜探測(cè)及顯微成像的多功能系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本專利涉及一種LIBS光譜探測(cè)及顯微成像的多功能系統(tǒng)，其主要特征在于：將一片施密特校正板插入主鏡與被測(cè)物體的光路中，施密特校正板的一面設(shè)計(jì)成高次非球面，施密特校正板最主要的作用是校正主次鏡產(chǎn)生的球差，其不僅使得激光聚焦光斑直徑變得更小，還可以使得該LIBS系統(tǒng)具有光譜探測(cè)和顯微成像的雙重功能。
【專利說(shuō)明】
LIBS光譜探測(cè)及顯微成像的多功能系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本專利涉及光學(xué)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，尤其是一種LIBS光譜探測(cè)及顯微成像的多功能系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]LIBS技術(shù)(激光誘導(dǎo)擊穿光譜探測(cè)技術(shù))是一種利用高功率激光器發(fā)出高能量的激光，經(jīng)過(guò)激光聚焦系統(tǒng)聚焦到遠(yuǎn)距離的物體表面，物體在受到高能量的激光照射時(shí)，會(huì)輻射出等離子體光譜，通過(guò)分析等離子體光譜中的特征譜線來(lái)探測(cè)物質(zhì)的元素組成及含量。由于該技術(shù)無(wú)需樣品制備、可同時(shí)測(cè)量多種元素、以及非接觸式快速測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，非常適合于實(shí)時(shí)在線分析，現(xiàn)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，其廣闊的前景和巨大的潛在市場(chǎng)是世界各國(guó)研究的熱點(diǎn)。
[0003]目前LIBS技術(shù)存在兩個(gè)非常重要的問(wèn)題:第一，由于激光聚焦系統(tǒng)的聚焦能力有限，僅可以將激光光斑聚焦到Imm范圍之內(nèi)，激光器的功率仍然較高，激光器散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)依然非常復(fù)雜;第二，目前的LIBS技術(shù)僅僅通過(guò)光譜探測(cè)的方法來(lái)檢測(cè)物質(zhì)元素的組成和含量，不能夠?qū)ξ镔|(zhì)表面的幾何形態(tài)進(jìn)行顯微成像，缺乏對(duì)物體的視覺(jué)成像識(shí)別功能。
[0004]在現(xiàn)有的LIBS技術(shù)中，如圖1所示，其裝置主要包括:激光發(fā)生裝置I，激光初級(jí)擴(kuò)束系統(tǒng)2，反射鏡3，一■向色鏡4，望遠(yuǎn)鏡接收系統(tǒng)(由主鏡5和副鏡6組成)，光纖親合系統(tǒng)8，光纖9。激光發(fā)生裝置I以脈沖方式工作，產(chǎn)生一束高能量的激光，激光波長(zhǎng)為1064nm，經(jīng)初級(jí)擴(kuò)束系統(tǒng)2放大后，通過(guò)反射鏡3和二向色鏡4進(jìn)入望遠(yuǎn)鏡接收系統(tǒng)，之后被主鏡5反射聚焦到遠(yuǎn)程物體7的表面，物體7在受到激光照射后會(huì)產(chǎn)生等離子體光譜，等離子體光譜經(jīng)望遠(yuǎn)鏡接收系統(tǒng)由副鏡6反射到光纖耦合系統(tǒng)8，之后進(jìn)入光纖9，最后通過(guò)光譜儀對(duì)物質(zhì)元素組成及含量進(jìn)行光譜探測(cè)。由于在這種技術(shù)中，望遠(yuǎn)鏡接收系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生較大的像差，而后光路系統(tǒng)消像差能力有限，導(dǎo)致激光接收系統(tǒng)的MTF非常低，故該技術(shù)無(wú)法對(duì)遠(yuǎn)程物體表面幾何形態(tài)進(jìn)行成像;其次，由于望遠(yuǎn)鏡接收系統(tǒng)的像差較大，故激光聚焦光斑直徑縮小受到限制，目前僅能聚焦到光斑直徑為Imm范圍以內(nèi)，激光聚焦光斑無(wú)法進(jìn)一步縮小，這將會(huì)使得激光器功率依然較大，進(jìn)而導(dǎo)致激光器散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)仍然較為復(fù)雜。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，本專利提供了一種能使激光聚焦光斑聚集在直徑更小范圍以內(nèi)，既可以對(duì)遠(yuǎn)程物體的元素組成及含量進(jìn)行光譜探測(cè)，又可以對(duì)遠(yuǎn)程物體表面的幾何形態(tài)進(jìn)行顯微成像的多功能系統(tǒng)。
[0006]為解決現(xiàn)有技術(shù)問(wèn)題和實(shí)現(xiàn)上述功能，本專利采用以下技術(shù)方案:
[0007]激光器I發(fā)射出1064nm的激光，經(jīng)擴(kuò)束模塊2放大后，再由反射鏡3和偏置于主鏡5和次鏡6之間的第一分色片4進(jìn)入反射式顯微系統(tǒng)，之后經(jīng)像差校正板7聚焦到被測(cè)物體8上，被測(cè)物體8受到激光照射后產(chǎn)生等離子體光譜，等離子體光譜經(jīng)主鏡5、次鏡6及第一分色片4進(jìn)入耦合透鏡組9，通過(guò)耦合透鏡組9之后到達(dá)偏置于耦合透鏡組9之后的第二分色片10，第二分色片10將光束分成兩路，一路光進(jìn)入光譜探測(cè)模塊11進(jìn)行光譜探測(cè)，另一路光進(jìn)入成像探測(cè)器12進(jìn)行顯微成像。
[0008]所述像差校正板7被加入反射式顯微系統(tǒng)中，且放置于主鏡5與被測(cè)物體8之間的光路中，其可以大大減小反射式顯微系統(tǒng)產(chǎn)生的像差。
[0009]所述耦合透鏡組9放置于主鏡中心孔處，由兩片透鏡組成，兩片透鏡材料的阿貝數(shù)相差30以上，且兩種材料在240nm-1000nm波段的光譜透過(guò)率均在90%以上，不僅使得耦合到光譜探測(cè)模塊11中的光斑變得更小，而且提高了系統(tǒng)的MTF。
[0010]所述第一分色片偏置于主鏡5與次鏡6之間，使得整個(gè)系統(tǒng)更加緊湊，第一分色片鍍240nm-2400nm的增透膜。
[0011]所述第二分色片以45°角偏置于耦合透鏡組9之后的系統(tǒng)光軸上，其上鍍240-850nm增透膜，使得該波段的光進(jìn)入光譜探測(cè)模塊11中；鍍900_100nm增透膜，使得該波段的光進(jìn)入成像探測(cè)器12上。
[0012]本專利的上述技術(shù)方案相比現(xiàn)有技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0013](I)可以在不同距離下對(duì)激光進(jìn)行更好地聚焦，且聚焦光斑直徑小于0.5mm，這既保證了被測(cè)物體表面能產(chǎn)生高能量、高密度的等離子體，又同時(shí)降低了激光器的功率和激光器散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難度；
[0014](2)提高了系統(tǒng)的MTF，不僅可以對(duì)物體元素組成及含量進(jìn)行光譜探測(cè)，而且同時(shí)可以對(duì)物體表面的幾何形態(tài)進(jìn)行顯微成像，實(shí)現(xiàn)了 LIBS技術(shù)的光譜探測(cè)與顯微成像的雙重功能。
【附圖說(shuō)明】

[0015]圖1是現(xiàn)有LIBS遠(yuǎn)程探測(cè)的望遠(yuǎn)聚焦收集系統(tǒng)光學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016]圖2是本專利的LIBS光譜探測(cè)及顯微成像的多功能系統(tǒng)的光學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]其中，I為激光器，2為擴(kuò)束模塊，3為反射鏡，4第一為分色片，5為主鏡，6為次鏡，7為像差校正板，8為被測(cè)物體，9為耦合透鏡組，10為第二分色片，11為光譜探測(cè)模塊，12為成像探測(cè)器。
【具體實(shí)施方式】
[0018]本專利所述的LIBS光譜探測(cè)及顯微成像的多功能系統(tǒng)，如圖2所示，激光器I發(fā)射出1064nm的激光，經(jīng)擴(kuò)束模塊2放大后，再由反射鏡3和偏置于主鏡5和次鏡6之間的第一分色片4進(jìn)入反射式顯微系統(tǒng)，之后經(jīng)像差校正板7聚焦到被測(cè)物體8上，被測(cè)物體8受到激光照射后產(chǎn)生等離子體光譜，等離子體光譜經(jīng)主鏡5、次鏡6及第一分色片4進(jìn)入耦合透鏡組9，通過(guò)耦合透鏡組9之后到達(dá)偏置于耦合透鏡組9之后的第二分色片10，第二分色片10將光束分成兩路，一路光進(jìn)入光譜探測(cè)模塊11進(jìn)行光譜探測(cè)，另一路光進(jìn)入成像探測(cè)器12進(jìn)行顯微成像。
[0019]【具體實(shí)施方式】如下:
[0020]激光器I發(fā)射出波長(zhǎng)為1064nm的一束激光，激光光斑直徑為3mm，發(fā)散角為lmrad，激光脈沖重復(fù)頻率為I OHz ；
[0021]激光器I發(fā)射出的激光經(jīng)擴(kuò)束模塊2后被放大，角放大倍率為0.13，放大后的光斑直徑為25mm;
[0022]激光經(jīng)擴(kuò)束模塊2后被反射鏡3和第一分色片4反射到顯微系統(tǒng)的次鏡6上，之后再經(jīng)主鏡5和像差校正板7聚焦到被測(cè)物體8上；
[0023]被測(cè)物體8在受到激光照射后會(huì)產(chǎn)生等離子光譜，等離子體光譜經(jīng)反射式顯微系統(tǒng)后進(jìn)入耦合透鏡組9中；
[0024]通過(guò)耦合透鏡組9之后被第二分色片10分成兩路光，一路光的光譜范圍為240nm-850nm，其透過(guò)第二分色片10進(jìn)入光纖探測(cè)模塊11中，光纖芯徑為600um;另一路光的光譜范圍為900nm-1000nm，被第二分色片10反射到成像探測(cè)器12上，成像探測(cè)器的尺寸大小為1.92mm X 1.92mm0
[0025]根據(jù)光學(xué)軟件模擬可知，在5m處的激光聚焦光斑足印大小為0.25mm，使得該系統(tǒng)激光聚焦光斑直徑在0.5_范圍以內(nèi)。
[0026]對(duì)5m處的物體進(jìn)行光譜探測(cè)和顯微成像，240nm-850nm光譜經(jīng)耦合透鏡組9后在光斑半徑達(dá)到270um時(shí)，能量集中度達(dá)到90%以上，因此光纖探測(cè)模塊11中采用的光纖芯徑為600um;900nm-1000nm光譜經(jīng)耦合透鏡組9后在探測(cè)器12(探測(cè)器的空間截止頻率為161p/mm)上的MTF曲線可以達(dá)到0.8以上，使得該系統(tǒng)具有了光譜探測(cè)和顯微成像的雙重功能。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種LIBS光譜探測(cè)及顯微成像的多功能系統(tǒng)，包括:激光器(I)，擴(kuò)束模塊(2)，反射式顯微系統(tǒng)，像差校正板(7)，耦合透鏡組(9)，光纖探測(cè)模塊(11)，成像探測(cè)器(12)，其特征在于: 激光器(I)發(fā)射出1064nm的激光，經(jīng)擴(kuò)束模塊(2)擴(kuò)束后，由反射鏡(3)和偏置于主鏡(5)和次鏡(6)之間的第一分色片(4)進(jìn)入反射式顯微系統(tǒng)，之后經(jīng)像差校正板(7)聚焦到被測(cè)物體(8)上，被測(cè)物體(8)受到激光照射后產(chǎn)生等離子體光譜，等離子體光譜經(jīng)主鏡(5)、次鏡(6)及第一分色片(4)進(jìn)入耦合透鏡組(9)，通過(guò)耦合透鏡組(9)之后到達(dá)偏置于耦合透鏡組(9)之后的第二分色片(10)，第二分色片(10)將光束分成兩路，一路光進(jìn)入光譜探測(cè)模塊(11)進(jìn)行光譜探測(cè)，另一路光進(jìn)入成像探測(cè)器(12)進(jìn)行顯微成像。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的LIBS光譜探測(cè)及顯微成像的多功能系統(tǒng)，其特征在于:所述的反射式顯微系統(tǒng)由主鏡(5)、次鏡(6)及像差校正板(7)組成，像差校正板(7)放置于主鏡(5)與被測(cè)物體(8)之間的光路中，像差校正板(7)為施密特校正板，其中一個(gè)表面為高次非球面。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的LIBS光譜探測(cè)及顯微成像的多功能系統(tǒng)，其特征在于:所述的激光器(I)的激光波長(zhǎng)為1064nm，出射光斑直徑3mm，發(fā)散角為lmrad。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的LIBS光譜探測(cè)及顯微成像的多功能系統(tǒng)，其特征在于:所述的擴(kuò)束模塊(2)由兩片透鏡組成，角放大倍數(shù)為0.13。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的LIBS光譜探測(cè)及顯微成像的多功能系統(tǒng)，其特征在于:所述的耦合透鏡組(9)由兩片透鏡組成，兩片透鏡的阿貝數(shù)相差30以上，且兩種材料在240nm-1OOOnm波段的光譜透過(guò)率均在90%以上。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的LIBS光譜探測(cè)及顯微成像的多功能系統(tǒng)，其特征在于:所述的第一分色片(4)上鍍1064nm反射膜，240nm_l OOOnm增透膜。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的LIBS光譜探測(cè)及顯微成像的多功能系統(tǒng)，其特征在于:所述的第二分色片(10)上鍍900nm-1000nm反射膜，240nm-850nm增透膜。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的LIBS光譜探測(cè)及顯微成像的多功能系統(tǒng)，其特征在于:所述的光纖探測(cè)模塊(11)中米用的光纖芯徑為600um，且分成240nm-340nm、340nm-540nm、540nm-850nm三個(gè)波段分別進(jìn)行光譜探測(cè)。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的LIBS光譜探測(cè)及顯微成像的多功能系統(tǒng)，其特征在于:所述的成像探測(cè)器(12)的像素大小為64 X 64，像元尺寸大小為30um。
【文檔編號(hào)】G01N21/71GK205719985SQ201620319450
【公開(kāi)日】2016年11月23日
【申請(qǐng)日】2016年4月15日
【發(fā)明人】姜守望, 王欣, 萬(wàn)金龍, 何志平, 舒嶸, 王建宇
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所