激光雙軸共焦誘導擊穿-拉曼光譜成像探測方法與裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于光譜測量及成像技術領域，涉及一種激光雙軸共焦誘導擊穿-拉曼光譜成像探測方法及裝置，將激光共焦成像技術與光譜探測技術相結合，構成一種“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。
技術背景
[0002]激光誘導擊穿光譜技術(LaserInduced Breakdown Spectroscopy，簡稱 LIBS)，是一種物質組分原位探測技術，其利用高功率密度的激光激發(fā)樣品表面，產生激光誘導等離子體，通過探測激光誘導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，激光誘導擊穿光譜技術廣泛應用于微納制造、礦產分析、環(huán)境監(jiān)測、生物醫(yī)療等多個領域，并且在2011年美國發(fā)射的“好奇號”火星車搭載的“化學與攝像機儀器系統(tǒng)(ChemCam) ”被用于對火星地表巖石樣品進行遠程探測，展現(xiàn)出其在空間物質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構廣泛研宄采用。
[0004]但現(xiàn)有的激光誘導擊穿光譜技術存在以下突出問題:
[0005]I)由于利用平行激光束來照射激發(fā)樣品產生等離子體，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鍵、分子結構等參數(shù)進行探測，其結果制約了樣品物質組分信息的準確完整獲?。?br>[0007]3)無法有效抑制背向散射光干擾，制約了系統(tǒng)信噪比的提升，并進而限制了光譜探測分辨力的改善；
[0008]3)獲得的樣品組分信息無法與樣品的形態(tài)信息進行結合，無法實現(xiàn)樣品形態(tài)-組分綜合信息的原位高分辨獲取。
[0009]而礦產、空間物質以及生化樣品的“微區(qū)”完整組分信息的準確獲取對于科學研宄和生產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分析、空間探測和環(huán)境檢測等領域亟待研宄的共性技術問題。
[0010]激光誘導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鍵和分子結構信息，如何完整的獲取樣品分子的元素組成及分子結構信息，對于高精度分析樣品的組分具有重要意義。
[0011]利用激光拉曼光譜技術可測量樣品的分子激發(fā)光譜，獲得樣品中的化學鍵和分子結構信息。將激光拉曼光譜技術與激光誘導擊穿光譜(LIBS)技術相結合，可以來彌補激光誘導擊穿光譜技術中無法獲得分子結構和化學鍵信息的不足。
[0012]激光雙軸共焦技術利用照明與探測光路非共路結構進行探測，不僅顯著提高了光路的軸向分辨力和定焦精度，實現(xiàn)樣品形貌的高分辨成像探測，而且可以有效抑制背向散射干擾，提高光譜探測信噪比。
[0013]基于此，本發(fā)明提出一種激光雙軸共焦誘導擊穿光譜-拉曼光譜顯微成像方法與裝置，其創(chuàng)新在于:首次將具有激光雙軸共焦探測光路與激光誘導擊穿光譜(LIBS)技術和激光拉曼光譜探測技術相融合，可實現(xiàn)被測樣品微區(qū)高分辨和高靈敏形貌和組分的成像與探測。
[0014]本發(fā)明提出的一種激光雙軸共焦誘導擊穿光譜-拉曼光譜顯微成像方法與裝置可為物質組分高分辨成像探測提供一個全新的有效技術途徑。
【發(fā)明內容】
[0015]本發(fā)明的目的是為了實現(xiàn)物質組分與形態(tài)信息的“圖譜合一”的高分辨光譜成像，提出一種激光雙軸共焦誘導擊穿-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。
[0016]本發(fā)明的目的是通過下述技術方案實現(xiàn)的。
[0017]本發(fā)明的雙軸共焦激光誘導擊穿-拉曼光譜成像探測方法，光路照明光軸與探測光軸成夾角分布，激發(fā)光照射沿照明光路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擊穿光譜和拉曼光譜，瑞利光、激光誘導擊穿光譜和拉曼光譜被與照明光路成夾角的探測光路接收，經過分光一部分進入激光誘導擊穿光譜探測系統(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)獲得樣品的化學鍵和分子結構信息，瑞利光和激光誘導擊穿光譜經過二向色分光系統(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。激光誘導擊穿光譜探測、拉曼光譜探測和激光雙軸共焦形貌信息探測三者結合可實現(xiàn)結構共用和功能互補，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:
[0018]I)照明物鏡與采集物鏡對稱分布在測量面法線兩側，并且照明光軸與測量面法線的夾角為Q1，采集光軸與測量面法線的夾角為θ2，以測量面法線方向為測量軸線，建立系統(tǒng)坐標系(x，y，z)，其中θ1= θ 2；
[0019]2)激發(fā)光經由照明物鏡聚焦到被測樣品上，激發(fā)出瑞利光和載有被測樣品光譜特性的拉曼光譜和激光誘導擊穿光譜，被激發(fā)出的瑞利光及載有被測樣品物質組分信息的拉曼光譜和激光誘導擊穿光譜被反射進入采集物鏡，并被采集物鏡會聚到分光系統(tǒng)，光束經分光系統(tǒng)分光后分為透射和反射兩束，透射光路進入激光誘導擊穿光譜探測系統(tǒng)獲得激光誘導擊穿光譜信號Ι(λ J ;反射光束經過二向色分光系統(tǒng)分光，反射光中的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)獲得拉曼光譜信號I ( λκ)，反射光束中的瑞利光和激光誘導擊穿光譜被二向色分光系統(tǒng)反射進入共焦探測系統(tǒng)；
[0020]3)對進入共焦探測系統(tǒng)的光信號進行光強探測，測量光束經過測量透鏡會聚到點探測器上，點探測器探測會聚光斑中心區(qū)域附近光強信號，結合被測樣品3的軸向移動距離得到共焦曲線，獲得共焦信號I U，y, ζ,)，利用共焦曲線峰值點與焦點位置對應的特性，通過峰值點位置來定位激發(fā)光束焦點O位置，實現(xiàn)被測樣品的焦點定位；
[0021]4)根據共焦信號I (X，y, ζ,)控制激光光束準確定焦到被測樣品上，重新獲取被測樣品的光譜信號IUJ和Ι(λκ);
[0022]5)利用數(shù)據處理系統(tǒng)將獲得的共焦信號I(x，y，z)、光譜信號和Ι(λΕ)進行數(shù)據融合處理，以獲得樣品的形貌信息和物質組分信息的四維測量信息I (X，y, z, Xl, λ k)；
[0023]6)完成上述步驟后，控制光束對被測樣品進行掃描探測，對被測樣品表面下一個點重復步驟2)、3)、4)、5)直至掃描完成；
[0024]7)單獨處理共焦信號I(x，y，z)時，獲得被測樣品的高空間分辨的三維形貌信息；單獨處理拉曼光譜信號Ι(λκ)時，獲得被測樣品的化學鍵和分子結構信息；單獨處理激光誘導擊穿光譜信號ι(λ J時，獲得被測樣品的元素組成信息；同時處理共焦信號1(17，2)、光譜信號1(人^和Ι(λκ)時，獲得被測樣品的高空間分辨形貌及微區(qū)物質組分“圖譜合一”的成像探測。
[0025]本發(fā)明中共焦探測系統(tǒng)中的點探測器還可以是圖像采集系統(tǒng)，數(shù)據處理系統(tǒng)從圖像采集系統(tǒng)上獲取焦斑圖案后，計算出此時焦斑圖案的中心位置，并取焦斑圖案中心附近區(qū)域進行光強探測，構成共焦虛擬針孔，當被測樣品進行軸向掃描移動時，數(shù)據處理系統(tǒng)計算出共焦虛擬針孔范圍內像素灰度總和，得到共焦軸向強度響應。
[0026]本發(fā)明中為壓縮測量聚焦光斑尺寸并提高系統(tǒng)橫向分辨力，所述激發(fā)光束是偏振光束，包括線偏光、圓偏光、徑向偏振光；或是由光瞳濾波技術生成的結構光束。
[0027]本發(fā)明中系統(tǒng)還可以探測熒光、康普頓散射光等散射光譜。
[0028]本發(fā)明提供一種雙軸共焦激光誘導擊穿-拉曼光譜成像探測裝置，包括光源，照明物鏡和采集物鏡，其特征在于:還包括準直擴束鏡，光束掃描裝置，分光系統(tǒng)，二向色分光系統(tǒng)、共焦探測裝置、拉曼光譜探測系統(tǒng)和激光誘導擊穿光譜探測系統(tǒng)；其中，照明物鏡和采集物鏡對稱地布局在測量面法線兩側，照明光軸與測量面法線的夾角為Θ i，采集光軸與測量面法線的夾角為θ2，其中θ1= Θ 2，準直擴束鏡、光束掃描裝置和照明物鏡依次放在光源的出射光線方向，采集物鏡和分光系統(tǒng)依次放在被測樣品的反射光線方向，激光誘導擊穿光譜探測系統(tǒng)放在二向色分光裝置透射方向，二向色分光系統(tǒng)和拉曼光譜探測系統(tǒng)放置在分光系統(tǒng)的反射方向，共焦探測裝置放置在向色分光系統(tǒng)的反射方向。
[0029]本發(fā)明裝置中為提高系統(tǒng)橫向分辨力，系統(tǒng)還可在準直擴束鏡和照明物鏡之間加入照明端光瞳濾波器，或者在二向色性分光系統(tǒng)和測量透鏡之間加入采集端光瞳濾波器，或者在準直擴束鏡和照明物鏡之間以及二向色分光系統(tǒng)和測量透鏡之間同時加入照明端光瞳濾波器和米集端光瞳濾波器。
[0030]本發(fā)明裝置中為提高系統(tǒng)橫向分辨力，還可在準直擴束鏡和光束掃描裝置之間加入偏振調制裝置，或者在照明物鏡和照明端光瞳濾波器之間加入偏振調制裝置。
[0031]本發(fā)明裝置中共焦探測裝置的探測裝置可以點探測器或者是CCD探測器。
[0032]本發(fā)明裝置中還包括最后進行數(shù)據融合處理的數(shù)據處理系統(tǒng)。
[0033]本發(fā)明裝置中拉曼光譜探測裝置可以是