CN103900895A - 用于激光等离子体质谱仪的激光剥蚀系统 - Google Patents

Abstract

一种用于激光等离子体质谱仪的激光剥蚀系统，包括脉冲激光器，特征在于其构成是：沿脉冲激光器的激光输出方向依次是第一分光镜、系统光路和第二分光镜，所述的第一分光镜和第二分光镜与光路成45°，在第一分光镜的反射光方向是能量监测系统，该能量监测系统的输出端接激光器控制系统的输入端，该激光器控制系统的输出端接所述的脉冲激光器的控制端，在第二分光镜的反射光输出方向是样品池，在第二分光镜另一面与所述的样品池相对的是观察系统。本发明能够精确控制入射于样品上的激光的剂量值，进而能够精确的控制剥蚀样品离子的数量，以此提高激光等离子体质谱仪的测量精度，本发明适用于各种波段的激光剥蚀系统。

Description

用于激光等离子体质谱仪的激光剥蚀系统

技术领域

本发明涉及激光等离子体质谱仪，特别是一种用于激光等离子体质谱仪的激光剥蚀系统。

背景技术

激光剥蚀技术是一项可以实现微米区域分析的原位微区采样技术，与等离子体质谱仪联合使用，可以进行样品的主微量元素和同位素的组成分析。激光剥蚀-等离子体质谱仪已成为地球化学、宇宙化学和环境研究领域元素和同位素原位分析最重要的技术之一。

目前激光剥蚀系统主要由激光器、系统光路、样品池、观察系统组成，激光剥蚀系统工作时通过激光器发出高功率激光束，经过系统光路，照射到样品池的待测材料上，使样品通过吸收激光能量被加热、蒸发或升华，剥蚀出的样品离子以He/Ar等气体为载气送入质谱仪进行元素分析。激光剥蚀系统提取的样品离子数量，直接影响了激光等离子体质谱仪的测量精度。

在现有技术中，“基于双脉冲散焦预烧蚀的激光诱导击穿光谱探测系统”（参见中国专利CN103323435A）中，公开了一种类似的激光剥蚀系统，在上述的传统激光剥蚀系统中通过分光镜，将系统光路分成两路，一路经过散焦光路，一路经过延时的聚焦光路，散焦光路对样品表面进行预烧蚀产生一定直径圆形的平整表面，然后延时聚焦光路的第二路激光脉冲打在预烧蚀的平整表面上。该方法可以减少烧蚀孔效应的影响，但是由于激光器本身固有的不稳定性，发出的单个激光脉冲能量不稳定，不能精确控制剥蚀样品离子的数量，因此也就无法提高质谱仪的测量精度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于激光等离子体质谱仪激光剥蚀系统，以提高激光等离子体质谱仪的测量精度，该激光剥蚀系统能够精确控制入射于样品上的激光的剂量值，进而能够精确的控制剥蚀样品离子的数量，以此提高激光等离子体质谱仪的测量精度，本发明适用于各种波段的激光剥蚀系统。

本发明的技术解决方案如下：

一种用于激光等离子体质谱仪的激光剥蚀系统，包括脉冲激光器，特点在于其构成是：沿脉冲激光器的激光输出方向依次是第一分光镜、系统光路和第二分光镜，所述的第一分光镜和第二分光镜与光路成45°，在第一分光镜的反射光方向是能量监测系统，该能量监测系统的输出端接激光器控制系统的输入端，该激光器控制系统的输出端接所述的脉冲激光器的控制端，在第二分光镜的反射光输出方向是样品池，在第二分光镜另一面与所述的样品池相对的是观察系统。

所述的第一分光镜的反射率为1%以下。

激光剥蚀系统的一次样品剥蚀周期需要多个激光脉冲累加才能够完成，若要提高样品离子的采样精度，则需要精确控制一次样品剥蚀周期的能量剂量。本发明所述的激光剥蚀系统，其特点在于在传统的激光烧蚀系统中加入的所述的能量监测系统，所述的能量监测系统通过所述的第一分光镜，对所述的脉冲激光器出射的光束进行采样，通过测量入射到所述的能量监测系统的能量，判断所述脉冲激光器发出的第一个脉冲的能量值与要求值的差值，并给所述的激光器控制系统发出一个反馈信号，通过所述的激光器控制系统的计算，并向所述的脉冲激光器发出第二个激光脉冲的能量控制信号，控制所述的脉冲激光器第二个脉冲的能量值，当所述的脉冲激光器发出第二个脉冲时，所述的能量监测系统测量出第二个脉冲的能量信号，并反馈给所述的激光器控制系统，然后计算出第二个脉冲的能量值与要求值的差值，并向所述的脉冲激光器发出第三个激光脉冲的能量控制信号，以此类推，通过测量每个激光脉冲的能量，并反馈、控制下一个激光脉冲的能量，以此来精确控制一个样品剥蚀周期的总曝光剂量，进而能够精确的控制剥蚀样品离子的数量，提高激光等离子体质谱仪的精度。

由于所述的系统光路中的光束是通过第二分光镜反射进入样品池的，所述的观察系统透过所述的第二分光镜观察所述的样品池中样品的剥蚀情况，所述的观察系统，一般由光学成像系统和图像传感器组成，光学成像系统将所述的样品池中样品剥蚀情况成像到图像传感器上，实现对样品剥蚀情况的观察。

所述的脉冲激光器，可以通过调节激光器工作电压、或可变透过率板等方式对激光器脉冲能量输出进行调节。

所述的激光器控制系统，一般包括计算机和多功能的控制卡，能够接收到所述的能量监测系统发送的信号，并由计算机进行处理，再给所述的脉冲激光器发出下一个脉冲能量的控制信号。

所述的第一分光镜，一般是双面镀膜的光学平板，在光学平板一侧镀上所述脉冲激光器波长的增透膜，另一侧镀上所述脉冲激光器波长的分光膜，所述的第一分光镜的放置方向是：与所述的脉冲激光器的光轴夹角为45°放置，所述的脉冲激光器发出的光则被所述的第一分光镜分成两束相互垂直的光，一束光入射到所述的系统光路进行激光剥蚀，另一路入射到所述的能量监测单元进行能量监测，第一分光镜的主要作用是对所述的脉冲激光器进行能量采样，一般所述第一分光镜的分光膜要求透过率较高，反射率较低，一般透过率为99%，反射率为1%，也可根据实际需要进行调整。

所述的系统光路的作用是根据激光剥蚀所需要的光斑要求，将所述的脉冲激光器发出的光束进行整形，所述的系统光路一般具有准直、扩束、聚焦的作用。

所述的能量监测系统，能够对所述的脉冲激光器发出光的能量进行测量，并反馈给所述的激光器控制系统，所述的激光器控制系统对所述的脉冲激光器再进行能量控制，控制下一个激光脉冲能量的大小，以此来控制所述的脉冲激光器的每个脉冲的能量大小。

所述的第二分光镜，一般是镀膜的光学平板，在一侧镀上可见光的增透膜，另一侧镀上窄带滤光膜，该窄带滤光膜反射所述的脉冲激光器波长的光，透射可见光，以此实现反射所述的脉冲激光器波长的光，同时还能透射可见光，便于所述的观察系统透过所述的第二分光镜实时观察所述的样品池的剥蚀情况。

所述的样品池，用于放置待剥蚀的样品，激光剥蚀后的样品离子以He/Ar等气体为载气送入质谱仪进行元素分析。

激光剥蚀系统的工作过程是：为了精确得到样品电离后的离子数量，必须精确控制激光的剥蚀剂量，一般一次样品离子的采样，需要累计N个激光脉冲对样品进行剥蚀，我们定义N个脉冲激光为一个样品离子采样周期，假设一个样品离子采样周期需要总的激光剂量为U，则理论上要求每一个脉冲的能量应该为U/N，但是由于所述的脉冲激光器每个脉冲的能量不稳定，输出的脉冲能量有可能是（U/N）-Δu₁，其中Δu₁是第一个激光脉冲的能量偏差，假设所述的脉冲激光器发出第一个脉冲经过所述的系统光路打在样品上，与此同时，所述的能量监测系统测量出该脉冲的能量为（U/N）-Δu₁，并反馈给所述的激光器控制系统，所述的激光器控制系统经过计算给所述的脉冲激光器发出下一个脉冲的能量信号指令，要求下一个脉冲发出的能量为（U/N）+Δu₁，当第二个脉冲发出时，所述的能量监测系统监测该脉冲的能量，测得第二个脉冲能量为（U/N）+Δu₂，其中Δu₂是第二个脉冲的能量偏差，并再次反馈给所述的激光器控制系统，计算出Δu₂-Δu₁的差值，所述的激光器控制系统给所述的脉冲激光器发出第三个脉冲能量的指令，要求第三个脉冲发出的能量为（U/N）-（Δu₂-Δu₁），以此类推，完成一个周期所有激光脉冲的样品剥蚀，用此方法，提高了一次样品离子采样周期的激光剂量精度，从而提高了获取样品电离后离子数量的精度。

与在先技术相比，本发明具有下列技术优点：

(1)本发明的激光剥蚀系统，能够精确控制一次样品离子采样周期所需要的激光剂量，从而精确控制样品电离后的离子数量，提高了激光等离子体质谱仪的测量精度。

(2)本发明中，能量监测系统与脉冲激光器形成反馈，且能量监测系统只需对脉冲激光器的脉冲能量进行极少的能量采样，对激光剥蚀主光路能量大小基本没有影响。

附图说明

图1是本发明激光等离子体质谱仪用的激光剥蚀系统的系统总图。

图2是本发明能量监测系统与脉冲激光器之间的反馈控制系统图。

图3是本发明能量监测系统与脉冲激光器之间的脉冲能量监测以及对下一个脉冲能量控制的一个实施例图表。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，图1是本发明激光等离子体质谱仪用的激光剥蚀系统的系统总图，由图1可见，本发明激光剥蚀系统包括脉冲激光器1、激光器控制系统8、第一分光镜2、系统光路3、能量监测系统6、样品池5、第二分光镜4、观察系统7，所述的脉冲激光器1发出的激光束，透射过所述的第一分光镜2，进入到所述的系统光路3，再经过所述的第二分光镜4反射到达所述的样品池5中进行剥蚀样品；被所述第一分光镜2反射的小部分光进入所述的能量监测系统6，所述的能量监测系统6通过测量所述第一分光镜2反射光的能量，判断所述脉冲激光器当前脉冲的能量值与要求值的差值，并实时地给所述激光器控制系统8发出一个反馈信号，通过所述激光器控制系统8的计算，并向所述的脉冲激光器1发出下一个激光脉冲的能量控制信号，控制所述脉冲激光器1下一个脉冲的能量值，以此来满足总剂量值的精度控制。由于所述的系统光路3中的光束是通过所述的第二分光镜4反射进入所述的样品池5的，所述的观察系统6透射过所述的第二分光镜4观察所述样品池5中样品的剥蚀情况。

所述的脉冲激光器1，可以通过调节激光器工作电压或可变透过率板等方式对输出激光器能量进行调节。

所述的激光器控制系统8，包括计算机和多功能控制卡，能够接收所述的能量监测系统6发送的信号，并由计算机进行处理，再给所述的脉冲激光器发出下一个脉冲能量的控制信号。

所述的第一分光镜2，是双面镀膜的光学平板，在光学平板一侧镀上所述脉冲激光器1波长的增透膜，另一侧镀上所述脉冲激光器1波长的分光膜，所述的第一分光镜2的放置方向是：与所述的脉冲激光器1的光轴夹角为45°放置，所述脉冲激光器1发出的光被分所述的第一分光镜2成两束相互垂直的光，一束光进入所述的系统光路3进行激光剥蚀，另一路进入所述的能量监测单元6进行能量监测，第一分光镜2的主要作用是用于对所述的脉冲激光器1进行能量采样，一般所述第一分光镜2的分光膜要求透过率较高，反射率较低，一般透过率为99%、反射率为1%，也可根据实际需要进行调整。

所述的系统光路3的作用是根据激光剥蚀所需要的光束要求，将所述脉冲激光器1发出的光进行整形，所述的系统光路3对入射激光束具有准直、扩束、聚焦的作用。

所述的能量监测系统6，从所述的第一分光镜2反射获得的采样能量，对所述的脉冲激光器1发出光的能量进行探测，并反馈给所述的激光器控制系统8的功能，所述的激光器控制系统8对所述的脉冲激光器1进行能量控制，控制下一个激光脉冲能量的大小，以此来控制所述的脉冲激光器1的每个脉冲的能量大小。

所述的第二分光镜4，是镀膜的光学平板，在一侧镀上可见光的增透膜，另一侧镀上窄带滤光膜，该窄带滤光膜反射所述脉冲激光器1波长的光，透射可见光，以此实现反射所述的脉冲激光器1波长的光，同时还能投射可见光，便于所述的观察系统7实时观察所述的样品池的剥蚀情况。

所述的样品池5，用于放置待剥蚀的样品，激光剥蚀后的样品离子以He/Ar等气体为载气送入质谱仪进行元素分析。

请参阅图2，通过图2具体说明一下所述的能量监测系统6和脉冲激光器1形成的反馈控制过程。我们定义N个脉冲激光为一个样品采样周期，假设一个样品采样周期需要总的激光能量为U，则理论上要求每一个脉冲的能量应该为U/N，但是由于所述的脉冲激光器1每个脉冲的能量不稳定，打出的脉冲能量有可能是（U/N）-Δu₁，其中Δu₁是第一个脉冲的能量偏差，假设所述的脉冲激光器1发出一个脉冲经过所述的系统光路打在样品上，与此同时，所述的能量监测系统6测量出该脉冲的能量为（U/N）-Δu₁，并反馈给所述的激光器控制系统8，所述的激光器控制系统8经过计算给所述的脉冲激光器1发出下一个脉冲的电压信号指令，要求下一个脉冲发出的能量为（U/N）+Δu₁，当第二个脉冲发出时，所述的能量监测系统6实时监测该脉冲的能量，测得第二个脉冲能量为（U/N）+Δu₂，其中Δu₂是第二个脉冲的能量偏差，并再次反馈给所述的激光器控制系统，计算出Δu₂-Δu₁的差值，所述的激光器控制系统8给所述的脉冲激光器1发出第三个脉冲能量的电压指令，要求第三个脉冲发出的能量为（U/N）-（Δu₂-Δu₁），以此类推，完成一个周期所有脉冲的发射，用此方法，提高了一次样品采样周期的激光剂量精度，从而提高了获取样品电离后离子数量的精度。

下面通过一个具体实施例，进一步说明本发明激光等离子体质谱仪用的激光剥蚀系统的工作原理。

假设所述的脉冲激光器的单个脉冲能量标准值为5mJ，且可通过电压调节控制脉冲能量值的变化，我们定义一个样品采样周期所需要的能量为500mJ，则需要100个激光脉冲，如图3所示，我们要求第一个脉冲发射值为5mJ，由于脉冲激光器1固有的特性，单脉冲能量不稳定，打出的第一个脉冲有可能是4mJ，与此同时，所述的能量监测系统6测量出该脉冲的能量对应为4mJ（此处的所述的能量监测系统6测出的4mJ是按照所述第一分光镜2的分光比例计算得来，实际是所述的能量监测系统6测得能量应为4mJ的1%），并反馈给所述的激光器控制系统8，所述的激光器控制系统8经过计算，得到第一个脉冲激光的能量误差为4-5=-1mJ，所以给所述的脉冲激光器1发出第二个脉冲的电压信号指令，要求第二个脉冲发出的能量为5-(-1)=6mJ，当第二个脉冲发出时，由于所述的脉冲激光器6的不稳定因素，所述的能量监测系统6实时监测该脉冲的能量为5.5mJ，并再次反馈给所述的激光器控制系统8，计算出5.5-6=-0.5mJ的差值，所述的激光器控制系统8给所述的脉冲激光器1发出第三个脉冲能量的电压指令，要求第三个脉冲发出的能量为5–(-0.5)=5.5mJ，以此类推，完成一个周期所有脉冲的发射，用此方法，提高了一次样品采样周期的激光剂量精度，从而提高了获取样品电离后的离子数量的精度。

与在先技术相比，本发明具有下列技术优点：

(1)本发明的激光剥蚀系统，能够精确控制一次样品离子采样周期所需要的激光剂量，从而精确控制样品电离后的离子数量，提高了激光等离子体质谱仪的测量精度。

(2)本发明中，能量监测系统与脉冲激光器形成反馈，且能量监测系统只需对脉冲激光器的脉冲能量进行极少的能量采样，对激光剥蚀主光路能量大小基本没有影响。

Claims (4)

1.一种用于激光等离子体质谱仪的激光剥蚀系统，包括脉冲激光器，特征在于其构成是：沿脉冲激光器的激光输出方向依次是第一分光镜、系统光路和第二分光镜，所述的第一分光镜和第二分光镜与光路成45°，在第一分光镜的反射光方向是能量监测系统，该能量监测系统的输出端接激光器控制系统的输入端，该激光器控制系统的输出端接所述的脉冲激光器的控制端，在第二分光镜的反射光输出方向是样品池，在第二分光镜另一面与所述的样品池相对的是观察系统。

2.根据权利要求1所述的激光剥蚀系统，其特征在于所述的第一分光镜的反射率为1%以下。

3.根据权利要求1所述的激光剥蚀系统，其特征在于所述的第二分光镜是镀膜的光学平板，在一侧镀上可见光的增透膜，另一侧镀上窄带滤光膜，该窄带滤光膜反射所述的脉冲激光器波长的光，透射可见光，实现反射所述的脉冲激光器波长的光，同时还能透射可见光，便于所述的观察系统透过所述的第二分光镜实时观察所述的样品池的剥蚀情况。

4.根据权利要求1所述的激光剥蚀系统，其特征在于所述的能量监测系统和激光器控制系统对所述的脉冲激光器的控制过程是：将多个脉冲激光为一个样品离子采样监控周期，能量监测系统通过测量所述的第一分光镜反射光的能量，判断所述脉冲激光器当前脉冲的能量值与要求值的差值，并给所述的激光器控制系统发出一个反馈信号，通过所述的激光器控制系统的计算，并向所述的脉冲激光器发出下一个激光脉冲的能量控制信号，控制所述的脉冲激光器下一个脉冲的能量值，以此来实现总曝光剂量的精确控制。

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