CN104931481B - 激光双轴差动共焦诱导击穿‑拉曼光谱成像探测方法与装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光谱测量及成像技术领域，涉及一种激光双轴差动共焦诱导击穿光谱‑拉曼光谱成像探测方法及装置，可用于样品的微区组分与形态参数的高空间分辨成像与探测。该方法与装置利用激光诱导击穿光谱探测样品组分的元素组成信息；利用拉曼光谱探测样品的化学键与分子结构信息；利用双轴差动共焦技术探测样品表面形貌信息，双轴差动结构具有大视场、大工作距的优势，可对样品准确定焦，保证照明光斑最小，提升光谱激发效率；三者联用可实现结构共用和功能互补，实现样品的形貌和组分信息的综合测量。本发明具有高空间分辨，物质组分信息丰富和测量聚焦光斑尺寸可控等优点，在矿产、冶金、空间探测、环境监测、生物医疗等领域有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于光谱测量及成像技术领域，涉及一种激光双轴差动共焦诱导击穿-拉曼光谱成像探测方法及装置，将差动共焦成像技术与光谱探测技术相结合，构成一种“图谱合一”的高分辨光谱成像与探测方法及装置，可用于样品的微区形态组分多光谱综合测试与高分辨成像。
技术背景
激光诱导击穿光谱技术(Laser Induced Breakdown Spectroscopy，简称LIBS)，是一种物质组分原位探测技术，其利用高功率密度的激光激发样品表面，产生激光诱导等离子体，通过探测激光诱导等离子体中的原子和离子谱线，来确定样品的组分组成，其突出优势是可探测原子与小分子元素组成。
自1962年诞生以来，激光诱导击穿光谱技术广泛应用于微纳制造、矿产分析、环境监测、生物医疗等多个领域，并且在2011年美国发射的“好奇号”火星车搭载的“化学与摄像机仪器系统(ChemCam)”被用于对火星地表岩石样品进行远程探测，展现出其在空间物质组分探测方面的强大能力，因此继“好奇号”火星车ChemCam系统之后又一次被选为金星探测用仪器，被世界多个国家航天结构广泛研究采用。
但现有的激光诱导击穿光谱技术存在以下突出问题：
1)由于利用平行激光束来照射激发样品产生等离子体，因而其仍存在激光激发光斑大、光谱探测空间分辨力不高等问题；
2)无法对分子中的化学键、分子结构等参数进行探测，其结果制约了样品物质组分信息的准确完整获取；
3)无法有效抑制背向散射光干扰，制约了系统信噪比的提升，并进而限制了光谱探测分辨力的改善；
3)获得的样品组分信息无法与样品的形态信息进行结合，无法实现样品形态-组分综合信息的原位高分辨获取。
而矿产、空间物质以及生化样品的“微区”完整组分信息的准确获取对于科学研究和生产检测都具有极其重要的意义。事实上，如何高灵敏地探测微区成分信息是目前矿产分析、空间探测和环境检测等领域亟待研究的共性技术问题。
激光诱导击穿光谱的强脉冲激光聚焦到样品表面会使样品离子化，可激发 样品产生等离子体，通过探测等离子体能量衰退辐射出的光谱可获取样品的原子及小分子元素组成信息，但是无法获得样品分子的化学键和分子结构信息，如何完整的获取样品分子的元素组成及分子结构信息，对于高精度分析样品的组分具有重要意义。
利用激光拉曼光谱技术可测量样品的分子激发光谱，获得样品中的化学键和分子结构信息。将激光拉曼光谱技术与激光诱导击穿光谱(LIBS)技术相结合，可以来弥补激光诱导击穿光谱技术中无法获得分子结构和化学键信息的不足。
激光双轴差动共焦技术利用照明与探测光路非共路结构进行探测，不仅显著提高了光路的轴向分辨力和定焦精度，实现样品形貌的高分辨成像探测，而且可以有效抑制背向散射干扰，提高光谱探测信噪比。
基于此，本发明提出一种激光双轴差动共焦诱导击穿光谱-拉曼光谱显微成像方法与装置，其创新在于：首次将激光双轴差动共焦光路与激光诱导击穿光谱(LIBS)技术和激光拉曼光谱探测技术相融合，可实现被测样品微区高分辨和高灵敏形貌和组分的成像与探测。
本发明提出的一种高空间分辨激光共焦诱导击穿光谱-拉曼光谱显微成像方法与装置可为物质组分高分辨成像探测提供一个全新的有效技术途径。
发明内容
本发明的目的是为了实现物质组分与形态信息的“图谱合一”的高分辨光谱成像，提出一种激光双轴共焦诱导击穿-拉曼光谱成像探测方法及装置，以期同时获得被测样品的微区形态组分多光谱综合测试与高分辨成像。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
本发明的双轴差动共焦激光诱导击穿-拉曼光谱成像探测方法，光路照明光轴与探测光轴成夹角分布，激发光照射沿照明光路照射到样品表面激发出瑞利光和载有样品组分信息的激光诱导击穿光谱和拉曼光谱，瑞利光、激光诱导击穿光谱和拉曼光谱被与照明光路成夹角的探测光路接收，经过分光一部分进入激光诱导击穿光谱探测系统获得样品的元素组成信息，另一部分中的拉曼散射光透过二向色分光系统进入拉曼光谱探测系统获得样品的化学键和分子结构信息，瑞利光和激光诱导击穿光谱经过二向色分光系统反射进入差动共焦探测系统进行光强探测获得样品表面高度和形貌信息。激光诱导击穿光谱探测、拉曼 光谱探测和激光双轴差动共焦形貌信息探测三者结合可实现结构共用和功能互补，实现高空间分辨的光谱成像与探测，该方法的具体实现步骤如下：
1)照明物镜与采集物镜对称分布在测量面法线两侧，并且照明光轴与测量面法线的夹角为θ1，采集光轴与测量面法线的夹角为θ2，以测量面法线方向为测量轴线，建立系统坐标系(x,y,z)，其中θ1＝θ2；
2)激发光经由照明物镜聚焦到被测样品上，激发出瑞利光和载有被测样品光谱特性的拉曼光谱和激光诱导击穿光谱，被激发出的瑞利光及载有被测样品物质组分信息的拉曼光谱和激光诱导击穿光谱被反射进入采集物镜，并被采集物镜会聚到分光系统，光束经分光系统分光后分为投射和反射两束，投射光路进入激光诱导击穿光谱探测系统获得激光诱导击穿光谱信号I(λL)；反射光束经过二向色分光系统分光，反射光中的拉曼光谱透过二向色分光系统进入拉曼光谱探测系统获得拉曼光谱信号I(λR)，反射光束中的瑞利光和激光诱导击穿光谱被二向色分光系统反射进入差动探测系统；
3)对进入差动探测系统的光信号进行差动处理，其中，差动探测系统中两个相同的探测系统对称放置于测量光轴两侧，对两个探测系统的信号相减处理得到差动共焦曲线，并获得差动信号I(x,y,z,vxM)，其中vxM是探测系统横向偏移量，利用差动共焦曲线过零点与焦点位置精确对应的特性，通过零点触发来精确定位激发光束焦点O位置，实现被测样品的高空间分辨的焦点定位；
4)根据差动信号I(x,y,z,vxM)控制激光光束准确定焦到被测样品上，重新获取被测样品的光谱信号I(λL)和I(λR)；
5)利用数据处理系统将获得的差动信号I(x,y,z,vxM)、光谱信号I(λL)和I(λR)进行数据融合处理，以获得样品的形貌信息和物质组分信息的四维测量信息I(x,y,z,λL,λR)；
6)完成上述步骤后，控制光束对被测样品进行扫描探测，对被测样品表面下一个点重复步骤2)、3)、4)、5)直至扫描完成；
7)单独处理差动信号I(x,y,z,vxM)时，获得被测样品的高空间分辨的三维形貌信息；单独处理拉曼光谱信号I(λR)时，获得被测样品的化学键和分子结构信息；单独处理激光诱导击穿光谱信号I(λL)时，获得被测样品的元素组成信息；同时处理差动信号I(x,y,z,vxM)、光谱信号I(λL)和I(λR)时，获得被测样品的高空间分辨形貌及微区物质组分“图谱合一”的成像探测；
本发明中差动探测系统中的两个相同的探测系统还可以是单一的探测系统即第一探测器，数据处理系统从第一探测器上获取焦斑图案后，计算出此时焦 斑图案的中心，以此中心作为坐标原点，建立探测器像面上的坐标系(xd′,yd′)，在xd′轴上对称设置两个具有相同半径的圆形针孔对焦斑图案进行分割探测，分别为第一虚拟针孔和第二虚拟针孔，其位置分别对应上述两个探测系统，当被测样品进行扫描时，数据处理系统分别计算出第一虚拟针孔和第二虚拟针孔范围内像素灰度总和，得到强度响应。
本发明中为压缩测量聚焦光斑尺寸并提高系统横向分辨力，所述激发光束是偏振光束，包括线偏光、圆偏光、径向偏振光；或是由光瞳滤波技术生成的结构光束。
本发明中的系统还可以探测荧光、康普顿散射光等散射光谱。
本发明提供一种双轴差动共焦激光诱导击穿-拉曼光谱成像探测装置，包括光源，照明物镜和采集物镜，其特征在于：还包括光束扫描装置，准直扩束镜，分光系统，二向色分光系统、差动探测装置、拉曼光谱探测系统和激光诱导击穿光谱探测系统；其中，照明物镜和采集物镜对称地布局在测量面法线两侧，照明光轴与测量面法线的夹角为θ1，采集光轴与测量面法线的夹角为θ2，其中θ1＝θ2，准直扩束镜、光束扫描装置和照明物镜依次放在光源的出射光线方向，采集物镜和分光系统依次放在被测样品的反射光线方向，激光诱导击穿光谱探测系统放在二向色分光装置透射方向，二向色分光系统和拉曼光谱探测系统放置在分光系统的反射方向，差动探测装置放置在向色分光系统的反射方向。
本发明装置中为提高系统横向分辨力，系统还可在准直扩束镜和照明物镜之间加入照明端光瞳滤波器，或者在分光镜和差动探测装置之间加入采集端光瞳滤波器，或者在准直扩束镜和照明物镜之间以及分光镜和差动探测装置之间同时加入照明端光瞳滤波器和采集端光瞳滤波器。
本发明装置中为提高系统横向分辨力，还可在准直扩束镜和光束扫描装置之间加入偏振调制装置，或者在照明物镜和照明端光瞳滤波器之间加入偏振调制装置。
本发明装置中差动探测装置的探测装置可以是CCD探测器，或者是两个参数相同的点探测器。
本发明装置中还包括最后进行数据融合处理的数据处理系统。
本发明装置中拉曼光谱探测装置可以是共焦光谱探测装置，包括第一聚光镜、位于第一聚光镜焦点处的针孔、第二聚光镜、位于第二聚光镜焦点处的光 谱仪及光谱仪后的第二探测器；还可以是普通光谱探测装置，包括第第二聚光镜、位于第二聚光镜焦点处的光谱仪及光谱仪后的第二探测器；激光诱导击穿光谱探测装置包括激光诱导击穿聚光镜，位于激光诱导击穿聚光镜焦点位置的针孔，针孔后的光谱仪和第三探测器。
有益效果
本发明方法，对比已有技术具有以下创新点：
1)本发明将激光双轴差动共焦技术与光谱探测技术有机结合，融合了激光双轴差动共焦技术的高精度轴向跟踪定焦能力，可对样品进行精确定焦保证聚焦激发光斑最小，进而获得样品最小激发聚焦光斑区域的光谱参数，实现样品微区光谱的高空间分辨探测，这是区别于现有光谱探测技术的创新点之一；
2)本发明通过合理设计能够对蕴含不同信息的拉曼散射光谱和激光诱导击穿光谱同时进行探测，实现结构共用和功能互补，实现了对样品元素组成和化学键及分子结构的高分辨探测，获得样品物质组分的综合信息，这是区别于现有光谱探测技术的创新点之二；
3)利用激光双轴共焦响应曲线线性区域对应不同聚焦光斑尺寸的特性，对聚焦光斑位置进行精确调控，进而控制测量聚焦光斑的尺寸，便于对不同测试需求的样品进行测试与分析，即实现测量聚焦光斑尺寸可调，这是区别于现有光谱探测技术的创新点之三；
4)激光双轴结构可以有效避免激发光束背向散射引入的系统杂散光，降低光谱探测噪声，提高探测信噪比和光谱分辨力，这是区别于现有光谱探测技术的创新点之四；
本发明方法具有如下特点：
1)融合激光双轴差动共焦技术和光谱探测技术，利用差动共焦系统对焦点的精确定位，大幅提高光谱探测的空间分辨力；
2)可通过激光诱导击穿光谱与激光拉曼光谱联用，实现激发和探测结构的共用和功能的互补，获得样品组分的元素组成、化学键以及分子结构等综合信息；
3)采用双轴结构斜入射的方式照明和探测，有效抑制了焦面样品散射光的干扰，提高了光谱探测信噪比；
4)采用分割焦斑的横向差动共焦方式，便于系统根据需求更换不同NA值 的物镜，调节方便，并且可实现量程范围与分辨能力的有效兼顾。
附图说明
图1为激光差动共焦成像探测光路
图2为双轴激光差动共焦激光诱导击穿-拉曼光谱成像探测方法示意图；
图3为单探测器双轴激光差动共焦激光诱导击穿-拉曼光谱成像探测方法示意图；
图4为双轴差动信号探测过程示意图；
图5为激光双轴差动共焦诱导击穿-拉曼光谱成像探测装置示意图；
图6为带偏振调制的激光双轴差动共焦激光诱导击穿-拉曼光谱成像探测装置示意图；
图7为激光双轴差动共焦激光诱导击穿-拉曼光谱成像探测方法与装置实施例1示意图；
图8为激光双轴差动共焦激光诱导击穿-拉曼光谱成像探测方法与装置实施例2示意图；
其中，1-光源，2-照明物镜，3-被测样品，4-照明光轴，5-测量面法线，6-θ1，7-采集物镜，8-分光系统，9-测量透镜，10-显微物镜，11-第一探测系统，12-第二探测系统，13-测量光轴，14-针孔横向偏移量，15-差动探测系统，16-焦斑图案，17-第二探测系统光斑，18-第一探测系统光斑，19-拉曼光谱探测系统，20-拉曼采集光轴，21-数据处理系统，22-第一探测器，23-第二虚拟针孔，24-第一虚拟针孔，25-准直扩束系统，26-光束扫描装置，27-差动共焦曲线，28-照明端光瞳滤波器，29-偏振调制装置，30-采集端光瞳滤波器，31-第一聚光镜，32-针孔，33-第二聚光镜，34-拉曼光谱仪，35-拉曼光谱探测器，36-共焦拉曼曲线，37-θ2，38-二向色分光系统，39-激光诱导击穿光谱探测系统，40-激光诱导击穿光谱采集光轴，41-激光诱导击穿光谱聚光镜，42-针孔，43-激光诱导击穿光谱仪，44-激光诱导击穿光谱探测器，45-激光共焦诱导击穿光谱光强曲线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
本实施例中，光源1为激光器，偏振调制装置29为径向偏振光产生器，二 向色分光系统38为Notch filter，数据处理系统21为计算机，第一探测器22为第一CCD探测器，拉曼光谱探测器35为光谱CCD探测器。
如图3、图4和图7所示，照明物镜2与采集物镜7对称分布在测量面法线5两侧，并且照明光轴4与测量面法线5的夹角为θ1 6，采集光轴20与测量面法线5的夹角为θ2 37，其中θ1＝θ2，以测量面法线5方向为测量轴线，建立系统坐标系(x,y,z)，高空间分辨双轴差动共焦图谱显微成像方法，其测量步骤是：
首先，激光器1发出的光束经准直扩束系统25后，进行扩束出射后成为与照明物镜2入瞳直径相等的平行光，经过径向偏振光产生器29后成为径向偏振光，径向偏振光经照明端光瞳滤波器28后光束被调制，经过光束扫描装置26后由照明物镜2形成压缩光斑聚焦到被测样品3表面，激发出瑞利光和载有被测样品3光谱特性的拉曼散射光和激光诱导击穿散射光，被测样品3可通过增强光谱纳米粒子等光谱增强技术进行处理，以提高散射光的强度。
轴向(即图中的Z方向)被测样品3，移动时使瑞利光及对应被测样品3不同区域的拉曼散射光被反射进入采集物镜7，经过采集物镜7收集的光束被分光系统8分光：
透过分光系统8的瑞利光、拉曼散射光和激光诱导击穿散射光进入激光诱导击穿光谱探测系统39，经过激光诱导击穿光谱聚光镜41会聚通过针孔42进入激光诱导击穿光谱仪43并被激光诱导击穿光谱探测器44探测获得被测样品3的激光诱导击穿光谱I(λL)(λL为激光诱导击穿光谱)。
被分光系统8反射的瑞利光、拉曼散射光和激光诱导击穿散射光被Notch filter38再次分光：
透射过Notch filter 38的拉曼散射光进入光谱探测系统19，光谱探测系统19为共焦拉曼光谱探测系统，拉曼散射光被第一聚光镜31会聚到针孔32，经过第二聚光镜33会聚进入拉曼光谱仪34，最后入射到拉曼光谱探测器35，获得被测样品3的拉曼光谱I(λR)(λR为拉曼光谱)。
被Notch filter 38反射的瑞利光和激光诱导击穿光谱经过采集端光瞳滤波器30调制后，通过测量透镜9进行汇聚到差动探测系统15，汇聚光斑经过显微物镜10放大并成像在第一CCD探测器22上。
测量过程中，计算机21从第一CCD探测器22上获取焦斑图像16，计算出此时焦斑图像16的中心，以此中心作为坐标原点，建立CCD像面上的坐标系(xd′,yd′)，在xd′轴上对称设置两个具有相同半径的圆形虚拟针孔对焦斑图像16进行 分割探测，分别为第一虚拟针孔24和第二虚拟针孔23，其对应的针孔横向偏移量14为M；当被测样品3进行扫描时，计算机21分别计算出第一虚拟针孔24和第二虚拟针孔23范围内像素灰度总和，分别对应为焦斑图像16中的第一探测系统光斑18和第二探测系统光斑17，得到强度响应I1(x,y,z,-vxM)和I2(x,y,z,+vxM)，其中vxM是针孔横向偏移量，x,y,z为样品在系统坐标系下的坐标。
计算机21对I1(x,y,z,-vxM)和I2(x,y,z,+vxM)进行差动相减处理，得到带有被测样品3凸凹变化的强度响应I(x,y,z,vxM)，
I(x,y,z,vxM)＝I1(x,y,z,-vxM)-I2(x,y,z,+vxM) (1)
根据公式(1)的结果拟合出相应差动共焦曲线27，利用差动共焦曲线27过零点与焦点位置精确对应的特性，获系统焦点O的位置，并将被测样品3移动至焦点O位置。那么此时可重新捕获被测样品3在焦点O处的拉曼光谱I(λR)和激光诱导击穿光谱I(λb)。
将I(λR)、I(λL)、I(x,y,z,vxM)传送到计算机21进行数据处理，从而获得包含被测样品3位置信息I(x,y,z,vxM)和光谱信息I(λR)和I(λL)的四维测量信息I(x,y,z,λR,λL)。
完成上述步骤后，对被测样品3进行横向扫描，并再次获取位置信息和光谱信息。
通过上述过程，即可获得精确的光谱信息，实现焦点位置的光谱探测和三维几何位置探测，其中，通过对测量信息{I(x,y,z),I(λR)，I(λL)}的融合处理，可实现式(2)所示的三种测量模式，即：微区图谱层析成像测试、三维尺度层析成像和光谱测试。
当θ＝45°时，照明光轴4和采集光轴20相互垂直，此时被测样品3的瑞利光光强最弱，有利于系统观测高散射性生物样品。
如图6所示，高空间分辨双轴差动共焦诱导击穿-拉曼光谱成像探测装置包括沿光路依次放置的激光器1、准直扩束系统25、径向偏振光产生器29、照明端光瞳滤波器28、光束扫描装置26、照明物镜2、被测样品3，及光路反射方向的采集物镜7、分光系统8、位于分光系统8透射方向的激光诱导击穿光谱系统 39，位于分光系统8反射方向的Notch filter 38，位于Notch filter 38反射方向的差动探测系统15，位于Notch filter 38透射方向的拉曼光谱探测系统19，及连接差动探测系统15、激光诱导击穿光谱系统39与拉曼光谱探测系统19的计算机21；其中，拉曼光谱探测系统19包括沿光路依次放置的第一聚光镜31、位于第一聚光镜31焦点位置的针孔32、位于针孔32后的第二聚光镜33、位于第二聚光镜33焦点位置的拉曼光谱仪34及位于光谱仪后的光谱CCD探测器35；激光诱导击穿光谱探测系统39,包括沿光路依次放置的激光诱导击穿光谱聚镜41、位于激光诱导击穿光谱会聚镜41焦点位置的针孔42、位于针孔42后的激光诱导击穿光谱仪43和激光诱导击穿光谱探测器44；差动探测系统15包括位于测量透镜9焦点处的显微物镜10，及位于显微物镜10焦点处的第一CCD探测器22。
实施例2
本实施例中，偏振调制系统29为径向偏振光产生器，二向色分光系统38为Notchfilter，第一探测系统11第一点探测器，第二探测系统12第二点探测器，数据处理系统21为计算机，第一探测器22为第一CCD探测器，拉曼光谱探测器35为光谱CCD探测器。
如图2、图5、图6和图8所示，将实施例1图7中的第一CCD探测器替换为图8的两个参数相同的点探测器，分别是第一点探测器11和第二点探测器12，即可构成实施例2。第一点探测器11和第二点探测器12所在的位置分别与实施例1的第一虚拟针孔24和第二虚拟针孔23所在的位置对应。第一虚拟针孔24和第二虚拟针孔23所在的位置可根据系统参数事先计算得出。
在对样品进行轴向扫描时，设被测样品3位于系统焦平面上时为系统初始位置，此时探测面上的焦斑16中心与(xd,yd)坐标系原点重合，如图4(1)所示，此时第一点探测器11和第二点探测器12探测到的信号大小相同，差动相减后的信号大小为零，即该特性曲线的零点位置对应系统焦点位置。当被测样品3沿着z轴向靠近透镜方向移动时，此时探测面上的焦斑位置如图4(2)和4(3)所示，焦斑中心趋近于第二点探测器12，第二点探测器12接收到的光强比如图4(1)所示初始位置要大；另一方面，此时的焦斑中心相对于第一点探测器11是处于远离状态，因此，第一点探测器11接收到的光强比初始位置要小，则此时由第一点探测器11的信号I1(x,y,z,-vxM)和第二点探测器12的信号I2(x,y,z,+vxM)相减得到的差动信号I(x,y,z,vxM)相对于初始位置的差动信号减小。同理，当被测样品3沿着z轴向远离物镜方向移动时，此时探测面上的焦斑位置如图4(4) 和4(5)所示，焦斑中心趋近于第一点探测器11，第一点探测器11接收到的光强比初始位置大，而第二点探测器12接收到的光强比初始位置要小，则此时的差动信号I(x,y,z,vxM)相对于初始位置的差动信号增大。驱动被测样品3沿着z轴作轴向扫描运动，将第一点探测器11和第二点探测器12探测到的信号进行差动相减，即可得到双轴差动共焦显微技术的响应函数I(x,y,z,vxM)。图4中的曲线27是双轴差动共焦显微技术的轴向响应函数I(x,y,z,vxM)的示意图。
其余测量方法与装置与实施例1相同。
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。
Claims (10)
1.激光双轴差动共焦诱导击穿-拉曼光谱成像探测方法，其特征在于：光路照明光轴与探测光轴成夹角分布，激发光照射沿照明光路照射到样品表面激发出瑞利光和载有样品组分信息的激光诱导击穿光谱和拉曼光谱，瑞利光、激光诱导击穿光谱和拉曼光谱被与照明光路成夹角的探测光路接收，经过分光一部分进入激光诱导击穿光谱探测系统获得样品的元素组成信息，另一部分中的拉曼散射光透过二向色分光系统进入拉曼光谱探测系统获得样品的化学键和分子结构信息，瑞利光和激光诱导击穿光谱经过二向色分光系统反射进入差动共焦探测系统进行光强探测获得样品表面高度和形貌信息；激光诱导击穿光谱探测、拉曼光谱探测和激光双轴差动共焦形貌信息探测三者结合可实现结构共用和功能互补，实现高空间分辨的光谱成像与探测，该方法的具体实现步骤如下：
1)照明物镜(2)与采集物镜(7)对称分布在测量面法线(5)两侧，并且照明光轴(4)与测量面法线(5)的夹角为θ1(6)，采集光轴(20)与测量面法线(5)的夹角为θ2(37)，以测量面法线(5)方向为测量轴线，建立系统坐标系(x,y,z)，其中θ1＝θ2；
2)激发光经由照明物镜(2)聚焦到被测样品(3)上，激发出瑞利光和载有被测样品光谱特性的拉曼光谱和激光诱导击穿光谱，被激发出的瑞利光及载有被测样品(3)物质组分信息的拉曼光谱和激光诱导击穿光谱被反射进入采集物镜(7)，并被采集物镜(7)会聚到分光系统(8)，光束经分光系统(8)分光后分为透射和反射两束，透射光路进入激光诱导击穿光谱探测系统(19)获得激光诱导击穿光谱信号I(λL)；反射光束经过二向色分光系统(38)分光，反射光中的拉曼光谱透过二向色分光系统(38)进入拉曼光谱探测系统(39)获得拉曼光谱信号I(λR)，反射光束中的瑞利光和激光诱导击穿光谱被二向色分光系统(38)反射进入差动探测系统(15)；
3)对进入差动探测系统(15)的光信号进行差动处理，其中，差动探测系统(15)中两个相同的探测系统(11、12)对称放置于测量光轴(13)两侧，对探测系统(11)和(12)的信号相减处理得到差动共焦曲线(27)，并获得差动信号I(x,y,z,vxM)，其中vxM是探测系统(11、12)横向偏移量，利用差动共焦曲线过零点与焦点位置精确对应的特性，通过零点触发来精确定位激发光束焦点O位置，实现被测样品的高空间分辨的焦点定位；
4)根据差动信号I(x,y,z,vxM)控制激光光束准确定焦到被测样品(3)上，重新获取被测样品(3)的光谱信号I(λL)和I(λR)；
5)利用数据处理系统(21)将获得的差动信号I(x,y,z,vxM)、光谱信号I(λL)和I(λR)进行数据融合处理，以获得样品的形貌信息和物质组分信息的四维测量信息I(x,y,z,λL,λR)；
6)完成上述步骤后，控制光束对被测样品(3)进行扫描探测，对被测样品(3)表面下一个点重复步骤2)、3)、4)、5)直至扫描完成；
7)单独处理差动信号I(x,y,z,vxM)时，获得被测样品(3)的高空间分辨的三维形貌信息；单独处理拉曼光谱信号I(λR)时，获得被测样品(3)的化学键和分子结构信息；单独处理激光诱导击穿光谱信号I(λL)时，获得被测样品(3)的元素组成信息；同时处理差动信号I(x,y,z,vxM)、光谱信号I(λL)和I(λR)时，获得被测样品(3)的高空间分辨形貌及微区物质组分“图谱合一”的成像探测。
2.根据权利要求1所述的激光双轴差动共焦诱导击穿-拉曼光谱成像探测方法，其特征在于：差动探测系统(15)中的两个相同的探测系统(11、12)还可以是单一的探测系统即第一探测器(22)，数据处理系统(21)从第一探测器(22)上获取焦斑图案(16)后，计算出此时焦斑图案(16)的中心，以此中心作为坐标原点，建立探测器像面上的坐标系(xd′,yd′)，在xd′轴上对称设置两个具有相同半径的圆形针孔对(23、24)焦斑图案(16)进行分割探测，分别为第一虚拟针孔(24)和第二虚拟针孔(23)，其位置分别对应上述两个探测系统(11、12)，当被测样品(3)进行扫描时，数据处理系统(21)分别计算出第一虚拟针孔(24)和第二虚拟针孔(23)范围内像素灰度总和，得到强度响应。
3.根据权利要求1所述的激光双轴差动共焦诱导击穿-拉曼光谱成像探测方法，其特征在于：为压缩测量聚焦光斑尺寸并提高系统横向分辨力，所述激发光束是偏振光束，包括线偏光、圆偏光、径向偏振光；或是由光瞳滤波技术生成的结构光束。
4.根据权利要求1所述的激光双轴差动共焦诱导击穿-拉曼光谱成像探测方法，其特征在于：该系统还可以探测荧光、康普顿散射光等散射光谱。
5.激光双轴差动共焦诱导击穿-拉曼光谱成像探测装置，包括光源(1)，照明物镜(2)和采集物镜(7)，其特征在于：还包括光束扫描装置(26)、准直扩束镜(25)、分光系统(8)、二向色分光系统(38)、差动探测装置(15)、拉曼光谱探测系统(19)和激光诱导击穿光谱探测系统(39)；其中，照明物镜(2)和采集物镜(7)对称地布局在测量面法线(5)两侧，照明光轴(4)与测量面法线(5)的夹角为θ1(6)，采集光轴(20)与测量面法线(5)的夹角为θ2(37)，其中θ1＝θ2，准直扩束镜(25)、光束扫描装置(26)和照明物镜(2)依次放在光源(1)的出射光线方向，采集物镜(7)和分光系统(8)依次放在被测样品(3)的反射光线方向，激光诱导击穿光谱探测系统(39)放在二向色分光装置(8)透射方向，二向色分光系统(38)和拉曼光谱探测系统(19)放置在分光系统(8)的反射方向，差动探测装置(15)放置在向色分光系统(38)的反射方向。
6.根据权利要求5所述的激光双轴差动共焦诱导击穿-拉曼光谱成像探测装置，其特征在于：为提高系统横向分辨力，系统还可在准直扩束镜(25)和照明物镜(2)之间加入照明端光瞳滤波器(28)，或者在二向色分光系统(38)和测量透镜(9)之间加入采集端光瞳滤波器(30)，或者在准直扩束镜(25)和照明物镜(2)之间以及二向色分光系统(38)和差动探测装置(15)之间同时加入照明端光瞳滤波器(28)和采集端光瞳滤波器(30)。
7.根据权利要求5或6所述的激光双轴差动共焦诱导击穿-拉曼光谱成像探测装置，其特征在于：为提高系统横向分辨力，还可在准直扩束镜(25)和光束扫描装置(26)之间加入偏振调制装置(29)，或者在照明物镜(2)和照明端光瞳滤波器(28)之间加入偏振调制装置(29)。
8.根据权利要求5或6所述的激光双轴差动共焦诱导击穿-拉曼光谱成像探测装置，其特征在于：差动探测装置(15)的探测装置可以是CCD探测器，或者是两个参数相同的点探测器。
9.根据权利要求5所述的激光双轴差动共焦诱导击穿-拉曼光谱成像探测装置，其特征在于：还包括最后进行数据融合处理的数据处理系统(21)。
10.根据权利要求5或6所述的激光双轴差动共焦诱导击穿-拉曼光谱成像探测装置，其特征在于：拉曼光谱探测装置(19)可以是共焦光谱探测装置，包括第一聚光镜(31)、位于第一聚光镜焦点处的针孔(32)、第二聚光镜(33)、位于第二聚光镜(33)焦点处的光谱仪(34)及光谱仪(34)后的第二探测器(35)；还可以是普通光谱探测装置，包括第第二聚光镜(33)、位于第二聚光镜(33)焦点处的光谱仪(34)及光谱仪(34)后的第二探测器(35)；激光诱导击穿光谱探测装置(39)包括激光诱导击穿聚光镜(41)，位于激光诱导击穿聚光镜(41)焦点位置的针孔(42)，针孔(42)后的光谱仪(43)和第三探测器(44)。
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