CN105784681A - 一种libs光谱探测及显微成像的多功能系统 - Google Patents

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姜守望
王欣
万金龙
何志平
舒嵘
王建宇
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Abstract

本发明涉及一种LIBS光谱探测及显微成像的多功能系统，其主要特征在于：将一片施密特校正板插入主镜与被测物体的光路中，施密特校正板的一面设计成高次非球面，施密特校正板最主要的作用是校正主次镜产生的球差，其不仅使得激光聚焦光斑直径变得更小，还可以使得该LIBS系统具有光谱探测和显微成像的双重功能。

Description

一种LIBS光谱探测及显微成像的多功能系统
技术领域
本发明涉及光学设计领域，尤其是一种LIBS光谱探测及显微成像的多功能系统。
背景技术
LIBS技术(激光诱导击穿光谱探测技术)是一种利用高功率激光器发出高能量的激光，经过激光聚焦系统聚焦到远距离的物体表面，物体在受到高能量的激光照射时，会辐射出等离子体光谱，通过分析等离子体光谱中的特征谱线来探测物质的元素组成及含量。由于该技术无需样品制备、可同时测量多种元素、以及非接触式快速测量等优点，非常适合于实时在线分析，现已经广泛应用于各行各业，其广阔的前景和巨大的潜在市场是世界各国研究的热点。
目前LIBS技术存在两个非常重要的问题：第一，由于激光聚焦系统的聚焦能力有限，仅可以将激光光斑聚焦到1mm范围之内，激光器的功率仍然较高，激光器散热系统设计依然非常复杂；第二，目前的LIBS技术仅仅通过光谱探测的方法来检测物质元素的组成和含量，不能够对物质表面的几何形态进行显微成像，缺乏对物体的视觉成像识别功能。
在现有的LIBS技术中，如图1所示，其装置主要包括：激光发生装置1，激光初级扩束系统2，反射镜3，二向色镜4，望远镜接收系统(由主镜5和副镜6组成)，光纤耦合系统8，光纤9。激光发生装置1以脉冲方式工作，产生一束高能量的激光，激光波长为1064nm，经初级扩束系统2放大后，通过反射镜3和二向色镜4进入望远镜接收系统，之后被主镜5反射聚焦到远程物体7的表面，物体7在受到激光照射后会产生等离子体光谱，等离子体光谱经望远镜接收系统由副镜6反射到光纤耦合系统8，之后进入光纤9，最后通过光谱仪对物质元素组成及含量进行光谱探测。由于在这种技术中，望远镜接收系统会产生较大的像差，而后光路系统消像差能力有限，导致激光接收系统的MTF非常低，故该技术无法对远程物体表面几何形态进行成像；其次，由于望远镜接收系统的像差较大，故激光聚焦光斑直径缩小受到限制，目前仅能聚焦到光斑直径为1mm范围以内,激光聚焦光斑无法进一步缩小，这将会使得激光器功率依然较大，进而导致激光器散热系统设计仍然较为复杂。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本专利提供了一种能使激光聚焦光斑聚集在直径更小范围以内，既可以对远程物体的元素组成及含量进行光谱探测，又可以对远程物体表面的几何形态进行显微成像的多功能系统。
为解决现有技术问题和实现上述功能，本专利采用以下技术方案：
激光器1发射出1064nm的激光，经扩束模块2放大后，再由反射镜3和偏置于主镜5和次镜6之间的第一分色片4进入反射式显微系统，之后经像差校正板7聚焦到被测物体8上，被测物体8受到激光照射后产生等离子体光谱，等离子体光谱经主镜5、次镜6及第一分色片4进入耦合透镜组9，通过耦合透镜组9之后到达偏置于耦合透镜组9之后的第二分色片10，第二分色片10将光束分成两路，一路光进入光谱探测模块11进行光谱探测，另一路光进入成像探测器12进行显微成像。
所述像差校正板7被加入反射式显微系统中，且放置于主镜5与被测物体8之间的光路中，其可以大大减小反射式显微系统产生的像差。
所述耦合透镜组9放置于主镜中心孔处，由两片透镜组成，两片透镜材料的阿贝数相差30以上，且两种材料在240nm-1000nm波段的光谱透过率均在90％以上，不仅使得耦合到光谱探测模块11中的光斑变得更小，而且提高了系统的MTF。
所述第一分色片偏置于主镜5与次镜6之间，使得整个系统更加紧凑，第一分色片镀240nm-2400nm的增透膜。
所述第二分色片以45°角偏置于耦合透镜组9之后的系统光轴上，其上镀240-850nm增透膜，使得该波段的光进入光谱探测模块11中；镀900-100nm增透膜，使得该波段的光进入成像探测器12上。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点:
(1)可以在不同距离下对激光进行更好地聚焦，且聚焦光斑直径小于0.5mm，这既保证了被测物体表面能产生高能量、高密度的等离子体，又同时降低了激光器的功率和激光器散热系统设计的难度；
(2)提高了系统的MTF，不仅可以对物体元素组成及含量进行光谱探测，而且同时可以对物体表面的几何形态进行显微成像，实现了LIBS技术的光谱探测与显微成像的双重功能。
附图说明
图1是现有LIBS远程探测的望远聚焦收集系统光学结构示意图；
图2是本发明的LIBS光谱探测及显微成像的多功能系统的光学结构示意图；
其中，1为激光器，2为扩束模块，3为反射镜，4第一为分色片，5为主镜，6为次镜，7为像差校正板，8为被测物体，9为耦合透镜组，10为第二分色片，11为光谱探测模块，12为成像探测器。
具体实施方式
本发明所述的LIBS光谱探测及显微成像的多功能系统，如图2所示，激光器1发射出1064nm的激光，经扩束模块2放大后，再由反射镜3和偏置于主镜5和次镜6之间的第一分色片4进入反射式显微系统，之后经像差校正板7聚焦到被测物体8上，被测物体8受到激光照射后产生等离子体光谱，等离子体光谱经主镜5、次镜6及第一分色片4进入耦合透镜组9，通过耦合透镜组9之后到达偏置于耦合透镜组9之后的第二分色片10，第二分色片10将光束分成两路，一路光进入光谱探测模块11进行光谱探测，另一路光进入成像探测器12进行显微成像。
具体实施方式如下：
激光器1发射出波长为1064nm的一束激光，激光光斑直径为3mm，发散角为1mrad，激光脉冲重复频率为10Hz；
激光器1发射出的激光经扩束模块2后被放大，角放大倍率为0.13，放大后的光斑直径为25mm；
激光经扩束模块2后被反射镜3和第一分色片4反射到显微系统的次镜6上，之后再经主镜5和像差校正板7聚焦到被测物体8上；
被测物体8在受到激光照射后会产生等离子光谱，等离子体光谱经反射式显微系统后进入耦合透镜组9中；
通过耦合透镜组9之后被第二分色片10分成两路光，一路光的光谱范围为240nm-850nm，其透过第二分色片10进入光纤探测模块11中，光纤芯径为600um；另一路光的光谱范围为900nm-1000nm，被第二分色片10反射到成像探测器12上，成像探测器的尺寸大小为1.92mm×1.92mm。
根据光学软件模拟可知，在5m处的激光聚焦光斑足印大小为0.25mm，使得该系统激光聚焦光斑直径在0.5mm范围以内。
对5m处的物体进行光谱探测和显微成像，240nm-850nm光谱经耦合透镜组9后在光斑半径达到270um时，能量集中度达到90％以上，因此光纤探测模块11中采用的光纤芯径为600um；900nm-1000nm光谱经耦合透镜组9后在探测器12(探测器的空间截止频率为16lp/mm)上的MTF曲线可以达到0.8以上，使得该系统具有了光谱探测和显微成像的双重功能。

Claims (9)

1.一种LIBS光谱探测及显微成像的多功能系统，包括：激光器(1)，扩束模块(2)，反射式显微系统，像差校正板(7)，耦合透镜组(9)，光纤探测模块(11)，成像探测器(12),其特征在于：
激光器(1)发射出1064nm的激光，经扩束模块(2)扩束后，由反射镜(3)和偏置于主镜(5)和次镜(6)之间的第一分色片(4)进入反射式显微系统，之后经像差校正板(7)聚焦到被测物体(8)上，被测物体(8)受到激光照射后产生等离子体光谱，等离子体光谱经主镜(5)、次镜(6)及第一分色片(4)进入耦合透镜组(9)，通过耦合透镜组(9)之后到达偏置于耦合透镜组(9)之后的第二分色片(10)，第二分色片(10)将光束分成两路，一路光进入光谱探测模块(11)进行光谱探测，另一路光进入成像探测器(12)进行显微成像。
2.根据权利要求1所述的LIBS光谱探测及显微成像的多功能系统，其特征在于：所述的反射式显微系统由主镜(5)、次镜(6)及像差校正板(7)组成，像差校正板(7)放置于主镜(5)与被测物体(8)之间的光路中，像差校正板(7)为施密特校正板，其中一个表面为高次非球面。
3.根据权利要求1所述的LIBS光谱探测及显微成像的多功能系统，其特征在于：所述的激光器(1)的激光波长为1064nm，出射光斑直径3mm，发散角为1mrad。
4.根据权利要求1所述的LIBS光谱探测及显微成像的多功能系统，其特征在于：所述的扩束模块(2)由两片透镜组成，角放大倍数为0.13。
5.根据权利要求1所述的LIBS光谱探测及显微成像的多功能系统，其特征在于：所述的耦合透镜组(9)由两片透镜组成，两片透镜的阿贝数相差30以上，且两种材料在240nm-1000nm波段的光谱透过率均在90％以上。
6.根据权利要求1所述的LIBS光谱探测及显微成像的多功能系统，其特征在于：所述的第一分色片(4)上镀1064nm反射膜，240nm-1000nm增透膜。
7.根据权利要求1所述的LIBS光谱探测及显微成像的多功能系统，其特征在于：所述的第二分色片(10)上镀900nm-1000nm反射膜，240nm-850nm增透膜。
8.根据权利要求1所述的LIBS光谱探测及显微成像的多功能系统，其特征在于：所述的光纤探测模块(11)中采用的光纤芯径为600um，且分成240nm-340nm、340nm-540nm、540nm-850nm三个波段分别进行光谱探测。
9.根据权利要求1所述的LIBS光谱探测及显微成像的多功能系统，其特征在于：所述的成像探测器(12)的像素大小为64×64，像元尺寸大小为30um。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110031100A (zh) * 2019-04-30 2019-07-19 中国科学院光电研究院 一种多维度短波红外光谱成像检测装置
CN110426836A (zh) * 2019-07-08 2019-11-08 华中科技大学 一种施密特卡塞格林望远镜系统

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