CN108663353A - 振动光路组件及具有该组件的激光诱导击穿光谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种振动光路组件及具有该组件的激光诱导击穿光谱仪，振动光路组件包括光学平台、悬臂、振动发生装置以及光学透镜；悬臂至少包括设于光学平台上的竖臂和设于竖臂上的横臂，竖臂与横臂的至少其中之一为弹性材质；振动发生装置设于悬臂且配置为可调节地产生一第一振动；光学透镜设于悬臂且配置为供光线穿过而形成光斑；第一振动经由悬臂传递至光学透镜而产生一第二振动，光线穿过振动的光学透镜而产生光斑移动现象。本发明利用悬臂将振动发生器产生的振动传递至光学透镜，使光线经光学透镜的光学传递而在被测物质表面形成光斑产生光斑移动现象，其能够增大采样面积和维持稳定的等离子体的生成，使重复度和准确度俱佳的定量分析成为可能。

Description

振动光路组件及具有该组件的激光诱导击穿光谱仪

技术领域

本发明涉及光谱分析技术领域，具体而言，涉及一种振动光路组件及具有该结构的光谱仪。

背景技术

激光诱导击穿光谱(Laser Induced Breakdown Spectroscopy，简称LIBS)是光谱分析领域一种新兴的分析手段。现有的激光诱导击穿光谱仪的原理通常来说，可以概括为基于原子发射光谱的，对被测物质成分进行定性定量分析的分析方法。其中，上述被测物质可以是固态、液态或气态。例如，当被测物质是固态时，一束高能的脉冲激光通过光学方法聚焦到固态的被测物质的表面，将一小部分被测物质气化并剥离其表面，形成等离子体，即等离子态的被测物质。在脉冲激光终止发射后，该等离子态的被测物质迅速冷却，电子在回迁至基态过程中将多余能量以光子形式释放。基于不同原子的发射光子能量不同的原理，上述光子被光谱仪采集后分光成为它们特定的原子发射谱图。该原子发射谱图中不同的特征峰对应特定的波长，而特征峰的大小对应于该元素或者原子的浓度，从而成为进行定性定量分析的基础。

基于上述光谱分析原理，相关领域的技术人员对激光诱导击穿光谱仪的光路设计进行了一些探索和尝试，例如：

在公开号为WO2013083950的PCT国际申请专利中，提出了通过一个可以往复移动的支撑使整个光学平台绕一根转动轴转动的技术方案，以此实现相对于材料表面的水平移动。然而，在其公开的技术方案中，由于光学平台比较沉重，被设置用于推动光学平台的机械结构具有较大的体积，无法实现快速的往复移动，而只能提供给光学平台一个低速且朝向一个方向的平移功能。

在公开号为US7595873的美国专利中，提出了基于一块或者两块转动的反射镜，通过不同的反射角度来移动光斑位置的技术方案。然而，在其公开的技术方案中，受其设计思路所限，反射镜的转动速度比较缓慢，且需要复杂的电机系统进行驱动。

在公开号为US 20140198367的美国专利中，提出了将光学器件固定在一个XY平台上，并通过该平台的平移来移动光斑的技术方案。然而，在其公开的技术方案中，受限于平台的体积和重量，无法实现快速的往复运动。

在公开号为US8436991的美国专利中，提出了基于两块抛物柱面镜的光路设计的技术方案，其中一块可以旋转，以此实现会聚光焦点的移动。该技术方案与公开号为US7595873的专利的技术方案较为相似，区别为反射面由平面改为曲面。因此，反射镜的转动速度依然比较缓慢，且依然需要复杂的电机系统进行驱动。

在公开号US6057947的美国专利中，提出了通过倾斜一个反射镜来移动光路的技术方案。该技术方案与公开号为US7595873和US8436991的两篇专利的技术方案较为相似，也并未克服上述技术方案具有的缺陷，且结构较为复杂。

综上所述，在现有的针对激光诱导击穿光谱仪的光路设计方案中，实现光斑移动所需的机械结构体积较大，移动速率较低，无法实现高频率的往复运动。另外，上述技术方案普遍存在机构复杂，所需的驱动功耗要求较高的缺陷。

因此，在现今激光诱导击穿光谱仪的小型化趋势下，例如小型化的手持式激光诱导击穿光谱仪的光路设计中，现有的相关光路设计方案均无法实现快速往复的光斑移动，且无法适应小型化对机构体积和复杂程度的要求。

发明内容

本发明的一个主要目的在于克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种能够提供快速往复振动且体积较小的振动光路组件。

本发明的另一个主要目的在于克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种具有光斑移动功能且体积较小的激光诱导击穿光谱仪。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

根据本发明的一个方面，提供一种振动光路组件，用于供光线穿过并形成光斑，其中，所述振动光路组件包括光学平台、悬臂、振动发生装置以及光学透镜；所述悬臂至少包括设于所述光学平台上的竖臂和设于所述竖臂上的横臂，所述竖臂与横臂的至少其中之一为弹性材质；所述振动发生装置设于所述悬臂且配置为可调节地产生一第一振动；所述光学透镜设于所述悬臂且配置为供所述光线穿过而形成所述光斑；其中，所述第一振动经由所述悬臂传递至所述光学透镜而产生一第二振动，所述光线穿过振动的所述光学透镜而产生光斑移动现象。

根据本发明的其中一个实施方式，所述竖臂垂直于所述光学平台，所述横臂平行于所述光学平台，所述竖臂的顶部连接于所述横臂的延伸方向上的中部位置，所述振动发生装置和所述光学透镜分别设于所述横臂的临近其两端部的位置，所述横臂为弹性材质。

根据本发明的其中一个实施方式，所述竖臂为弹性材质。

根据本发明的其中一个实施方式，定义所述光线的光线入射方向平行于所述光学平台，所述第一振动和所述第二振动的方向均垂直于所述光学平台且垂直于所述光线入射方向，或者，所述第一振动和所述第二振动的方向均平行于所述光学平台且垂直于所述光线入射方向。

根据本发明的其中一个实施方式，所述竖臂垂直于所述光学平台，所述横臂设于所述竖臂一侧且平行于所述光学平台，定义所述光线的光线入射方向平行于所述光学平台，所述横臂垂直于所述光线入射方向，所述光学透镜设于所述竖臂，所述横臂和所述竖臂为弹性材质。

根据本发明的其中一个实施方式，所述第一振动的方向垂直于所述光学平台且垂直于所述光线入射方向，所述第二振动的方向平行于所述光学平台且垂直于所述光线入射方向。

根据本发明的其中一个实施方式，所述光学透镜设于所述竖臂的顶部。

根据本发明的其中一个实施方式，所述横臂设于所述横臂连接于所述竖臂的高度方向上的中部位置。

根据本发明的其中一个实施方式，所述光学透镜设于所述竖臂的连接有所述横臂的一侧；或者，所述光学透镜设于所述竖臂的连接有所述光学透镜的相反一侧。

根据本发明的其中一个实施方式，所述竖臂的顶部连接于所述横臂的延伸方向上的中部位置，所述振动发生装置和所述光学透镜分别设于所述横臂的临近其两端部的位置；其中，所述横臂与所述光学平台之间具有一倾斜夹角，所述横臂为弹性材质。

根据本发明的其中一个实施方式，所述竖臂为弹性材质。

根据本发明的其中一个实施方式，所述竖臂包括垂直于所述光学平台的第一分臂和第二分臂，所述第一分臂设于所述光学平台，所述第二分臂配置为沿垂直于所述光学平台的方向相对所述第一分臂可调节地升降，所述第二分臂连接于所述横臂的延伸方向上的中部位置，所述振动发生装置和所述光学透镜分别设于所述横臂的临近其两端部的位置，所述横臂为弹性材质。

根据本发明的其中一个实施方式，所述第一分臂设有第一定位结构，所述第二分臂设有与所述第一定位结构配合的第二定位结构，以在所述第二分臂调整至相对于所述第一分臂的不同位置时，将所述第二分臂与所述第一分臂相互定位。

根据本发明的其中一个实施方式，所述第一分臂与所述第二分别可相对转动。

根据本发明的其中一个实施方式，所述横臂具有本体部和连接部，所述连接部连接于所述本体部的延伸方向上的中部位置且向所述第二分臂延伸，所述横臂的所述本体部经由所述连接部连接于所述第二分臂。

根据本发明的其中一个实施方式，所述竖臂设有第三定位结构，所述光学平台上设有多组第四定位结构，以在所述悬臂调整至所述光学平台的不同位置时，将所述竖臂与所述光学平台相互定位。

根据本发明的其中一个实施方式，所述悬臂的所述竖臂和/或所述横臂为簧片。

根据本发明的其中一个实施方式，所述振动发生装置为纽扣式振动发生器。

根据本发明的另一个方面，提供一种激光诱导击穿光谱仪，用于对一被测物质进行光谱分析，其中，所述激光诱导击穿光谱仪包括激光器、所述的振动光路组件、光谱仪以及信号采集组件；所述激光器配置为发出一高能脉冲激光；所述振动光路组件设于所述激光器与所述被测物质之间，以将所述高能脉冲激光聚焦至所述被测物质而形成光斑；所述光谱仪配置为接收所述被测物质被所述高能脉冲激光轰击而产生的光子并进行光谱分析；所述信号采集组件设于所述被测物质与所述光谱仪之间，以将所述光子采集至所述光谱仪。

根据本发明的其中一个实施方式，所述光谱仪设有入射狭缝，所述入射狭缝与所述光斑的位置相互对应，且延伸方向相同。

由上述技术方案可知，本发明提出的振动光路组件及具有该结构的激光诱导击穿光谱仪的优点和积极效果在于：

本发明提供一种振动光路组件，将设置有振动发生装置和光学透镜的悬臂设置在光学平台上，基于弹性材质的特性，利用悬臂将振动发生器产生的振动传递至光学透镜，使光线经由光学透镜的光学传递而在被测物质表面形成光斑产生光斑移动现象。由于该光斑移动现象的产生是基于光学透镜的快速往复振动，其能够增大采样面积和维持稳定的等离子体的生成，同时可以保证光线的焦点始终落在被测物质的表面，维持稳定的等离子体的生成，使重复度和准确度俱佳的定量分析成为可能。另外，由于采用悬臂的至少部分材质为弹性材质而传递振动的设计，无需设置驱动光学平台移动的驱动机构，而使本发明具有较小的体积。

再者，本发明提供一种激光诱导击穿光谱仪，其通过采用本发明提出的振动光路组件，于激光器与被测物质之间形成振动光路，使该激光诱导击穿光谱仪具备光斑移动功能。另外，由于振动光路组件的体积较小，使本发明能够满足光谱设备小型化的设计要求。

进一步地，在本发明的一实施方式中，当采用在其光谱仪设置与光斑的位置相互对应且延伸方向相同的入射狭缝的技术方案时，被测物质的光斑处发出的光子能够最大化地由光谱仪所接收，保证激光诱导击穿光谱仪具有较高的采集效率。

附图说明

通过结合附图考虑以下对本发明的优选实施方式的详细说明，本发明的各种目标、特征和优点将变得更加显而易见。附图仅为本发明的示范性图解，并非一定是按比例绘制。在附图中，同样的附图标记始终表示相同或类似的部件。其中：

图1是根据一示例性实施方式示出的一种振动光路组件的侧视图；

图2是图1示出的振动光路组件的俯视图；

图3是根据另一示例性实施方式示出的一种振动光路组件的侧视图；

图4是图3示出的振动光路组件的俯视图；

图5是根据又一示例性实施方式示出的一种振动光路组件的纵向视图；

图6是图5示出的振动光路组件的俯视图；

图7和图8是根据再一示例性实施方式示出的一种振动光路组件的纵向视图；

图9是LIBS平均信号在有无本该振动光路组件的设计下的对比示意图；

图10是根据再一示例性实施方式示出的一种振动光路组件的侧视图；

图11是基于该振动光路组件的设计下的激光会聚点和被测物质表面结合的一种情况的示意图；

图12是基于该振动光路组件的设计下的激光会聚点和被测物质表面结合的另一种情况的示意图；

图13是基于该振动光路组件的设计下的激光会聚点和被测物质表面结合的又一种情况的示意图；

图14是LIBS平均信号在图11、图12和图13的设计下的对比示意图；

图15是根据再一示例性实施方式示出的一种振动光路组件的立体结构示意图；

图16是基于该振动光路组件的不同实施方式而对应形成的五种扫描图案；

图17是根据一示例性实施方式示出的一种激光诱导击穿光谱仪的模块示意图；

图18是根据另一示例性实施方式示出的一种激光诱导击穿光谱仪的信号采集光路的光路示意图。

其中，附图标记说明如下：

100.振动光路组件；110.振动光路组件；111.光学平台；112.悬臂；1121.竖臂；1122.横臂；113.振动发生装置；114.光学透镜；120.振动光路组件；121.光学平台；122.悬臂；1221.竖臂；1222.横臂；123.振动发生装置；124.光学透镜；130.振动光路组件；131.光学平台；132.悬臂；1321.竖臂；1322.横臂；133.振动发生装置；134.光学透镜；140.振动光路组件；141.光学平台；142.悬臂；1421.竖臂；1422.横臂；143.振动发生装置；144.光学透镜；150.振动光路组件；152.悬臂；1521.竖臂；1522.横臂；153.振动发生装置；154.光学透镜；160.振动光路组件；161.光学平台；162.悬臂；1621.第一套管；1622.第二套管；1623.本体部；1624.连接部；163.振动发生装置；164.光学透镜；200.被测物质；300.激光诱导击穿光谱仪；301.等离子体信号源；310.外壳；311.手柄；312.触发按键；320.激光器；321.激光器驱动电路；330.透镜；340.光纤光谱仪；341.光纤束；342.光谱仪驱动电路；350.系统主板；360.显示屏；370.电池组；430.透镜；440.光谱仪；441.入射狭缝；A.会聚点；B.会聚点；C.会聚点；D.会聚点；E.会聚点；F.会聚点；G.会聚点；F0.入射激光方向；F1.第一振动方向；F2.第二振动方向；L1.距离；L2.距离；P1.扫描图案；P2.扫描图案；P3.扫描图案；P4.扫描图案；P5.扫描图案；S1.信号曲线；S2.信号曲线；S3.信号曲线；S4.信号曲线；S5.信号曲线。

具体实施方式

体现本发明特征与优点的典型实施例将在以下的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的实施例上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及附图在本质上是作说明之用，而非用以限制本发明。

在对本发明的不同示例性实施方式的下面描述中，参照附图进行，所述附图形成本发明的一部分，并且其中以示例方式显示了可实现本发明的多个方面的不同示例性结构、系统和步骤。应理解，可以使用部件、结构、示例性装置、系统和步骤的其他特定方案，并且可在不偏离本发明范围的情况下进行结构和功能性修改。而且，虽然本说明书中可使用术语“端部”、“顶部”、“之间”、“一侧”等来描述本发明的不同示例性特征和元件，但是这些术语用于本文中仅出于方便，例如根据附图中所述的示例的方向。本说明书中的任何内容都不应理解为需要结构的特定三维方向才落入本发明的范围内。

振动光路组件实施方式一

参阅图1，图1中代表性地示出了能够体现本发明的原理的振动光路组件110的侧视图。在该示例性实施方式中，本发明提出的振动光路组件110是以形成光谱仪的激光传递光路为例，进一步地，是以形成激光诱导击穿光谱仪(简称为LIBS光谱仪)的激光器与被测物质之间的激光传递光路为例进行说明的。本领域技术人员容易理解的是，为该振动光路组件110应用于其他类型的光谱仪，而对下述的具体实施方式做出多种改型、添加、替代、删除或其他变化，这些变化仍在本发明提出的振动光路组件110的原理的范围内。

如图1所示，在本实施方式中，本发明提出的振动光路组件110可用于供光线穿过并形成光斑，其主要包括光学平台111、悬臂112、振动发生装置113以及光学透镜114。其中，悬臂112设置在光学平台111上，振动发生装置113和光学透镜114分别设置在悬臂112上，并利用振动发生装置113产生的一第一振动通过悬臂112传递至光学透镜114而使其产生一第二振动，从而使穿过光学透镜114的光线照射在被测物质表面的光斑产生一光斑移动现象。配合参阅图2所示，其代表性地示出了图1所示的振动光路组件110的俯视图。以下结合图1和图2，对本实施方式中振动光路组件110的各主要组成部分及功能进行详细说明。

如图1和图2所示，在本实施方式中，光学平台111可采用现有结构或进行重新配置。为了便于理解和描述，在本实施方式和以下的部分实施方式(未有特殊说明书的实施方式)中，是以光学平台111采用水平布置为基础，而对其他结构的布置方式进行相对应地说明的。然而，本领域技术人员容易理解的时，在光学平台111安装在例如光谱仪的光谱分析设备时，光学平台111的布置方式并不限于水平。并且，在例如某些手持式的光谱仪中，光学平台111也并非限制为与水平方向平行的水平布置。上述水平布置的描述仅是相对的、示例性的说明，并不对本发明的其他实施方式中光学平台的布置构成任何限制。

如图1和图2所示，悬臂112设置在光学平台111上，且悬臂112至少包括设于光学平台111上的竖臂1121和设于竖臂1121上的横臂1122。具体而言，在本实施方式中，竖臂1121与光学平台111相对垂直，横臂1122与光学平台111相对平行。竖臂1121的顶部连接在横臂1122的延伸方向上的中部位置(即非两端的位置，图中示出的为中央位置)，即在本实施方式中的悬臂112大致呈T字型结构。另外，定义光线的入射方向，即入射激光方向F0(亦为光线入射方向)平行于光学平台111，且与横臂1122的延伸方向平行。振动发生装置113和光学透镜114分别设于横臂1122的临近其两端部的位置，即上述两者分别设置在横臂1122的沿入射激光方向F0的两端部。其中，横臂1122和竖臂1121均可采用弹性材质，振动发生装置113能够可调节地产生一第一振动，该第一振动能够经由悬臂112传递至光学透镜114，并使光学透镜114产生一对应的第二振动，从而使入射激光穿过光学透镜114而在被测物质上形成光斑时，由于光学透镜114的振动而产生光斑移动现象，且该光斑移动现象具体表现为光斑快速、高频率地往复移动。

另外，在本实施方式中，悬臂112可采用簧片制成，即竖臂1121与横臂1122均为簧片，以此最大限度地保证振动的传递，尽量减小第一振动传递为第二振动过程中的振幅的衰减。在其他实施方式中，基于本实施方式中悬臂112的大致结构，悬臂112的材质亦可灵活调整。例如，竖臂1121可采用刚性材质，而横臂1122则须采用弹性材质，或者，横臂1122可采用刚性材质，而竖臂1121须采用弹性材质，即，竖臂1121与横臂1122的至少其中之一采用弹性材质，均可保证振动的传递。又如，弹性材质并不限于上述簧片，亦可选择现有的各种弹性材质，并不以此为限。

另外，在本实施方式中，振动发生装置113可以优选为纽扣式振动发生器，该种振动发生器体积较小，能够适应光学分析设备小型化的需求。同时，通过对该纽扣式振动发生器的不同振动频率的设定，可以调节其产生的第一振动的振幅和频率。在其他实施方式中，该纽扣式振动发生器亦可由其他类型的振动发生装置替代，且振动源的设置位置并不限于悬臂112，振动原理亦不限于机械振动原理。例如，可将振动发生装置113的振动源设置在光学平台111，并通过振动传递元件(例如撞针等)将振动源产生的第一振动传递至悬臂112，并通过悬臂112传递至光学透镜114而使其产生第二振动。再如，亦可采用基于电磁起振、声波起振等其他起振原理的振动传递元件而产生第一振动，或通过驱动悬臂112(簧片)使其产生简谐振动或受迫振动等其他振动方式，并不以此为限。

另外，在本实施方式中，光学透镜114的数量为至少一个。并且，当光学透镜114为多个时，多个光学透镜114优选地设置在横臂1122的一端，且多个光学透镜114在横臂1122的延伸方向(即激光入射方向)上为光轴重合且间隔布置。

进一步地，为了避免振动发生装置113与入射激光的入射路径发生干涉，而遮挡入射至光学透镜114的入射激光，在本实施方式中，如图1所示，可将振动发生装置113与光学透镜114设置在横臂1122的相反的两个表面。更进一步地，结合考虑竖臂1121的结构遮挡的可能，本实施方式中是将光学透镜114设置在横臂1122的上表面，而将振动发生装置113设置在横臂1122的下表面。据此，在入射激光方向F0上，除光学透镜114之外并无其他结构，保证了入射激光不被遮挡。

进一步地，为了更加准确地控制振动的传递，可通过调节竖臂1121与横臂1122的相对位置，而实现对第一振动与第二振动的振幅比的调节。即，在本实施方式中，定义竖臂1121与横臂1122连接的位置为参考点，通过调节振动发生装置113和参考点之间的距离L1与光学透镜114和参考点之间的距离L2，即调整竖臂1121连接于横臂1122的位置，能够实现对第一振动与第二振动振幅传递比例的调节。另外需要说明的是，图1和图2中示出的振动发生装置113和光学透镜114仅为示意性的，振动发生装置113的尺寸和振源中心位置与光学透镜114的厚度并不代表上述结构的实际尺寸或位置，在调节第一振动与第二振动的振幅传递比例时，还需考虑上述因素的影响。

再者，如图1和图2所示，在本实施方式中，由于竖臂1121和横臂1122均为簧片的片状结构而具有一宽度，为了减少其对振动传递的影响，竖臂1121的该宽度的方向是垂直于入射激光方向F0且平行于光学平台111，但并不以此为限。

承上所述，基于本实施方式的上述设计，第一振动方向F1为垂直于光学平台111且垂直于入射激光方向F0，第二振动方向F2亦为垂直于光学平台111且垂直于入射激光方向F0。据此，入射激光经由光学透镜114会聚，在被测物质表面而形成移动的光斑，该光斑的扫描图案大致可参考图16中的扫描图案P1。

振动光路组件实施方式二

参阅图3和图4，图3中代表性地示出了能够体现本发明的原理的振动光路组件120另一实施方式的侧视图；图4中代表性地示出了图3所示的振动光路组件120的俯视图。在该示例性实施方式中，本发明提出的振动光路组件120主要包括光学平台121、悬臂122、振动发生装置123以及光学透镜124，且悬臂122主要包括竖臂1221和横臂1222。其中，本实施方式中的振动光路组件120的结构和功能与上述振动光路组件的实施方式大致相同，但区别在于：

如图3和图4所示，在本实施方式中，横臂1222相对于第一实施方式中的横臂1122以自身延伸方向为轴翻转90°，即横臂1222的上、下表面翻转为横臂1222的两侧表面，且竖臂1221顶部的一侧连接于横臂1222的一侧表面的中部位置。其中，第一振动方向F1为平行于光学平台121且垂直于入射激光方向F0，第二振动方向F2亦为平行于光学平台121且垂直于入射激光方向F0。据此，入射激光经由光学透镜124会聚，在被测物质表面而形成移动的光斑，该光斑的扫描图案大致可参考图16中的扫描图案P2。

进一步地，为了避免振动发生装置123与入射激光的入射路径发生干涉，而遮挡入射至光学透镜124的入射激光，在本实施方式中，如图4所示，可将振动发生装置123与光学透镜124设置在横臂1222的相反的两侧表面。更进一步地，结合考虑竖臂1221的结构遮挡的可能，本实施方式中是将光学透镜124设置在横臂1222两侧表面中未连接竖臂1221的一侧表面，而将振动发生装置123设置在横臂1222的连接有竖臂1221的一侧表面。据此，在入射激光方向F0上，除光学透镜124之外并无其他结构，保证了入射激光不被遮挡。

振动光路组件实施方式三

参阅图5和图6，图5中代表性地示出了能够体现本发明的原理的振动光路组件130的另一实施方式的纵向视图；图6中代表性地示出了图5所示的振动光路组件130的俯视图。在该示例性实施方式中，本发明提出的振动光路组件130主要包括光学平台131、悬臂132、振动发生装置133以及光学透镜134，且悬臂132主要包括竖臂1321和横臂1322。其中，本实施方式中的振动光路组件130的结构和功能与上述振动光路组件的实施方式大致相同，但区别在于：

如图5和图6所示，在本实施方式中，竖臂1321垂直于光学平台131，横臂1322设于竖臂1321一侧且优选地连接在竖臂1321的高度方向上的中部位置。定义入射激光方向F0平行于光学平台131，横臂1322的延伸方向平行于光学平台131且垂直于入射激光方向F0。其中，振动发生器设置在横臂1322，光学透镜134设置在竖臂1321的顶部，且横臂1322和竖臂1321均为弹性材质。基于本实施方式的上述设计，第一振动方向F1垂直于光学平台131且垂直于光线入射方向，第二振动方向F2平行于光学平台131且垂直于光线入射方向。据此，入射激光经由光学透镜134会聚，在被测物质表面而形成移动的光斑，该光斑的扫描图案大致可参考图16中的扫描图案P2。

进一步地，为了避免振动发生装置133与入射激光的入射路径发生干涉，而遮挡入射至光学透镜134的入射激光，在本实施方式中，如图5所示，可将振动发生装置133设置在横臂1322的下方，即横臂1322的远离竖臂1321顶部(光学透镜134)的底部位置。据此，在入射激光方向F0上，除光学透镜134之外并无其他结构，保证了入射激光不被遮挡。

振动光路组件实施方式四

参阅图7和图8，图7中代表性地示出了能够体现本发明的原理的振动光路组件140的另一实施方式的纵向视图；图8中代表性地示出了该实施方式中的另一种设计的纵向视图。在该示例性实施方式中，本发明提出的振动光路组件140主要包括光学平台141、悬臂142、振动发生装置143以及光学透镜144，且悬臂142主要包括竖臂1421和横臂1422。其中，本实施方式中的振动光路组件140的结构和功能与上述振动光路组件的第三实施方式大致相同，但区别在于：

如图7和图8所示，在本实施方式中，光学透镜144是设置在临近竖臂1421顶部的一侧位置。如图7所示，在本实施方式中，光学透镜144设置在竖臂1421的临近其顶部的位置，且位于竖臂1421连接有横臂1422的相同侧。或者，如图8所示，光学透镜144还可位于竖臂1421的连接有横臂1422的相反侧。基于上述设计，相比于振动光路组件的第三实施方式，本实施方式可以更大限度地调节振动的振幅和高度，使整个结构更加紧凑。

其中，基于上述对本发明提出的振动光路组件第一、第二、第三和第四实施方式的详细说明，本发明与现有结构的主要区别在于：在现有激光诱导击穿光谱仪的激光传递光路中，如采用会聚透镜固定，其焦点位置不变，随着被测物质表面物质被激光激发而消耗形成冲击坑，其LIBS信号将会随之迅速衰减。参考图9所示，图9中代表性地示出了有无振动光路组件时LIBS平均信号的对比情况。具体而言，参考图9中的信号曲线S1，可知在现有设备不具有振动光路组件的情况下，LIBS的平均信号在一段测试时间内衰减90％左右。同时参考图9中的信号曲线S2，可知采用本发明提出的振动光路组件后，在相同的测试时间里LIBS信号几乎不发生衰减。这是由于通过振动光路组件而产生光斑的移动，不会过快地消耗某个接触点的被测物质而形成冲击坑，保证了光斑与被测物质的新的位置的表面进行充分接触，确保LIBS信号的稳定性。

以上所述的几种实施方式中，光学透镜的光轴方向与入射激光方向F0始终保持平行，以此保证了出射激光的移动只具有垂直于系统光轴的分量，而不具有平行于系统光轴的分量。如将该振动光路组件进行一定旋转，使其与系统光轴呈一定角度，则可产生一个平行于系统光轴方向的振动分量。利用该振动分量，可用于补偿由于被测物质表面不平整而造成光斑在其表面移动时，焦点与被测物质表面无法完全重合的问题。以下，对解决上述问题的具体实施方式进行详细说明。

振动光路组件实施方式五

参阅图10，图10中代表性地示出了能够体现本发明的原理的振动光路组件150的再一实施方式的侧视图。在该示例性实施方式中，本发明提出的振动光路组件150主要包括光学平台、悬臂152、振动发生装置153以及光学透镜154，且悬臂152主要包括竖臂1521和横臂1522。其中，本实施方式中的振动光路组件150的结构和功能与上述振动光路组件的实施方式大致相同，但区别在于：

如图10所示，在本实施方式中，基于竖臂1521的顶部连接于横臂1522的延伸方向上的中部位置，且振动发生装置153和光学透镜154分别设于横臂1522的临近其两端部的位置的设计，横臂1522与光学平台之间具有一倾斜夹角，且横臂1522为弹性材质。具体而言，在本实施方式中，竖臂1521与光学平台之间亦具有一倾斜夹角，且横臂1522与竖臂1521的相对位置关系保持垂直状态，则横臂1522和光学平台之间的倾斜夹角为90°与竖臂1521和光学平台之间的倾斜夹角的差值。在其他实施方式中，亦可采用其他方式实现横臂1522与光学平台之间的倾斜夹角的设计。例如，可保持竖臂1521垂直于光学平台，而使横臂1522与竖臂1521的相对位置具有一倾斜夹角，且该倾斜夹角与90°的差值即为横臂1522与光学平台之间的倾斜夹角。

需要说明的是，上述关于本实施方式的说明仅为示例性的，其仅为在振动发生装置153和光学透镜154均设置在横臂1522的结构基础上进行说明。上述设计的实质可以理解为，当入射激光方向F0平行与光学平台时，通过将横臂1522设计为与光学平台具有倾斜夹角，即横臂1522与入射激光方向F0具有倾斜夹角，而使光学透镜154的入射面与入射激光方向F0的夹角发生变化(将该入射面大致看作一平面，且以该入射面垂直于光学透镜154所在的横臂1522为例，则当横臂1522平行与光学平台时，入射激光方向F0大致垂直于光学透镜154的入射面)，从而调整入射激光方向F0与光学透镜154的入射角度，进而使会聚在被测物质的光斑具有一个垂直于系统光轴方向的分量，该分量可以移动光斑，适于在被测物质的表面为曲面，或者具有一定的不平整度的情况下使用。

另外，基于上述原理，对于振动光路组件的其他结构，例如振动光路组件第三实施方式，此时光学透镜134未与振动发生装置133共同设于横臂1322，而是设置在竖臂1321。为实现上述效果，则可将竖臂1321设置为与光学平台具有一倾斜夹角，而使入射激光方向F0与光学透镜134的入射角度发生变化。或者，在其他实施方式中，以光学透镜设置在横臂为例，还可以将光学透镜倾斜设置，而使其与横臂具有一倾斜夹角，则使入射激光方向F0与光学透镜的入射角度发生变化，而此时仍可保持横臂平行于光学平台，即平行于入射激光方向F0。

承上所述，并配合参考图11至图14，图11中代表性地示出了激光会聚点在被测物质200表面结合的一种情况的示意图。图12中代表性地示出了激光会聚点在被测物质200表面结合的另一种情况的示意图。图13中代表性地示出了激光会聚点在被测物质200表面结合的又一种情况的示意图。

其中，图11示出的状态为较佳的理想情况。即，被测物质200的表面较为平整，基于上述振动光路组件的第一至第四实施方式的设计，聚焦的光斑大致在会聚点A与会聚点B之间往复移动。此时，即使仅有一个在平行于被测物质200表面方向的聚焦光斑的移动，其在会聚点A和会聚点B之间的任意位置也未脱离被测物质200表面。因而采用以上实施方式设计的振动光路组件150，更加适于被测物质200表面较为平整时的光斑会聚。

然而，图12示出的状态为某些特殊情况下，被测物质200的表面为不平整的表面，如仍基于上述振动光路组件的第一至第四实施方式的设计，如果聚焦光斑仅有一个在平行于被测物质200表面方向的移动，则在会聚点C和会聚点D之间会有一处会聚焦点刚好落于被测物质200的表面，而在会聚点C和会聚点D之间的其他位置上，会聚焦点则无法落于被测物质200的表面。因而采用以上实施方式设计的振动光路组件，可能在被测物质200表面不平整的情况下，对光斑会聚效果有一定影响。

图13示出的状态为被测物质200表面与图12中大致相似的状态，但其基于上述振动光路组件的第五实施方式的设计。即，在垂直于被测物质200表面的方向(此时是将不平整的表面近似看作一平面而便于理解，或可理解为平行于系统光轴的方向)上，会聚的光斑也具有一个移动分量时，如会聚点E、会聚点F和会聚点G所共同界定的曲线区域，则能够保证光斑的各会聚点均准确地落于被测物质200的表面。

承上所述，结合图14所示，其分别示出了图11、图12和图13表示的三种情况下的LIBS平均信号的信号曲线。其中，信号曲线S3对应于图11，信号曲线S4对应于图12，信号曲线S5对应于图13。综合图14中的三条信号曲线，可知基于上述第五实施方式所述的振动光路组件150的设计，其受被测物质200表面不平整度的影响较小，特别是被测物质200表面为非平面使，该实施方式提出的振动光路组件150的设计能够进一步保证LIBS平均信号的稳定程度。

振动光路组件实施方式六

参阅图15，图15中代表性地示出了能够体现本发明的原理的振动光路组件160的在一实施方式的立体结构示意图。在本实施方式中，振动光路组件160的结构与上述实施方式大致相同。例如，悬臂162具有竖臂与横臂，竖臂设置在光学平台161上，横臂连接于竖臂，且横臂的两端分别设有振动发生装置163和光学透镜164。然而，基于上述结构，本实施方式的振动光路组件160与上述实施方式具有下述区别：

如图15所示，在本实施方式中，竖臂呈套管式结构，其包括相互套设的第一套管1621和第二套管1622，且横臂具有本体部1623和连接部1624。具体而言，竖臂的第二套管1622部分套设于第一套管1621内，横臂的连接部1624连接于本体部1623的延伸方向上的中部位置且向第二套管1622延伸，横臂的本体部1623经由连接部1624连接于第二套管1622。其中，第二套管1622配置为沿垂直于光学平台161的方向相对第一套管1621可调节地升降，以使横臂及其上设置的振动发生装置163和光学透镜164能够具有在垂直于光学平台161方向上的升降调节功能。同时，可将第一套管1621与第二套管1622设计为可相对转动，则使横臂及其上设置的元件具有在平行于光学平台161方向上的旋转调节功能。另外，上述功能的实现并非限制于本实施方式所说明的技术方案。例如，在其他实施方式中，竖臂为主要包括垂直于(或具有一倾斜夹角)光学平台161的第一分臂和第二分臂(本实施方式的第一套管1621和第二套管1622即分别相当于第一分臂和第二分臂)。其中，第一分臂设于光学平台161，第二分臂配置为沿垂直于光学平台161的方向相对第一套管1621可调节地升降，第二分臂连接于横臂的延伸方向上的中部位置。另外，还可将第一分臂与第二分臂设计为可相对转动的结构。

进一步地，如图15所示，在本实施方式中，竖臂可优选为簧片。另外，竖臂的本体部1623和连接部1624是采用一体结构，且连接部1624是由本体部1623部分弯折而成，但并不以此为限。

进一步地，为了在竖臂的不同高度上对其第一套管1621和第二套管1622进行定位，在本实施方式中，第一套管1621的内壁设有沿其高度方向间隔分布的多组第一定位结构，且第二套管1622的外壁设有与第一定位结构配合的第二定位结构，以在第二套管1622调整至相对于第一套管1621的不同位置时，将第二套管1622与第一套管1621相互定位。在其他实施方式中，当选用区别于第一套管1621和第二套管1622的结构的第一分臂和第二分臂时，第一分臂和第二分臂上亦可分别设有第一定位结构和第二定位结构，以在第二分臂相对于第一分臂升降至不同位置时，对第一分臂和第二分臂进行定位。

另外，在本实施方式中，竖臂具有至少一组第三定位结构，光学平台161上设有多组第四定位结构，以在悬臂162调整至光学平台161的不同位置时，将竖臂与光学平台161相互定位。基于上述结构，可实现竖臂、横臂、振动发生装置163和光学透镜164等结构在光学平台161上的整体移动，为上述结构在光学平台161上设置时提供了更加广泛的自由度。另外，该第三定位结构和第四定位结构的设置和配合关系，亦不限于本实施方式，亦可应用于以上的各实施方式或本说明书中未提及的其他实施方式中，并不以此为限。

承上所述，本实施方式中的各定位结构可采用夹具、卡榫等设计。另外，如在制造过程中确定设计需要，而在产品使用过程中无需调整，则第二套管1622的下部和第一套管1621之间可采用胶水或其他方式粘连。类似地，第一套管1621与光学平台161之间亦可采用其他方式粘连，均不以此为限。另外，为了适应LIBS光谱仪的小型化设计趋势，举例来说，该振动光路组件160的结构简单、体积较小，可设计为例如12mm×12mm×12mm的规格，对应的重量低于5g。

综合上述对本发明提出的振动光路组件的各实施方式的说明，图16示出了基于上述各振动光路组件的不同实施方式而对应形成的五种扫描图案。其中，扫描图案P1可大致对应于第一、第二和第五实施方式的聚焦光斑，扫描图案P2可大指对应于第三和第四实施方式的聚焦光斑，扫描图案P3、扫描图案P4和扫描图案P5则均可对应于第六实施方式在不同情况下的聚焦光斑。

在此应注意，附图中示出而且在本说明书中描述的振动光路组件仅仅是能够采用本发明原理的许多种振动光路组件中的几个示例。应当清楚地理解，本发明的原理绝非仅限于附图中示出或本说明书中描述的振动光路组件的任何细节或振动光路组件的任何部件。

综合上述各实施方式的说明，本发明提出的振动光路组件通过将设置有振动发生装置和光学透镜的悬臂设置在光学平台上，利用具有弹性材质的悬臂将振动发生器产生的振动传递至光学透镜，使光线经由光学透镜的光学传递而在被测物质表面形成光斑产生光斑移动现象。由于该光斑移动现象的产生是基于光学透镜的快速往复振动，其能够增大采样面积和维持稳定的等离子体的生成，同时可以保证光线的焦点始终落在被测物质的表面，维持稳定的等离子体的生成，使重复度和准确度俱佳的定量分析成为可能。另外，由于采用悬臂的至少部分材质为弹性材质而传递振动的设计，无需设置驱动光学平台移动的驱动机构，而使本发明具有较小的体积。

激光诱导击穿光谱仪实施方式一

参阅图17，图17中代表性地示出了能够体现本发明的原理的激光诱导击穿光谱仪300的模块示意图。在该示例性实施方式中，本发明提出的激光诱导击穿光谱仪300是以适应小型化设计趋势的手持式LIBS光谱仪为例进行说明的。本领域技术人员容易理解的是，为将该手持式LIBS光谱仪的设计应用于其他类型的激光诱导击穿光谱仪或其他光谱仪设备，而对下述的具体实施方式做出多种改型、添加、替代、删除或其他变化，这些变化仍在本发明提出的激光诱导击穿光谱仪300的原理的范围内。

如图17所示，在本实施方式中，本发明提出的LIBS光谱仪可用于对一被测物质进行光谱分析。该LIBS光谱仪主要包括激光器、光路组件、光谱仪以及信号采集组件。具体而言，激光器配置为发出一高能脉冲激光，光路组件设于激光器与被测物质之间，以将高能脉冲激光聚焦至被测物质而形成光斑，光谱仪配置为接收被测物质被高能脉冲激光轰击而产生的光子并进行光谱分析，信号采集组件设于被测物质与光谱仪之间，以将光子采集至光谱仪。其中，该LIBS光谱仪的光路组件采用本发明提出的振动光路组件100。即，通过振动光路组件100对高能脉冲激光(以下简称激光)的传递与聚焦，使激光聚焦在被测物质表面而形成的光斑产生光斑移动现象。

进一步地，如图17所示，在本实施方式中，上述LIBS光谱仪的进行光谱分析的光谱仪可以优选为光纤光谱仪。该光纤光谱仪具有一光纤束，以接收光子而供光纤光谱仪进行光谱分析。另外，信号采集组件可包括至少一个透镜(图中示出的为两个透镜组成的透镜组)。在本实施方式中，光子在被测物质表面→透镜→光纤束的传递路径即为信号采集路径。

另外，为了便于阅读和理解，上述对本实施方式的具体说明中并未提及其他相关元件或结构。如图17所示，本发明提出的激光诱导击穿光谱仪300在配置为一手持式LIBS光谱仪时，还可包括具有手柄311和触发按键312的外壳310、带有激光器驱动电路321的激光器320、配置于光纤光谱仪的光谱仪驱动电路342、系统主板350、可具有一触摸功能的显示屏360和电池组370等，以上结构或元件均可采用近似的现有结构或元件，在此不予赘述。

承上所述，本发明提出的激光诱导击穿光谱仪300，其通过采用本发明提出的振动光路组件100，于激光器与被测物质之间形成振动光路，使该激光诱导击穿光谱仪300具备光斑移动功能。另外，由于振动光路组件100的体积较小，使本发明能够满足光谱设备小型化的设计要求，例如适于配置为一手持式LIBS光谱仪或其他小型化设计的光谱仪。

激光诱导击穿光谱仪实施方式二

参阅图18，图18中代表性地示出了能够体现本发明的原理的激光诱导击穿光谱仪300另一实施方式的信号采集光路的光路示意图。在该示例性实施方式中，本发明提出的激光诱导击穿光谱仪300的结构和功能与上述激光诱导击穿光谱仪300的实施方式大致相同，但区别在于：

如图18所示，在本实施方式中，用于光谱分析的光谱仪440并非采用光纤光谱仪340。该光谱仪440的入射端设有入射狭缝441，该入射狭缝441与被测物质200上会聚的光斑的位置相互对应，且延伸方向相同。即，在本实施方式中，光子在被测物质200表面的等离子体信号源301(即光斑)→透镜430→入射狭缝441的传递路径即为信号采集路径，则基于上述设计，去除了原有的光纤束，而形成了一个基于自由空间耦合的信号采集光路。其中，当采用本实施方式提出的技术方案时，被测物质200的光斑发出的光子能够最大化地由光谱仪440所接收，保证激光诱导击穿光谱仪300具有较高的采集效率。

以上详细地描述和/或图示了本发明提出的振动光路组件及具有该结构的激光诱导击穿光谱仪的示例性实施方式。但本发明的实施方式不限于这里所描述的特定实施方式，相反，每个实施方式的组成部分和/或步骤可与这里所描述的其它组成部分和/或步骤独立和分开使用。一个实施方式的每个组成部分和/或每个步骤也可与其它实施方式的其它组成部分和/或步骤结合使用。在介绍这里所描述和/或图示的要素/组成部分/等时，用语“一个”、“一”和“上述”等用以表示存在一个或多个要素/组成部分/等。术语“包含”、“包括”和“具有”用以表示开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等。此外，权利要求书及说明书中的术语“第一”、“第二”、“第三”和“第四”等仅作为标记使用，不是对其对象的数字限制。

虽然已根据不同的特定实施例对本发明提出的振动光路组件及具有该结构的激光诱导击穿光谱仪进行了描述，但本领域技术人员将会认识到可在权利要求的精神和范围内对本发明的实施进行改动。

Claims (20)

1.一种振动光路组件，用于供光线穿过并形成光斑，其特征在于，所述振动光路组件包括：

光学平台；

悬臂，至少包括设于所述光学平台上的竖臂和设于所述竖臂上的横臂，所述竖臂与横臂的至少其中之一为弹性材质；

振动发生装置，设于所述悬臂且配置为可调节地产生一第一振动；以及

光学透镜，设于所述悬臂且配置为供所述光线穿过而形成所述光斑；

其中，所述第一振动经由所述悬臂传递至所述光学透镜而产生一第二振动，所述光线穿过振动的所述光学透镜而产生光斑移动现象。

2.根据权利要求1所述的振动光路组件，其特征在于，所述竖臂垂直于所述光学平台，所述横臂平行于所述光学平台，所述竖臂的顶部连接于所述横臂的延伸方向上的中部位置，所述振动发生装置和所述光学透镜分别设于所述横臂的临近其两端部的位置，所述横臂为弹性材质。

3.根据权利要求2所述的振动光路组件，其特征在于，所述竖臂为弹性材质。

4.根据权利要求2所述的振动光路组件，其特征在于，定义所述光线的光线入射方向平行于所述光学平台，所述第一振动和所述第二振动的方向均垂直于所述光学平台且垂直于所述光线入射方向，或者，所述第一振动和所述第二振动的方向均平行于所述光学平台且垂直于所述光线入射方向。

5.根据权利要求1所述的振动光路组件，其特征在于，所述竖臂垂直于所述光学平台，所述横臂设于所述竖臂一侧且平行于所述光学平台，定义所述光线的光线入射方向平行于所述光学平台，所述横臂垂直于所述光线入射方向，所述光学透镜设于所述竖臂，所述横臂和所述竖臂为弹性材质。

6.根据权利要求5所述的振动光路组件，其特征在于，所述第一振动的方向垂直于所述光学平台且垂直于所述光线入射方向，所述第二振动的方向平行于所述光学平台且垂直于所述光线入射方向。

7.根据权利要求5所述的振动光路组件，其特征在于，所述光学透镜设于所述竖臂的顶部。

8.根据权利要求5所述的振动光路组件，其特征在于，所述横臂设于所述横臂连接于所述竖臂的高度方向上的中部位置。

9.根据权利要求5所述的振动光路组件，其特征在于，所述光学透镜设于所述竖臂的连接有所述横臂的一侧；或者，所述光学透镜设于所述竖臂的连接有所述光学透镜的相反一侧。

10.根据权利要求1所述的振动光路组件，其特征在于，所述竖臂的顶部连接于所述横臂的延伸方向上的中部位置，所述振动发生装置和所述光学透镜分别设于所述横臂的临近其两端部的位置；其中，所述横臂与所述光学平台之间具有一倾斜夹角，所述横臂为弹性材质。

11.根据权利要求10所述的振动光路组件，其特征在于，所述竖臂为弹性材质。

12.根据权利要求1所述的振动光路组件，其特征在于，所述竖臂包括垂直于所述光学平台的第一分臂和第二分臂，所述第一分臂设于所述光学平台，所述第二分臂配置为沿垂直于所述光学平台的方向相对所述第一分臂可调节地升降，所述第二分臂连接于所述横臂的延伸方向上的中部位置，所述振动发生装置和所述光学透镜分别设于所述横臂的临近其两端部的位置，所述横臂为弹性材质。

13.根据权利要求12所述的振动光路组件，其特征在于，所述第一分臂设有第一定位结构，所述第二分臂设有与所述第一定位结构配合的第二定位结构，以在所述第二分臂调整至相对于所述第一分臂的不同位置时，将所述第二分臂与所述第一分臂相互定位。

14.根据权利要求12所述的振动光路组件，所述第一分臂与所述第二分别可相对转动。

15.根据权利要求12所述的振动光路组件，其特征在于，所述横臂具有本体部和连接部，所述连接部连接于所述本体部的延伸方向上的中部位置且向所述第二分臂延伸，所述横臂的所述本体部经由所述连接部连接于所述第二分臂。

16.根据权利要求1～15任一项所述的振动光路组件，其特征在于，所述竖臂设有第三定位结构，所述光学平台上设有多组第四定位结构，以在所述悬臂调整至所述光学平台的不同位置时，将所述竖臂与所述光学平台相互定位。

17.根据权利要求1～15任一项所述的振动光路组件，其特征在于，所述悬臂的所述竖臂和/或所述横臂为簧片。

18.根据权利要求1～15任一项所述的振动光路组件，其特征在于，所述振动发生装置为纽扣式振动发生器。

19.一种激光诱导击穿光谱仪，用于对一被测物质进行光谱分析，其特征在于，所述激光诱导击穿光谱仪包括：

激光器，配置为发出一高能脉冲激光；

权利要求1～18任一项所述的振动光路组件，设于所述激光器与所述被测物质之间，以将所述高能脉冲激光聚焦至所述被测物质而形成光斑；

光谱仪，配置为接收所述被测物质被所述高能脉冲激光轰击而产生的光子并进行光谱分析；以及

信号采集组件，设于所述被测物质与所述光谱仪之间，以将所述光子采集至所述光谱仪。

20.根据权利要求19所述的激光诱导击穿光谱仪，其特征在于，所述光谱仪设有入射狭缝，所述入射狭缝与所述光斑的位置相互对应，且延伸方向相同。