CN108828782A - 用于激光斑点尺寸连续可调高倍聚焦光路系统及调节方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于激光聚焦剥蚀、激发、电离光路系统领域，涉及一种用于激光斑点尺寸连续可调高倍聚焦光路系统，适用于激光光谱仪、激光质谱仪、激光电感耦合等离子体光谱或质谱仪。所述光路系统按光束的传播轨迹顺序包括扩束透镜组、机械光阑、调谐透镜组、高倍聚焦透镜组和窗片；其光学总长度为350～700mm，后截距20～200mm，镜片外径20～25.4mm，聚焦倍数大于25。本发明扩束透镜组对激光进行两倍扩束，利于后续实现高倍聚焦，通过改变调谐透镜组的透镜间距离，固定机械光阑尺寸，可以改变激光的发散角，获得不同激光斑点尺寸；改变机械光阑孔径，固定调谐透镜组的透镜间距离，经详细的理论计算和实际误差修复，获得不同激光斑点尺寸，聚焦光斑可调范围为5μm～600μm。
Description
技术领域
本发明属于激光聚焦剥蚀、激发、电离光路系统领域，具体涉及一种用于激光斑点尺寸连续可调高倍聚焦光路系统及调节方法，适用于激光光谱仪、激光质谱仪、激光电感耦合等离子体光谱或质谱仪。
背景技术
激光聚焦剥蚀技术是指将激光聚焦在样品表面，当激光脉冲的能量密度大于击穿阈值时，即可在样品表面产生熔融、溅射、蒸发同时形成等离子体，一方面，形成的样品蒸汽与细微颗粒由气体载带传输至等离子体中被原子化、离子化，如与电感耦等离子体质谱电感耦等离子体质谱联用，可以对固体样品直接进行整体分析，作为一种功能强大的微区痕量原位分析手段；另一方面，利用光谱仪对样品表面形成的等离子体发射光谱进行分析，以此来识别样品中元素的组成成分，进而可以进行材料的识别、分类、定性以及定量分析。
随着多样化测试需求和应用拓展，为实现分析样品检测的高空间分辨率或者较低空间分辨率状态下的高速分析，对激光斑点尺寸的要求也越来越多样，而现有的激光聚焦系统多为单一的切换机械式光阑来调整改变激光斑点的大小，这就导致了两个突出的问题，首先，机械式光阑是控制进入聚焦镜的激光光束口径大小来改变激光斑点大小，激光斑点尺寸越小，光阑的口径越小，大部分的能量被遮挡浪费；其次，机械式光阑受空间约束，数量有限，则激光斑点可选择的尺寸也就有限，无法满足应用需求；。
发明内容
针对上述技术问题，本发明的目的是提供一种用于激光斑点尺寸连续可调高倍聚焦光路系统及调节方法，解决传统方法利用机械式光阑剥蚀光斑尺寸受限且激发能大量损失的问题。
为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
本发明提供一种用于激光斑点尺寸连续可调高倍聚焦光路系统，设置在入射端面1与聚焦端面11之间，其特征在于：所述光路系统按光束的传播轨迹顺序包括扩束透镜组、机械光阑4、调谐透镜组、高倍聚焦透镜组和窗片10；其中：
所述扩束透镜组有间距可调的两个或更多透镜，能够对激光束直径进行扩大或缩小；
所述调谐透镜组有间距可调的两个或更多透镜，可改变激光的发散角；
机械光阑4的孔径为可调节的；
所述高倍聚焦透镜组安装在能够沿光轴移动的可调平台上。
所述扩束透镜组包括沿光束的传播方向依次设置的第一扩束透镜2和第二扩束透镜3，所述第一扩束透镜2为平凹透镜，平面朝向机械光阑4；所述第二扩束透镜3为平凸透镜，凸面朝向机械光阑4；
所述调谐透镜组包括沿光束的传播方向依次设置的第一调谐透镜5和第二调谐透镜6，所述第一调谐透镜5和第二调谐透镜6均为弯月型透镜，第一调谐透镜5的凸面朝向机械光阑4，第二调谐透镜6的凹面朝向机械光阑4；所述第二调谐透镜6安装可调平台上，能够沿光轴移动；
高倍聚焦透镜组包括沿光束的传播方向依次设置的第一高倍聚焦透镜7、第二高倍聚焦透镜8和第三高倍聚焦透镜9，所述第一高倍聚焦透镜7为弯月形透镜，凹面朝向窗片10，所述第二高倍聚焦透镜8和第三高倍聚焦透镜9均为双凸透镜。
所述第一扩束透镜2和第二扩束透镜3对激光进行两倍扩束。
所述机械光阑4能够实现多个不同孔径光阑切换。
所述窗片10固定在剥蚀池上部，窗片10与聚焦端面11之间的距离为10±2mm，窗片10的激光透过率大于90％，可见光透过率大于50％。
所述第一扩束透镜2、第二扩束透镜3、机械光阑4、第一调谐透镜5、第二调谐透镜6、第一高倍聚焦透镜7、第二高倍聚焦透镜8、第三高倍聚焦透镜9和窗片10均镀有激光防反射膜。
所述第一扩束透镜2、第一调谐透镜5、第一高倍聚焦透镜7、第二高倍聚焦透镜8和第三高倍聚焦透镜9为具有正光焦度的透镜；所述第二扩束透镜3和第二调谐透镜6为具有负光焦度的透镜。
所述光路系统的光学总长度为350mm～700mm，后截距为20～200mm，聚焦倍数大于25，所述第一扩束透镜2、第二扩束透镜3、第一调谐透镜5、第二调谐透镜6、第一高倍聚焦透镜7、第二高倍聚焦透镜8和第三高倍聚焦透镜9的镜片外径为20mm～25.4mm。
所述光路系统的有效焦距f总满足：50mm<f总<70mm；
所述扩束透镜组为无焦系统；
所述调谐透镜组的焦距f调满足：180mm<f调<2000mm；
所述高倍聚焦透镜组的焦距f聚满足：f聚<30mm。
所述光路系统的聚焦光斑调整范围为5μm～600μm。
所述用于激光斑点尺寸连续可调高倍聚焦光路系统进一步包括多组折转反射镜组，每组折转反射镜组均包括两个高功率平面反射镜12，用于将激光进行180°折转和/或空间折转。
所述折转反射镜组包括：第一折转反射镜组、第二折转反射镜组和第三折转反射镜组；
其中，所述第一折转反射镜组设置在入射端面1与第一扩束透镜2之间的光路中，将激光进行180°折转并保证从第二扩束透镜3到机械光阑4之间的光路水平无偏摆；
所述第二折转反射镜组设置在机械光阑4与第一调谐透镜5之间的光路中，将激光进行180°折转；
所述第三折转反射镜组设置在第二调谐透镜6与第一高倍聚焦透镜7之间的光路中，将激光进行空间折转，折转后光轴垂直向下。
使用所述的用于激光斑点尺寸连续可调高倍聚焦光路系统的调节方法，其特征在于：该调节方法采用以下方式的一种或多种：
(1)通过改变扩束透镜组的透镜间距离，对激光束直径进行扩大或缩小，获得不同激光斑点尺寸；
(2)通过改变调谐透镜组的透镜间距离，改变激光的发散角，获得不同激光斑点尺寸；
(3)通过改变机械光阑的孔径，获得不同激光斑点尺寸。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
因此本发明提出使用调谐透镜组对激光发散角进行微调，并配合孔径大小可调的机械光阑的一种光斑调节技术，实现激光斑点尺寸连续可调。本发明通过对光路系统的结构进行合理设计，最终设计了光学总长度为350mm～700mm可调，后截距20mm～200mm可调，聚焦倍数大于25的用于激光斑点连续可调高倍聚焦光路系统，镜片外径可根据实际应用情况调整20mm～25.4mm，方便后续光学装夹机械设计。
通过改变扩束透镜组的透镜间距离，可以对激光进行扩束，增大后续聚焦镜的缩束速度，减小聚焦距离。扩束透镜组对激光进行两倍扩束，利于后续实现高倍聚焦。
通过改变调谐透镜组的透镜间距离，固定机械光阑尺寸，可以改变激光的发散角，获得不同激光斑点尺寸。
改变机械光阑孔径，固定调谐透镜组的透镜间距离，经详细的理论计算和实际误差修复，获得不同激光斑点尺寸，聚焦光斑可调范围为5μm～600μm。
附图说明
图1为本发明用于激光斑点尺寸连续可调高倍聚焦光路系统的结构示意图；
图2是本发明在激光剥蚀进样系统中的应用结构示意图。
其中的附图标记为：
1入射端面 2第一扩束透镜
3第二扩束透镜 4机械光阑
5第一调谐透镜 6第二调谐透镜
7第一高倍聚焦透镜 8第二高倍聚焦透镜
9第三高倍聚焦透镜 10窗片
11聚焦断面 12高功率平面反射镜
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。
如图1所示，本发明的用于激光斑点尺寸连续可调高倍聚焦光路系统，设置在入射端面1与聚焦端面11之间，所述光路系统按光束的传播轨迹顺序包括扩束透镜组、机械光阑4、调谐透镜组、高倍聚焦透镜组和窗片10。
所述扩束透镜组包括沿光束的传播方向依次设置的第一扩束透镜2和第二扩束透镜3，所述第一扩束透镜2为平凹透镜，平面朝向机械光阑4；所述第二扩束透镜3为平凸透镜，凸面朝向机械光阑4。所述第一扩束透镜2和第二扩束透镜3对激光进行两倍扩束，利于后续实现高倍聚焦。
所述机械光阑4可实现多个不同孔径光阑切换。
所述调谐透镜组包括沿光束的传播方向依次设置的第一调谐透镜5和第二调谐透镜6，所述第一调谐透镜5和第二调谐透镜6均为弯月型透镜，第一调谐透镜5的凸面朝向机械光阑4，第二调谐透镜6的凹面朝向机械光阑4。所述第二调谐透镜6安装可调平台上，能够沿光轴移动，进而调节与第一调谐透镜5之间的距离。
所述高倍聚焦透镜组安装在能够沿光轴移动的可调平台上，高倍聚焦透镜组包括沿光束的传播方向依次设置的第一高倍聚焦透镜7、第二高倍聚焦透镜8和第三高倍聚焦透镜9，所述第一高倍聚焦透镜7为弯月形透镜，凹面朝向窗片10，所述第二高倍聚焦透镜8和第三高倍聚焦透镜9均为双凸透镜。
所述窗片10固定在剥蚀池上部，窗片10的激光透过率大于90％，可见光透过率大于50％。
所述窗片10与聚焦端面11之间的距离为10mm。
所述第一扩束透镜2、第二扩束透镜3、机械光阑4、第一调谐透镜5、第二调谐透镜6、第一高倍聚焦透镜7、第二高倍聚焦透镜8、第三高倍聚焦透镜9和窗片10均镀有激光防反射膜。
所述第一扩束透镜2、第一调谐透镜5、第一高倍聚焦透镜7、第二高倍聚焦透镜8和第三高倍聚焦透镜9为具有正光焦度的透镜。
所述第二扩束透镜3和第二调谐透镜6为具有负光焦度的透镜。
所述光路系统的光学总长度为350mm～700mm，后截距为20～200mm，聚焦倍数大于25，所述第一扩束透镜2、第二扩束透镜3、第一调谐透镜5、第二调谐透镜6、第一高倍聚焦透镜7、第二高倍聚焦透镜8和第三高倍聚焦透镜9的镜片外径为20mm～25.4mm
所述光路系统的有效焦距f总满足：50mm<f总<70mm；
所述扩束透镜组为无焦系统；
所述调谐透镜组的焦距f调满足：180mm<f调<2000mm；
所述高倍聚焦透镜组的焦距f聚满足：f聚<30mm；
所述用于激光斑点尺寸连续可调高倍聚焦光路系统进一步包括多组折转反射镜组，每组折转反射镜组均包括两个高功率平面反射镜12，用于将激光进行180°折转和/或空间折转，进而起到节约空间的作用。
如图2所示的一个实施例中，本发明的光路系统分别设置三组折转反射镜组：第一折转反射镜组、第二折转反射镜组和第三折转反射镜组。
其中，所述第一折转反射镜组设置在入射端面1与第一扩束透镜2之间的光路中，将激光进行180°折转并保证从第二扩束透镜3到机械光阑4之间的光路水平无偏摆。
所述第二折转反射镜组设置在机械光阑4与第一调谐透镜5之间的光路中，将激光进行180°折转。
所述第三折转反射镜组设置在第二调谐透镜6与第一高倍聚焦透镜7之间的光路中，将激光进行空间折转，折转后光轴垂直向下。
机械光阑4可实现12个不同孔径光阑切换。
所述第二调谐透镜6安装可调平台上，能够沿光轴移动；所述第一高倍聚焦透镜7、第二高倍聚焦透镜8和第三高倍聚焦透镜9组合在一起安装在升降台上，能够沿光轴移动。
扩束透镜组将光束进行两倍扩束，通过机械光阑4、调谐透镜组和高倍聚焦透镜组后实现可连续变化的聚焦光斑，聚焦光斑可调范围为5μm～600μm。
以本发明用于激光斑点尺寸连续可调高倍聚焦光路系统应用于激光剥蚀进样系统中为例。
其一，只改变第一调谐透镜5与第二调谐透镜6之间的间距的调光斑尺寸模式。
在机械光阑4入射口径为4mm的条件下，通过可调平台沿光轴移动第二调谐透镜6，改变第一调谐透镜5与第二调谐透镜6之间的间距，实现光斑20μm～100μm连续可调。具体地，机械光阑4孔径设置为4mm，第一调谐透镜5与第二调谐透镜6的初始距离为20mm，激光经过光路传输后到达样品表面后的斑点大小约为20μm。机械光阑孔径设置为4mm，第一调谐透镜5与第二调谐透镜6的距离为15mm，激光经过光路传输后到达样品表面后的斑点大小约为100μm。第一调谐透镜5与第二调谐透镜6的距离为15mm～20mm变化，可以实现20μm～100μm的斑点变化。
其二，只改变机械光阑4的孔径的调光斑尺寸模式。
第一调谐透镜5与第二调谐透镜6的间距为20mm，在机械光阑4入射口径为2mm的条件下，激光经过光路传输后到达样品表面后的斑点大小约为10μm，机械光阑4的尺寸可设定以0.5mm为步距1～4mm之间的尺寸，可对第一调谐透镜5与第二调谐透镜6的间距为20mm，在机械光阑4的入射口径为4mm的条件下，对光斑尺寸20μm进行5μm～20μm的细分。
如将本发明应用在激光光谱中，则聚焦光斑可达600μm。
以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍属于本发明的保护范围内。
Claims (13)
1.一种用于激光斑点尺寸连续可调高倍聚焦光路系统，设置在入射端面(1)与聚焦端面(11)之间，其特征在于：所述光路系统按光束的传播轨迹顺序包括扩束透镜组、机械光阑(4)、调谐透镜组、高倍聚焦透镜组和窗片(10)；其中：
所述扩束透镜组有间距可调的两个或更多透镜，能够对激光束直径进行扩大或缩小；
所述调谐透镜组有间距可调的两个或更多透镜，可改变激光的发散角；
机械光阑(4)的孔径为可调节的；
所述高倍聚焦透镜组安装在能够沿光轴移动的可调平台上。
2.根据权利要求1所述的用于激光斑点尺寸连续可调高倍聚焦光路系统，其特征在于：
所述扩束透镜组包括沿光束的传播方向依次设置的第一扩束透镜(2)和第二扩束透镜(3)，所述第一扩束透镜(2)为平凹透镜，平面朝向机械光阑(4)；所述第二扩束透镜(3)为平凸透镜，凸面朝向机械光阑(4)；
所述调谐透镜组包括沿光束的传播方向依次设置的第一调谐透镜(5)和第二调谐透镜(6)，所述第一调谐透镜(5)和第二调谐透镜(6)均为弯月型透镜，第一调谐透镜(5)的凸面朝向机械光阑(4)，第二调谐透镜(6)的凹面朝向机械光阑(4)；所述第二调谐透镜(6)安装可调平台上，能够沿光轴移动；
高倍聚焦透镜组包括沿光束的传播方向依次设置的第一高倍聚焦透镜(7)、第二高倍聚焦透镜(8)和第三高倍聚焦透镜(9)，所述第一高倍聚焦透镜(7)为弯月形透镜，凹面朝向窗片(10)，所述第二高倍聚焦透镜(8)和第三高倍聚焦透镜(9)均为双凸透镜。
3.根据权利要求2所述的用于激光斑点尺寸连续可调高倍聚焦光路系统，其特征在于：所述第一扩束透镜(2)和第二扩束透镜(3)对激光进行两倍扩束。
4.根据权利要求1所述的用于激光斑点尺寸连续可调高倍聚焦光路系统，其特征在于：所述机械光阑(4)能够实现多个不同孔径光阑切换。
5.根据权利要求2所述的用于激光斑点尺寸连续可调高倍聚焦光路系统，其特征在于：所述窗片(10)固定在剥蚀池上部，窗片(10)与聚焦端面(11)之间的距离为10±2mm，窗片(10)的激光透过率大于90％，可见光透过率大于50％。
6.根据权利要求2所述的用于激光斑点尺寸连续可调高倍聚焦光路系统，其特征在于：所述第一扩束透镜(2)、第二扩束透镜(3)、机械光阑(4)、第一调谐透镜(5)、第二调谐透镜(6)、第一高倍聚焦透镜(7)、第二高倍聚焦透镜(8)、第三高倍聚焦透镜(9)和窗片(10)均镀有激光防反射膜。
7.根据权利要求2所述的用于激光斑点尺寸连续可调高倍聚焦光路系统，其特征在于：所述第一扩束透镜(2)、第一调谐透镜(5)、第一高倍聚焦透镜(7)、第二高倍聚焦透镜(8)和第三高倍聚焦透镜(9)为具有正光焦度的透镜；所述第二扩束透镜(3)和第二调谐透镜(6)为具有负光焦度的透镜。
8.根据权利要求1所述的用于激光斑点尺寸连续可调高倍聚焦光路系统，其特征在于：所述光路系统的光学总长度为350mm～700mm，后截距为20mm～200mm，聚焦倍数大于25，所述第一扩束透镜(2)、第二扩束透镜(3)、第一调谐透镜(5)、第二调谐透镜(6)、第一高倍聚焦透镜(7)、第二高倍聚焦透镜(8)和第三高倍聚焦透镜(9)的镜片外径为20mm～25.4mm。
9.根据权利要求1所述的用于激光斑点尺寸连续可调高倍聚焦光路系统，其特征在于：所述光路系统的有效焦距f总满足：50mm<f总<70mm；
所述扩束透镜组为无焦系统；
所述调谐透镜组的焦距f调满足：180mm<f调<2000mm；
所述高倍聚焦透镜组的焦距f聚满足：f聚<30mm。
10.根据权利要求1所述的用于激光斑点尺寸连续可调高倍聚焦光路系统，其特征在于：所述光路系统的聚焦光斑调整范围为5μm～600μm。
11.根据权利要求1-10之一所述的用于激光斑点尺寸连续可调高倍聚焦光路系统，其特征在于：所述用于激光斑点尺寸连续可调高倍聚焦光路系统进一步包括多组折转反射镜组，每组折转反射镜组均包括两个高功率平面反射镜(12)，用于将激光进行180°折转和/或空间折转。
12.根据权利要求11所述的用于激光斑点尺寸连续可调高倍聚焦光路系统，其特征在于：所述折转反射镜组包括：第一折转反射镜组、第二折转反射镜组和第三折转反射镜组；
其中，所述第一折转反射镜组设置在入射端面(1)与第一扩束透镜(2)之间的光路中，将激光进行180°折转并保证从第二扩束透镜(3)到机械光阑(4)之间的光路水平无偏摆；
所述第二折转反射镜组设置在机械光阑(4)与第一调谐透镜(5)之间的光路中，将激光进行180°折转；
所述第三折转反射镜组设置在第二调谐透镜(6)与第一高倍聚焦透镜(7)之间的光路中，将激光进行空间折转，折转后光轴垂直向下。
13.使用权利要求1所述的用于激光斑点尺寸连续可调高倍聚焦光路系统的调节方法，其特征在于：该调节方法采用以下方式的一种或多种：
(1)通过改变扩束透镜组的透镜间距离，对激光束直径进行扩大或缩小，获得不同激光斑点尺寸；
(2)通过改变调谐透镜组的透镜间距离，改变激光的发散角，获得不同激光斑点尺寸；
(3)通过改变机械光阑的孔径，获得不同激光斑点尺寸。
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