CN110940659A - 基于时空整形的飞秒激光诱导击穿光谱发生与采集系统 - Google Patents

基于时空整形的飞秒激光诱导击穿光谱发生与采集系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于时空整形的飞秒激光诱导击穿光谱发生与采集系统，属于飞秒激光应用技术领域。通过将长焦深的贝塞尔光束经缩束后用于激发材料等离子体，在不调焦的情况下对样品不同高度位置实现相同能量密度的等离子体激发，免去对单点单独调焦的过程，避免了每一次调焦操作中可能存在的人为和机器误差，保障光谱采集的稳定性、可重复性和采集效率。系统可调节锥透镜及缩束透镜组的参数，获得不同聚焦长度的贝塞尔区，根据个性化需求设计适应不同高度变化范围样品的装置。采用飞秒激光贝塞尔光束激发粗糙样品表面的等离子体时，系统中半波片和格兰泰勒棱镜的组合，实现对脉冲能量的连续线性调节，实现在近乎无损的情况下进行样品检测与分析。

Description

基于时空整形的飞秒激光诱导击穿光谱发生与采集系统
技术领域
本发明涉及一种飞秒激光诱导击穿光谱发生与采集系统，属于飞秒激光应用技术领域。
背景技术
激光诱导击穿光谱技术(LIBS)近年来得到了快速发展，主要得益于其操作简单、样品无需制备、可实时在线监测、多元素同时分析等优点，并在环境监测、文化遗产分析和鉴定、生物和医学鉴定以及空间探索等领域得到了广泛应用。它的基本原理是，通过分析样品烧蚀过程中产生的等离子体光，获得其所携带的元素信息，从而对样品中特定成分进行定性、定量检测。
飞秒激光在微纳加工中有热影响区小、空间分辨率高等优势，所以，基于飞秒激光的LIBS技术，可以实现在对材料亚微米级损伤甚至无损的情况下进行元素检测，方便有效。
但是，在实际应用中，需要检测的样品大都是表面高度变化较大的非光滑表面，加之光谱本身又存在一定的波动性，这就给粗糙样品表面的光谱激发和采集造成了困难。如果每次采集光谱过程中都需要单独调焦，那么，光谱发生装置和采集装置都需要调整，且每一次调焦操作中可能存在的人为和机器误差，会给检测带来很多麻烦。因此，发明一种能够自适应样品高度变化的基于飞秒激光的诱导击穿光谱发生/采集系统及方法至关重要。
发明内容
本发明的目的是为了在激光诱导击穿检测过程中，提高粗糙样品表面光谱发生和采集的稳定性、可重复性和采集效率，提出一种基于时空整形的飞秒激光诱导击穿光谱发生与采集系统。
本发明是通过如下技术方案实现的。
一种基于时空整形的飞秒激光诱导击穿光谱发生与采集系统，包括：
飞秒激光加工子系统、脉冲时间整形器、飞秒激光空域整形子系统、光谱采集子系统、成像子系统、计算机控制系统和高精度三维平移台。
其中，所述飞秒激光加工子系统，包括飞秒激光器、电控快门、半波片、格兰泰勒棱镜、衰减盘和反射镜，飞秒激光器产生脉冲激光，沿上述装置依次传播。
所述飞秒激光时域整形器，用于对初始脉冲飞秒激光进行脉冲整形，将单脉冲飞秒激光整形为多脉冲飞秒激光。
所述飞秒激光空域整形子系统，包括用于产生贝塞尔光束的锥透镜和用于缩束的平凸透镜组。其中，锥透镜的锥底角、平凸透镜的焦距参数，根据加工需要选择不同的参数组合，从而实现对不同样品的适应性。
所述光谱采集子系统，包括双胶合消色差透镜组(可由两个双胶合消色差透镜组成)、光纤探头、光谱仪和增强型电荷耦合器件(ICCD)。通过双胶合消色差透镜组，实现对微弱等离子体光的再汇聚，经光纤探头采集传输至光谱仪和增强型电荷耦合器件(ICCD)进行光谱分析。
所述成像子系统，用于实现样品加工过程中微米级加工结果的实时观测。
所述计算机控制系统，用于对飞秒激光脉冲触发、电控快门开关、三维平移台运动、飞秒激光脉冲时间整形器、光谱仪光谱采集和电荷耦合器件(CCD)成像的实时控制。
所述高精度三维平移台，用于放置样品并实现高精度的三维运动。
上述组成系统之间的连接关系为：
飞秒激光加工子系统中的飞秒激光器、电控快门，与计算机控制系统相连。
飞秒激光加工子系统产生的脉冲飞秒激光，传播至飞秒激光时域整形器。
飞秒激光脉冲时间整形器与计算机控制系统相连。
飞秒激光经脉冲时间整形器后，进入空域整形子系统，并向下传播至样品表面。
在样品表面产生的等离子体光，经直线反射后向上反向传播，进入光谱采集子系统，经光纤探头采集后进入光谱仪分析，光谱仪、ICCD与计算机控制系统相连。
样品在照明光源照射下产生的白光同样向上反射，进入CCD实现对加工结果的实时观测。
使用本系统进行实验的方法如下：
步骤一，调节飞秒激光加工子系统光路准直，确定飞秒激光传播方向；
步骤二，经过时域整形的脉冲整形器，将飞秒激光单脉冲整形为多脉冲序列；
步骤三，利用空域整形子系统的锥透镜产生贝塞尔光束，同时加入缩束透镜组，并保证飞秒激光经该子系统后传播方向不变；
步骤四，调节飞秒激光功率和样品位置，使样品表面处于缩束后的贝塞尔区内，并可以激发产生等离子体；
步骤五，设置ICCD的门延时和门宽，调节光谱采集装置与等离子体激发装置的相对位置，使等离子体光聚焦至光谱仪中并得到光谱最大值，此即为光谱采集装置的最佳位置。
有益效果
本发明系统，通过将长焦深的贝塞尔光束经缩束后用于激发材料等离子体，可以在不调焦的情况下对样品不同高度位置实现相同能量密度的等离子体激发，免去了对单点单独调焦的过程，避免了每一次调焦操作中可能存在的人为和机器误差，保障了光谱采集的稳定性、可重复性和采集效率。系统可调节锥透镜及缩束透镜组的参数，进而获得不同聚焦长度的贝塞尔区，进而可根据个性化需求设计适应不同高度变化范围样品的装置。采用飞秒激光贝塞尔光束激发粗糙样品表面的等离子体时，系统中的半波片和格兰泰勒棱镜的组合，可以实现对脉冲能量的连续线性调节，进而实现在近乎无损的情况下进行样品检测与分析。本发明系统，可以简单、快捷地实现对粗糙样品表面的光谱激发和采集，光谱的稳定性、可重复性好，实验操作效率高。
附图说明
图1为本发明的技术方案流程图。
图2为相似条件下贝塞尔光束和高斯光束沿横截面和传播方向的光强分布模拟图。
图3为本发明系统的组成结构图。
其中，1-飞秒激光器，2-第一光阑，3-电控快门，4-半波片，5-格兰棱镜，6-衰减盘，7-第二光阑，8-脉冲时间整形器，9-锥透镜，10-镀膜反射镜，11-第一平凸透镜，12-第二平凸透镜，13-加工样品，14-高精度三维平移台，15-分束镜，16-成像第一平凸透镜，17-成像第二平凸透镜，18-电荷耦合器件(CCD)，19-第一双胶合消色差透镜，20-第二双胶合消色差透镜，21-光纤探头，22-增强型电荷耦合器件(ICCD)，23-光谱仪，24-计算机控制系统，25-照明光源，26-分束镜。
11和12组成飞秒激光空域整形缩束透镜组。16、17、18组成飞秒激光加工成像子系统。19、20、21、22、23组成光谱采集子系统。
具体实施方式
为了更好的理解本发明方法，以下结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步的详细介绍。
一种基于时空整形的飞秒激光诱导击穿光谱发生与采集系统，其技术方案如图1所示。对粗糙样品表面的等离子体进行强度激发，依靠飞秒激光时域整形产生的多脉冲、空域整形系统中锥透镜产生的长焦深的贝塞尔光束，将此光束经缩束透镜组后，聚焦于样品表面。
如图3所示，系统包括飞秒激光加工子系统、脉冲时间整形器、飞秒激光空域整形子系统、光谱采集子系统、成像子系统、计算机控制系统和高精度三维平移台。
飞秒激光加工子系统，用于诱导样品13等离子体发光。包括飞秒激光器1、第一光阑2、电控快门3、半波片4、格兰泰勒棱镜5、衰减盘6、第二光阑7、镀膜反射镜10和样品13。飞秒激光脉冲依次经过上述部件后，到达样品13的表面，激发样品13诱导产生等离子体。其中，利用半波片4和格兰泰勒棱镜5的组合，实现对飞秒激光能量连续线性调节。
脉冲时间整形器8，用于将原始的单脉冲飞秒激光在时域上整形为多个子脉冲，以达到增强飞秒激光诱导等离子体发光强度的目的。脉冲时间整形器8位于第二光阑7的后面。
飞秒激光空域整形子系统，用于把原始的高斯分布的飞秒激光脉冲在空域上整形为贝塞尔光束，使光束具有更长的焦深，来自适应样品13表面的高度变化，而不需对每个点位单独进行调焦后才能进行激发，大大提高了光谱采集的稳定性、可重复性和采集效率。飞秒激光空域整形系统由贝塞尔光束产生、缩束所需透镜组成，包括锥透镜9、第一平凸透镜11和第二平凸透镜12。其中，贝塞尔光束由锥透镜9对原始飞秒激光空域整形获得。第一平凸透镜11和第二平凸透镜12组成飞秒激光空域整形缩束透镜组。
光谱采集子系统，用于采集时空整形后飞秒脉冲激发的等离子体发光的光谱信号。包括分束镜15、第一双胶合消色差透镜19、第二双胶合消色差透镜20、光纤探头21、增强型电荷耦合器件22和光谱仪23。样品13处产生的等离子体光，经飞秒激光空域整形子系统、成像子系统和双胶合消色差透镜后，会聚在光纤探头21处，经由光纤进入光谱仪23和增强型电荷耦合器件22，进行光谱采集与分析。
成像子系统，用于观测样品13的激发区域，包括成像第一平凸透镜16、成像第二平凸透镜17、电荷耦合器件18、照明光源25和分束镜26。其中，照明光源25、分束镜26用于提供成像光源，成像第一平凸透镜16与成像第二平凸透镜用于将图像信息耦合到电荷耦合器件18。
高精度三维平移台14，其运动精度为微米级别，用于承载样品13，精确地控制飞秒激光在样品表面地激发位置。其与成像子系统配合使用，用于样品13表面不同位置的选择性激发。
计算机控制系统24，用于协同控制整个系统的飞秒激光脉冲时域整形、等离子体激发、等离子体光谱采集与分析、激发过程观测以及平移台的移动。
上述组成部件之间的位置及连接关系为：
计算机控制系统24与飞秒激光器1、电控快门3、脉冲时间整形器8、电荷耦合器件18、增强型电荷耦合器件22和光谱仪23相连。
飞秒激光加工子系统产生的脉冲飞秒激光，传播至脉冲时间整形器8。
飞秒激光经脉冲时间整形器8后，进入飞秒激光空域整形子系统，并向下传播至样品13表面。
在样品13表面产生的等离子体光，经直线反射后向上反向传播，进入光谱采集子系统，经光纤探头21采集后进入光谱仪23分析；
样品13在照明光源照射下产生的白光同样向上反射，进入成像子系统中的电荷耦合器件18，实现对加工结果的实时观测。
上述系统的检测过程如下：
步骤1：调节飞秒激光加工子系统，进行光束准直，使光束与样品13所在平面垂直。飞秒激光器1产生的飞秒激光脉冲，依次经过第一光阑2、电控快门3后，入射在半波片4、格兰泰勒棱镜5上，利用半波片4和格兰泰勒棱镜5的组合，实现对飞秒激光能量连续线性调节。
所述衰减盘6由前后两个衰减轮组成，每个衰减轮上装有多个固定比例的衰减片，可以根据需要选择合适的衰减片组合出不同的衰减比例，实现对飞秒激光能量的非线性调节，从而方便的选择不同的能量进行激发。
飞秒激光经过衰减盘6后，照射在第二光阑7上。系统调节时，应保证飞秒激光同时通过第一光阑2、第二光阑7的中心，并经过镀膜反射镜9后，飞秒激光被全部反射并垂直于样品13所在平面，并记录下光斑位置。
步骤2：调节脉冲时间整形器8，将飞秒激光单脉冲整形为多脉冲序列。
步骤3：利用锥透镜9产生贝塞尔光束。飞秒激光经过锥透镜9后，会在样品13所在平面形成环状光束，通过调整锥透镜9的X、Y、Z以及角度，使环形光束的中心与飞秒激光加工子系统最终调节的光斑中心位置重合。
利用第一平凸透镜11、第二平凸透镜12组成的缩束透镜组，得到能量汇聚后的贝塞尔光束，缩束后贝塞尔光束的焦深长度，通过调节锥透镜9的锥底角度数，以及第一平凸透镜11和第二平凸透镜12的焦距，形成不同的空域整形子系统，以此适应样品13不同的表面高度变化幅度。
步骤4：通过调节三维平移台14的位置，使样品13处于缩束后的贝塞尔区内，并能够在样品13表面激发产生等离子体光。
调节完成后，在样品13高度变化范围内，无需再进行单点聚焦。不调焦的情况下对样品13不同高度位置实现相同能量密度的等离子体激发，避免了每一次调焦操作中可能存在的人为和机器误差。
步骤5：照明光源25经过分束镜26、分束镜15、镀膜反射镜10以及缩束透镜组中的第一平凸透镜11、第二平凸透镜12后照射在样品13表面，其发射光沿原路返回至分束镜26后，继续向前传播，经成像子系统的成像第一平凸透镜16、成像第二平凸透镜17后进入电荷耦合器件18中，实现对加工结果的实时观测。
步骤6：在样品13表面产生的等离子体光，依次经第二平凸透镜12、第一平凸透镜11，重新聚焦在第一平凸透镜11的焦点处，呈小白点状。返回至镀膜反射镜10处的等离子体光，透过分束镜15，传递进入光谱采集子系统。此时的等离子体光已经有所发散，需利用光谱采集子系统对等离子体光重新汇聚。
步骤7：发散后的等离子体光，经过第一双胶合消色差透镜19、第二双胶合消色差透镜20后，重新汇聚为小白点。调整光纤探头21的位置，使等离子体光小白点处于其中心点，并保证此时等离子体光斑为最小，即光纤探头21和第二双胶合消色差透镜20之间的距离为透镜的焦距。光纤探头21采集到的等离子光，经光纤进入光谱仪23、增强型电荷耦合器件22，进行LIBS光谱分析。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.基于时空整形的飞秒激光诱导击穿光谱发生与采集系统，其特征在于，包括飞秒激光加工子系统、脉冲时间整形器(8)、飞秒激光空域整形子系统、光谱采集子系统、成像子系统、计算机控制系统(24)和高精度三维平移台(14)；
其中，飞秒激光加工子系统，用于诱导样品(13)等离子体发光；飞秒激光加工子系统包括飞秒激光器(1)、第一光阑(2)、电控快门(3)、半波片(4)、格兰泰勒棱镜(5)、衰减盘(6)、第二光阑(7)、镀膜反射镜(10)；飞秒激光脉冲依次经过上述部件后，到达样品(13)的表面，激发样品(13)诱导产生等离子体；其中，利用半波片(4)和格兰泰勒棱镜(5)的组合，实现对飞秒激光能量连续线性调节；
脉冲时间整形器(8)，用于将原始的单脉冲飞秒激光在时域上整形为多个子脉冲，脉冲时间整形器(8)位于第二光阑(7)的后面；
飞秒激光空域整形子系统，用于把原始的高斯分布的飞秒激光脉冲在空域上整形为贝塞尔光束，使光束具有更长的焦深，来自适应样品(13)表面的高度变化；飞秒激光空域整形系统由贝塞尔光束产生、缩束所需透镜组成，包括锥透镜(9)、第一平凸透镜(11)和第二平凸透镜(12)；其中，贝塞尔光束由锥透镜(9)对原始飞秒激光空域整形获得；第一平凸透镜(11)和第二平凸透镜(12)组成飞秒激光空域整形缩束透镜组；
光谱采集子系统，用于采集时空整形后飞秒脉冲激发的等离子体发光的光谱信号，包括分束镜(15)、第一双胶合消色差透镜(19)、第二双胶合消色差透镜(20)、光纤探头(21)、增强型电荷耦合器件(22)和光谱仪(23)；样品(13)处产生的等离子体光，经飞秒激光空域整形子系统、成像子系统和双胶合消色差透镜后，会聚在光纤探头(21)处，经由光纤进入光谱仪(23)和增强型电荷耦合器件(22)，进行光谱采集与分析；
成像子系统，用于观测样品(13)的激发区域，包括成像第一平凸透镜(16)、成像第二平凸透镜(17)、电荷耦合器件(18)、照明光源(25)和分束镜(26)，其中，照明光源(25)、分束镜(26)用于提供成像光源，成像第一平凸透镜(16)与成像第二平凸透镜(17)用于将图像信息耦合到电荷耦合器件(18)；
高精度三维平移台(14)，其运动精度为微米级别，用于承载样品(13)，精确地控制飞秒激光在样品表面地激发位置，其与成像子系统配合使用，用于样品(13)表面不同位置的选择性激发；
计算机控制系统(24)，用于协同控制整个系统的飞秒激光脉冲时域整形、等离子体激发、等离子体光谱采集与分析、激发过程观测以及平移台的移动；
上述组成部件之间的位置及连接关系为：
计算机控制系统(24)与飞秒激光器(1)、电控快门(3)、脉冲时间整形器(8)、电荷耦合器件(18)、增强型电荷耦合器件(22)和光谱仪(23)相连；
飞秒激光加工子系统产生的脉冲飞秒激光，传播至脉冲时间整形器(8)；
飞秒激光经脉冲时间整形器(8)后，进入飞秒激光空域整形子系统，并向下传播至样品(13)表面；
在样品(13)表面产生的等离子体光，经直线反射后向上反向传播，进入光谱采集子系统，经光纤探头(21)采集后进入光谱仪(23)分析；
样品(13)在照明光源照射下产生的白光同样向上反射，进入成像子系统中的电荷耦合器件(18)，实现对加工结果的实时观测。
2.如权利要求1所述的基于时空整形的飞秒激光诱导击穿光谱发生与采集系统，其特征在于，系统的检测方法如下：
步骤1：调节飞秒激光加工子系统，进行光束准直，使光束与样品(13)所在平面垂直；
飞秒激光器(1)产生的飞秒激光脉冲，依次经过第一光阑(2)、电控快门(3)后，入射在半波片(4)、格兰泰勒棱镜(5)上，利用半波片(4)和格兰泰勒棱镜(5)的组合，实现对飞秒激光能量连续线性调节；
所述衰减盘(6)由前后两个衰减轮组成，实现对飞秒激光能量的非线性调节，从而方便的选择不同的能量进行激发；
飞秒激光经过衰减盘(6)后，照射在第二光阑(7)上；系统调节时，应保证飞秒激光同时通过第一光阑(2)、第二光阑(7)的中心，并经过镀膜反射镜(9)后，飞秒激光被全部反射并垂直于样品(13)所在平面，并记录下光斑位置；
步骤2：调节脉冲时间整形器(8)，将飞秒激光单脉冲整形为多脉冲序列；
步骤3：利用锥透镜(9)产生贝塞尔光束；飞秒激光经过锥透镜(9)后，会在样品(13)所在平面形成环状光束，通过调整锥透镜(9)的X、Y、Z以及角度，使环形光束的中心与飞秒激光加工子系统最终调节的光斑中心位置重合；
利用第一平凸透镜(11)、第二平凸透镜(12)组成的缩束透镜组，得到能量汇聚后的贝塞尔光束，缩束后贝塞尔光束的焦深长度，通过调节锥透镜(9)的锥底角度数，以及第一平凸透镜(11)和第二平凸透镜(12)的焦距，形成不同的空域整形子系统，以此适应样品(13)不同的表面高度变化幅度；
步骤4：通过调节三维平移台(14)的位置，使样品(13)处于缩束后的贝塞尔区内，并能够在样品13表面激发产生等离子体光；
调节完成后，在样品(13)高度变化范围内，无需再进行单点聚焦，不调焦的情况下对样品(13)不同高度位置实现相同能量密度的等离子体激发；
步骤5：照明光源(25)经过分束镜(26)、分束镜(15)、镀膜反射镜(10)以及缩束透镜组中的第一平凸透镜(11)、第二平凸透镜(12)后照射在样品(13)表面，其发射光沿原路返回至分束镜(26)后，继续向前传播，经成像子系统的成像第一平凸透镜(16)、成像第二平凸透镜(17)后进入电荷耦合器件(18)中，实现对加工结果的实时观测；
步骤6：在样品(13)表面产生的等离子体光，依次经第二平凸透镜(12)、第一平凸透镜(11)，重新聚焦在第一平凸透镜(11)的焦点；返回至镀膜反射镜(10)处的等离子体光，透过分束镜(15)，传递进入光谱采集子系统；
步骤7：发散后的等离子体光，经过第一双胶合消色差透镜(19)、第二双胶合消色差透镜(20)后，重新汇聚为小白点；调整光纤探头(21)的位置，使等离子体光小白点处于其中心点，并保证此时等离子体光斑为最小，即光纤探头(21)和第二双胶合消色差透镜(20)之间的距离为透镜的焦距；
光纤探头(21)采集到的等离子光，经光纤进入光谱仪(23)、增强型电荷耦合器件(22)，进行LIBS光谱分析。
3.如权利要求2所述的基于时空整形的飞秒激光诱导击穿光谱发生与采集系统，其特征在于，所述衰减轮上装有多个固定比例的衰减片，根据需要选择合适的衰减片组合出不同的衰减比例。
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