CN118310963A - 光谱探测装置及光谱探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光谱测量领域，提供一种光谱探测装置及光谱探测方法。光谱探测装置包括脉冲激光器；激光线反射镜，设置于脉冲激光器的出光路径上以反射脉冲激光器发出的激光；连续激光器，设置于激光线反射镜的下游，连续激光器用于激发激光的拉曼光谱且连续激光器的出射端设置有光束直径控制系统；光路切换系统，设置于连续激光器的下游以对脉冲激光器或连续激光器的光谱收集光路进行切换；聚焦与光谱收集系统，设置于光路切换系统的下游以对脉冲激光器或连续激光器的激光进行聚焦并对脉冲激光器或连续激光器的光谱收集，聚焦与光谱收集系统还用于将脉冲激光器或连续激光器的激光聚焦于待测样品。光谱探测装置可收集光谱信号并对材料成分和结构分析。

Description

光谱探测装置及光谱探测方法

技术领域

本发明涉及光谱测量领域，提供一种光谱探测装置及光谱探测方法。

背景技术

激光诱导击穿光谱(Laser Induced Breakdown Spectroscopy，简称LIBS)是通过激光等离子体对物质元素分析的一种原子发射光谱技术。LIBS技术是利用脉冲聚焦激光在待测样品上烧蚀产生等离子体，通过光学系统收集等离子体辐射过程中原子和离子的发射光谱实现对待测点元素成份和含量定性和定量分析测量的一种方法。

等离子体通常被称为物质的第四态，是由一定数量的带电粒子、电子和中性粒子在磁力及其他相互作用下形成的复杂体系。LIBS技术中通过聚焦激光作用于样品靶烧蚀产生等离子体，样品表面首先会会有一部分物质在热效应的作用下被剥离，其中包括样品的碎片、原子、离子和一部分热电子，这些被剥离的物质会快速吸收激光能量形成等离子体；在激光作用停止后，等离子体继续膨胀，等离子体内部也随时间继续演化，在等离子体——形成初期，等离子体温度高、电子数密度大，等离子体光谱主要以连续谱为主，随着等离子体演化等离子体光谱主要由一些线性特征谱构成。

激光拉曼(Raman)光谱技术是基于拉曼散射效应的一种分子结构表征技术，其信号来源于物质分子的振动或转动能级之间的跃迁，从拉曼光谱中可以得到样品的化学成分和分子结构信息。拉曼光谱技术具有非破坏性、高分辨率、高灵敏度、无需样品准备等优点，广泛应用于化学、物理学、生物医学和材料学等各个领域。

在激光与物质相互作用时，入射激光中有一小部分被样品分子散射，其余的被样品反射、吸收或透射。在散射光中，大部分的光子与物质分子没有发生能量交换，光子频率也没有发生变化，光子仅改变了运动的方向；一少部分光子与物质分子相互作用时即改变了运动方向，又改变了光子的转动或振动能量，使散射光的频率发生了变化；拉曼光谱就是通过测量散射光和入射光的频率之差，即拉曼位移(Raman shift)，来确定物质分子的振动和转动状态，从而获取关于样品分子结构、对称性、动力学等方面的信息，以达到对待测样品实现指纹识别的目的。

LIBS光谱数据在经过处理后，可以实现对待测物质在原子范围内的定性和定量分析，但是对于一些元素组成相同但分子结构不同的物质，LIBS光谱无法准确分辨。拉曼光谱是一种分子光谱技术，通过分析拉曼光谱数据的信息，可以对待测物质分子结构进行识别和指认，但是由于拉曼光谱本身强度较弱，而荧光背景过强，拉曼光谱技术在很多情况下无法快速准确识别。

激光诱导击穿光谱技术和激光拉曼光谱技术在元素检测方面都具有相似的技术特点和优势，如分析操作快速简便、无需样品制备和对样品破坏极小，都可以准确原位的进行快速无损分析等，在实际装置搭建中，激光诱导击穿光谱和激光拉曼光谱也都是由激光器触发、由外光路聚焦激光和收集信号、由光谱仪接收光谱、由计算机分析数据，所以无论在元素数据分析层面还是在结构复用层面，激光诱导击穿光谱技术和激光拉曼技术的联用都可以起到相互取长补短的效果，在元素分析领域具有巨大的发展前景。

目前在大多数使用环境下，激光诱导击穿光谱技术和激光拉曼技术的联用都是数据方面的联用，而在结构上的联用并不完善，需要在LIBS装置中测量完激光诱导击穿光谱数据后再将样品转移到激光拉曼光谱装置的样品台上，并通过显微系统定位激光诱导击穿光谱系统检测时留下的烧蚀坑，检测拉曼光谱时由于脉冲激光留下的烧蚀坑，也无法在原来位置上进行同点联测。这种检测方式不仅占用大量的空间来放置激光诱导击穿光谱检测装置和激光拉曼检测装置，转移样品后寻找烧蚀坑再检测的过程也会耗费大量时间，而且无法同点联测也会影响探测结果的准确性，增加了激光诱导击穿光谱与激光拉曼光谱联用技术的时间成本、空间成本和经济成本。

发明内容

本发明旨在至少解决相关技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种光谱探测装置，能够将传统激光诱导击穿光谱系统与激光拉曼光谱系统通过复用同一条主光路，由原本两套独立的检测系统集成为一套结构更加紧凑的检测系统，增加了该联用系统的空间利用率，便于与其他装置的集成使用。

本发明实施例还提供一种光谱检测方法。

本发明第一方面实施例提供一种光谱探测装置，包括：

脉冲激光器；

激光线反射镜，设置于所述脉冲激光器的出光路径上以反射所述脉冲激光器发出的激光；

连续激光器，设置于所述激光线反射镜的下游，所述连续激光器用于激发激光的拉曼光谱且所述连续激光器的出射端设置有光束直径控制系统；

光路切换系统，设置于所述连续激光器的下游以对所述脉冲激光器或所述连续激光器的光谱收集光路进行切换；

聚焦与光谱收集系统，设置于所述光路切换系统的下游以对所述脉冲激光器或所述连续激光器的激光进行聚焦并对所述脉冲激光器或所述连续激光器的光谱收集，所述聚焦与光谱收集系统还用于将所述脉冲激光器或所述连续激光器的激光聚焦于待测样品。

根据本发明第一方面实施例提供的光谱探测装置，通过整合脉冲激光器、连续激光器以及中阶梯光栅光谱仪和C-T型光谱仪，并结合光路切换系统，实现了激光诱导击穿光谱(LIBS)和激光拉曼光谱(Raman)的集成化探测。这种设计使得装置能够同时或分别进行LIBS和Raman光谱的探测，提高了检测效率和灵活性。在连续激光器的出射端设置了光束直径控制系统，可以精确控制激光光束的直径，从而实现对不同尺寸烧蚀坑的层位分析。这种控制功能增强了探测的精确性和适用性。通过光路切换系统，可以方便地切换脉冲激光器和连续激光器的光谱收集光路，实现LIBS和Raman光谱的快速切换探测，既保证了探测的连续性和稳定性，又提高了探测的效率和准确性。该系统不仅能够实现对激光的精确聚焦，确保激光能量有效作用于待测样品，还能够高效收集LIBS和Raman光谱信号，为后续的分析处理提供高质量的数据。由此，本发明实施例提供提供的光谱探测装置通过集成化设计、光束直径控制、光路切换以及聚焦与光谱收集等功能，实现了LIBS和Raman光谱的高效、精确探测，适用于各种材料的成分和结构分析，具有广泛的应用前景。

根据本发明的一个实施例，还包括超景深相机、成像光学组件以及第一分束立方，所述第一分束立方位于所述脉冲激光器和所述连续激光器的出光路径上且所述成像光学组件位于所述超景深相机和所述第一分束立方之间。

根据本发明的一个实施例，所述光束直径控制系统与所述脉冲激光器和所述连续激光器的出光路径之间设置有第二分束立方。

根据本发明的一个实施例，所述光束直径控制系统包括：

快门，设置于所述连续激光器的出射端；

扩束准直器，设置于所述快门的下游；

可变光阑，设置于所述扩束准直器的下游。

根据本发明的一个实施例，还包括准直激光器，所述准直激光器位于所述连续激光器和所述脉冲激光器之间。

根据本发明的一个实施例，所述聚焦与光谱收集系统包括：

显微物镜，设置于所述光路切换系统的下游；

焦平面，设置于所述显微物镜的下游，准直激光、连续激光以及脉冲激光以共轴的方式作用于所述焦平面。

根据本发明的一个实施例，所述光路切换系统包括：

移动反射镜，设置于所述连续激光器的下游且所述移动反射镜可在第一位置和第二位置之间切换；

第一聚焦凸透镜，设置于所述移动反射镜的一侧；

第一光纤法兰，与所述第一聚焦凸透镜共光轴设置且所述第一光纤法兰设置于所述第一聚焦凸透镜的下游；

陷波滤光片，设置于所述连续激光器的出光路径上；

第二聚焦凸透镜，设置于所述陷波滤光片背离移动反射镜的一侧；

第二光纤法兰，与所述第二聚焦凸透镜共光轴设置且所述第二光纤法兰设置于所述第二聚焦凸透镜的下游；

在所述第一位置，所述连续激光器的光线经过所述移动反射镜入射所述第一聚焦凸透镜，在所述第二位置，所述连续激光器的光线经过所述移动反射镜入射所述第二聚焦凸透镜。

根据本发明的一个实施例，所述光路切换系统上设置有中阶梯光栅光谱仪和C-T型光谱仪。

根据本发明的一个实施例，所述脉冲激光器与所述激光线反射镜之间还设置有激光能量衰减器。

本发明第二方面实施例提供一种如上述的光谱探测装置的光谱探测方法，包括：

使显微物镜的焦平面与待测样品表面重合，打开准直激光器，通过超景深相机成像画面中的激光点确定所述待测样品的待测位置；

关闭所述准直激光器，控制所述光路切换系统以切换至所述连续激光器的光谱收集光路，并打开所述连续激光器；

通过所述光束直径控制系统调整所述连续激光器的光斑大小；

使用所述连续激光器照射所述待测样品的表面，收集拉曼散射光以得到所述待测样品的分子结构和化学成分；

控制所述光路切换系统以切换至所述脉冲激光器的光谱收集光路，并打开所述脉冲激光器；

再次收集拉曼散射光以得到所述待测样品的分子结构和化学成分。

本发明第二方面实施例提供的光谱探测方法，采用上述的光谱探测装置进行探测，通过准直激光器和超景深相机的配合，能够精确地确定待测样品的待测位置，确保探测的准确性和可靠性。通过控制光路切换系统，可以方便地切换至连续激光器或脉冲激光器的光谱收集光路，实现LIBS和Raman光谱的连续或分别探测，提高了探测的效率和灵活性。利用光束直径控制系统，可以根据需要调整连续激光器的光斑大小，以适应不同尺寸烧蚀坑的层位分析，增强了探测的精确性和适用性。通过收集拉曼散射光，可以同时得到待测样品的分子结构和化学成分信息，为材料分析提供了全面的数据支持。由此，本发明提供的光谱探测方法通过高精度定位、灵活的光路切换、光束直径可调以及综合探测分析等技术手段，实现了LIBS和Raman光谱的高效、精确探测，为材料分析提供了有力的工具。

本发明实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果之一：

根据本发明第一方面实施例提供的光谱探测装置，通过整合脉冲激光器和连续激光器，并结合光路切换系统，实现了激光诱导击穿光谱(LIBS)和激光拉曼光谱(Raman)的集成化探测。这种设计使得装置能够同时或分别进行LIBS和Raman光谱的探测，提高了检测效率和灵活性。在连续激光器的出射端设置了光束直径控制系统，可以精确控制激光光束的直径，从而实现对不同尺寸烧蚀坑的层位分析。这种控制功能增强了探测的精确性和适用性。通过光路切换系统，可以方便地切换脉冲激光器和连续激光器的光谱收集光路，实现LIBS和Raman光谱的快速切换探测，既保证了探测的连续性和稳定性，又提高了探测的效率和准确性。该系统不仅能够实现对激光的精确聚焦，确保激光能量有效作用于待测样品，还能够高效收集LIBS和Raman光谱信号，为后续的分析处理提供高质量的数据。由此，本发明实施例提供提供的光谱探测装置通过集成化设计、光束直径控制、光路切换以及聚焦与光谱收集等功能，实现了LIBS和Raman光谱的高效、精确探测，适用于各种材料的成分和结构分析，具有广泛的应用前景。

进一步地，本发明第二方面实施例提供的光谱探测方法，采用上述的光谱探测装置进行探测，通过准直激光器和超景深相机的配合，能够精确地确定待测样品的待测位置，确保探测的准确性和可靠性。通过控制光路切换系统，可以方便地切换至连续激光器或脉冲激光器的光谱收集光路，实现LIBS和Raman光谱的连续或分别探测，提高了探测的效率和灵活性。利用光束直径控制系统，可以根据需要调整连续激光器的光斑大小，以适应不同尺寸烧蚀坑的层位分析，增强了探测的精确性和适用性。通过收集拉曼散射光，可以同时得到待测样品的分子结构和化学成分信息，为材料分析提供了全面的数据支持。由此，本发明提供的光谱探测方法通过高精度定位、灵活的光路切换、光束直径可调以及综合探测分析等技术手段，实现了LIBS和Raman光谱的高效、精确探测，为材料分析提供了有力的工具。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的光谱探测装置的示意性结构图；

图2是本发明实施例提供的光束直径控制系统的示意性结构图；

图3是本发明实施例提供的脉冲激光、连续激光与准直激光在焦平面的作用范围示意图；

图4是本发明实施例提供的光路切换系统中移动反射镜处于第一位置的状态示意图；

图5是本发明实施例提供的光路切换系统中移动反射镜处于第二位置的状态示意图；

图6是本发明实施例提供的聚焦与光谱收集系统聚焦脉冲激光时的光路及聚焦光斑模拟图；

图7是本发明实施例提供的聚焦与光谱收集系统聚焦连续激光时的光路及聚焦光斑模拟图。

附图标记：

100、脉冲激光器；102、激光线反射镜；104、连续激光器；106、光束直径控制系统；108、光路切换系统；110、聚焦与光谱收集系统；112、超景深相机；114、成像光学组件；116、第一分束立方；118、第二分束立方；120、快门；122、扩束准直器；124、可变光阑；126、准直激光器；128、显微物镜；130、焦平面；132、移动反射镜；134、第一聚焦凸透镜；136、第一光纤法兰；138、陷波滤光片；140、第二聚焦凸透镜；142、第二光纤法兰；144、中阶梯光栅光谱仪；146、C-T型光谱仪；148、激光能量衰减器；150、准直激光束；152、连续激光束；154、脉冲激光束；156、准直光斑；158、连续光斑；160、脉冲光斑；162、待测样品。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

如图1至图7所示，本发明第一方面实施例提供一种光谱探测装置，包括：

脉冲激光器100；

激光线反射镜102，设置于脉冲激光器100的出光路径上以反射脉冲激光器100发出的激光；

连续激光器104，设置于激光线反射镜102的下游，连续激光器104用于激发激光的拉曼光谱且连续激光器104的出射端设置有光束直径控制系统106；

聚焦与光谱收集系统110，设置于光路切换系统108的下游以对脉冲激光器100或连续激光器104的激光进行聚焦并对脉冲激光器100或连续激光器的光谱收集，聚焦与光谱收集系统110还用于将脉冲激光器100或连续激光器104的激光聚焦于待测样品162；

光路切换系统108，设置于连续激光器104的下游以对脉冲激光器100和连续激光器104的光谱收集光路进行切换。

根据本发明第一方面实施例提供的光谱探测装置，通过整合脉冲激光器100、连续激光器104以及中阶梯光栅光谱仪以及C-T型光谱仪，并结合光路切换系统108，实现了激光诱导击穿光谱(LIBS)和激光拉曼光谱(Raman)的集成化探测。这种设计使得装置能够同时或分别进行LIBS和Raman光谱的探测，提高了检测效率和灵活性。在连续激光器104的出射端设置了光束直径控制系统106，可以精确控制激光光束的直径，从而实现对不同尺寸烧蚀坑的层位分析。这种控制功能增强了探测的精确性和适用性。通过光路切换系统108，可以方便地切换脉冲激光器100和连续激光器104的光谱收集光路，实现LIBS和Raman光谱的快速切换探测，既保证了探测的连续性和稳定性，又提高了探测的效率和准确性。该系统不仅能够实现对激光的精确聚焦，确保激光能量有效作用于待测样品162，还能够高效收集LIBS和Raman光谱信号，为后续的分析处理提供高质量的数据。由此，本发明实施例提供提供的光谱探测装置通过集成化设计、光束直径控制、光路切换以及聚焦与光谱收集等功能，实现了LIBS和Raman光谱的高效、精确探测，适用于各种材料的成分和结构分析，具有广泛的应用前景。

请继续参见图1至图7，本发明第一方面实施例提供一种光谱探测装置，该装置结合了脉冲激光器100和连续激光器104的功能，以实现对样品的综合光谱探测。光谱探测装置主要由脉冲激光器100、激光线反射镜102、连续激光器104、光束直径控制系统106、光路切换系统108以及聚焦与光谱收集系统110几部分组成。

脉冲激光器100是产生脉冲激光的源头，脉冲激光具有高峰值功率和短脉冲宽度的特点，适用于激光诱导击穿光谱(LIBS)分析，通过在样品表面形成烧蚀坑，激发出等离子体光谱，进而分析样品的成分。

在脉冲激光器100的出光路径上设置了激光线反射镜102，用于反射脉冲激光器100发出的激光，确保激光能够准确地传播到后续的光学部件中。

连续激光器104位于激光线反射镜102的下游，用于产生连续的激光束以激发激光的拉曼光谱。连续激光的特点是输出稳定、光束质量好，适合用于激光拉曼光谱分析，通过检测与入射光频率不同的散射光来获取样品的分子振动和转动信息。

连续激光器104的出射端还设置了光束直径控制系统106，这是一个关键的部件，用于精确控制连续激光器104的光斑大小。通过调整光束直径，可以适应不同尺寸的烧蚀坑，确保激光能量能够有效地作用于样品表面，从而提高光谱探测的精度和可靠性。

光路切换系统108位于连续激光器104的下游，它的主要作用是切换脉冲激光器100和连续激光器104的光谱收集光路。通过控制光路切换系统108，可以选择性地让脉冲激光或连续激光照射到待测样品162上，实现LIBS和Raman光谱的交替或同时探测。

聚焦与光谱收集系统110位于光路切换系统108的下游，负责将脉冲激光器100或连续激光器104的激光聚焦于待测样品162上，并收集产生的光谱信号。该系统通常包括显微物镜128、光谱仪等部件，能够实现对激光的精确聚焦和光谱信号的高效收集。

综上所述，本发明提供的光谱探测装置通过集成脉冲激光器100和连续激光器104，并结合光路切换系统108和聚焦与光谱收集系统110，实现了LIBS和Raman光谱的综合探测。该装置具有结构紧凑、功能全面、操作灵活的特点，适用于各种材料的成分和结构分析。

根据本发明的一个实施例，还包括超景深相机112、成像光学组件114以及第一分束立方116，第一分束立方116位于脉冲激光器100和连续激光器104的出光路径上且成像光学组件114位于超景深相机112和第一分束立方116之间。

在本发明的一个实施例中，光谱探测装置还包括超景深相机112、成像光学组件114以及第一分束立方116。这些部件的引入进一步提升了装置的探测能力和使用便捷性。

具体来说，第一分束立方116位于脉冲激光器100和连续激光器104的出光路径上，它起到将透射脉冲激光与反射连续激光，从而实现脉冲激光与连续激光通过同一光学路径传播。这样，脉冲激光器100和连续激光器104产生的激光可以通过同一光学路径传播，减少了装置的复杂性和体积。

成像光学组件114位于超景深相机112和第一分束立方116之间。成像光学组件114的作用是将通过第一分束立方116反射的激光束引导至超景深相机112，确保超景深相机112能够清晰地观察到待测样品162的表面。超景深相机112则通过成像光学组件114捕获的图像，为操作人员提供实时的视觉反馈，便于观察和定位待测样品162的特定区域。

通过结合超景深相机112、成像光学组件114和第一分束立方116，本发明的光谱探测装置能够实现激光束的精确引导和样品的可视化定位。操作人员可以根据超景深相机112提供的图像，快速、准确地确定待测位置，进而进行后续的LIBS或Raman光谱探测。这种设计不仅提高了探测的效率和准确性，还降低了操作难度，使得装置更加易于使用和维护。

通过引入超景深相机112、成像光学组件114和第一分束立方116，本发明的光谱探测装置在保持高性能探测能力的同时，进一步提升了使用便捷性和操作效率。

根据本发明的一个实施例，光束直径控制系统106与脉冲激光器100和连续激光器104的出光路径之间设置有第二分束立方118。

在本发明的一个实施例中，光束直径控制系统106与脉冲激光器100和连续激光器104的出光路径之间设置了第二分束立方118。这一设计使得光束直径控制系统106能够灵活地调节连续激光器104的光束直径，同时不影响脉冲激光器100的正常出光。

具体来说，第二分束立方118位于光束直径控制系统106和脉冲激光器100、连续激光器104的出光路径之间。它的主要作用是透射激光，并将样品表面的画面反射给超景深相机112。在连续激光器104的路径上，通过光束直径控制系统106可以精确控制光斑的大小，以满足不同探测需求。而在脉冲激光器100的路径上，激光束则不经过光束直径控制系统106，直接传播至后续的光学部件。

这种设计的好处在于，它实现了光束直径控制系统106与脉冲激光器100和连续激光器104的独立控制。在需要进行LIBS探测时，脉冲激光器100发出的激光束不会受到光束直径控制系统106的影响，保证了LIBS探测的稳定性和准确性。而在进行Raman光谱探测时，通过调节光束直径控制系统106，可以实现对连续激光器104光斑大小的精确控制，从而优化Raman光谱探测的效果。

通过设置第二分束立方118，提高了探测的灵活性和精度。这一改进使得装置更加适用于复杂多变的探测场景，提升了整体性能。

根据本发明的一个实施例，光束直径控制系统106包括：

快门120，设置于连续激光器104的出射端；

扩束准直器122，设置于快门120的下游；

可变光阑124，设置于扩束准直器122的下游。

如图2所示，在本发明的一个实施例中，光束直径控制系统106包括快门120、扩束准直器122和可变光阑124，这些部件共同实现对连续激光器104光束直径的精确控制。

快门120设置于连续激光器104的出射端，它起到控制激光束通断的作用。通过控制快门120的开关状态，可以灵活地调节激光束的输出时间和频率，从而适应不同的探测需求。

扩束准直器122位于快门120的下游，它的主要作用是对激光束进行扩束和准直。扩束准直器122通过改变激光束的发散角，使其变得更加平行和均匀，从而提高激光束的质量和稳定性。这对于后续的聚焦和光谱收集至关重要。

可变光阑124设置于扩束准直器122的下游，它是一种可以调节光阑口径大小的装置。通过调整可变光阑124的口径，可以精确地控制激光束的光斑大小。这一功能使得装置能够适应不同尺寸的烧蚀坑，实现对样品不同区域的层位分析。

通过快门120、扩束准直器122和可变光阑124的协同作用，光束直径控制系统106能够实现对连续激光器104光束直径的精确控制。这种设计不仅提高了光谱探测的精度和可靠性，还增强了装置的灵活性和适用性。通过调节光束直径，可以优化激光与样品的相互作用过程，从而获得更加准确和丰富的光谱信息。

根据本发明的一个实施例，还包括准直激光器126，准直激光器126位于连续激光器104和脉冲激光器100之间。

如图1所示，在本发明的一个实施例中，光谱探测装置还包括准直激光器126，它位于连续激光器104和脉冲激光器100之间。这一设计进一步增强了装置的定位和校准功能，提高了探测的准确性和可靠性。

准直激光器126主要用于发射一条准直的激光束，作为参考线或定位线，帮助操作人员确定待测样品162的位置和角度。通过将准直激光器126的激光束投射到待测样品162表面，操作人员可以清晰地看到激光束的落点，从而准确地定位需要探测的区域。

在探测过程中，操作人员可以根据准直激光器126的激光束调整待测样品162的位置或角度，确保激光束能够准确地照射到目标区域。这一功能在对待测样品162进行精确探测时尤为重要，特别是在需要对样品的特定位置进行LIBS或Raman光谱探测时。

通过将准直激光器126集成到光谱探测装置中，本发明的实施例不仅简化了操作步骤，还提高了探测的效率和精度。操作人员无需使用额外的定位工具，即可快速、准确地完成待测样品162的定位和校准工作。

本发明的光谱探测装置通过引入准直激光器126，实现了对待测样品162的精确定位和校准功能，进一步提升了装置的探测性能和使用便捷性。这一改进使得装置更加适用于各种复杂和精细的探测任务，为科研和工业生产领域提供了有力的技术支持。

根据本发明的一个实施例，聚焦与光谱收集系统110包括：

显微物镜128，设置于光路切换系统108的下游；

焦平面130，设置于显微物镜128的下游，准直激光、连续激光以及脉冲激光以共轴的方式作用于焦平面130。

如图3所示，在本发明的一个实施例中，聚焦与光谱收集系统110进一步细化了其组成部分，包括显微物镜128和焦平面130。这种设计确保了准直激光、连续激光以及脉冲激光能够以共轴的方式作用于焦平面130，从而提高了光谱探测的准确性和可靠性。

显微物镜128设置于光路切换系统108的下游，其主要作用是对光谱信号进行收集，使其能够精确地照射到待测样品162的特定区域。通过显微物镜128的高倍率放大和精确聚焦功能，可以实现对待测样品162表面的微小区域进行精细探测，获取更加详细和准确的光谱信息。

焦平面130位于显微物镜128的下游，是激光束最终作用的位置。在焦平面130上，准直激光、连续激光以及脉冲激光能够以共轴的方式同时或分别作用于待测样品162。这种共轴设计确保了不同激光束在探测过程中的一致性和稳定性，避免了因光路偏差或错位而导致的探测误差。

参见图3，准直激光束150、连续激光束152和脉冲激光束154以共光轴的形式通过显微物镜128聚焦在焦平面130上，脉冲激光束154光斑、连续激光光斑和准直激光光斑共轴作用在焦平面130上。

通过聚焦与光谱收集系统110的这种设计，本发明的光谱探测装置能够实现对待测样品162的精确定位和高效探测。操作人员可以根据需要选择使用准直激光进行定位，或使用连续激光和脉冲激光进行LIBS和Raman光谱探测。同时，由于激光束的共轴作用，装置能够获取更加准确和可靠的光谱数据，为后续的分析和研究提供了有力支持。

本发明通过优化聚焦与光谱收集系统110的设计，提高了光谱探测的准确性和可靠性，使得装置更加适用于各种复杂的探测任务。这一改进为科研和工业生产领域的光谱探测提供了更为有效和便捷的解决方案。

根据本发明的一个实施例，光路切换系统108包括：

移动反射镜132，设置于连续激光器104的下游且移动反射镜132可在第一位置和第二位置之间切换；

第一聚焦凸透镜134，设置于移动反射镜132的一侧；

第一光纤法兰136，与第一聚焦凸透镜134共光轴设置且第一光纤法兰136设置于第一聚焦凸透镜134的下游；

陷波滤光片138，设置于连续激光器104的出光路径上；

第二聚焦凸透镜140，设置于陷波滤光片138背离移动反射镜132的一侧；

第二光纤法兰142，与第二聚焦凸透镜140共光轴设置且第二光纤法兰142设置于第二聚焦凸透镜140的下游；

在第一位置，连续激光器104的光线经过移动反射镜132入射第一聚焦凸透镜134，在第二位置，连续激光器104的光线经过移动反射镜132入射第二聚焦凸透镜140。

如图4和图5所示，在本发明的一个实施例中，光路切换系统108被设计为一个灵活且高效的组件，用于在连续激光器104和脉冲激光器100之间切换光谱收集光路。该系统主要包括移动反射镜132、第一聚焦凸透镜134、第一光纤法兰136、陷波滤光片138、第二聚焦凸透镜140和第二光纤法兰142。

移动反射镜132位于连续激光器104的下游，并能在第一位置和第二位置之间切换。这一设计允许激光束根据需要反射到不同的路径上。在第一位置，连续激光器104的光线经过移动反射镜132入射到第一聚焦凸透镜134。第一聚焦凸透镜134与第一光纤法兰136共光轴设置，确保激光束经过聚焦后能够高效地耦合到第一光纤法兰136中。

在第二位置，连续激光器104的光线则经过移动反射镜132入射到第二聚焦凸透镜140。第二聚焦凸透镜140与第二光纤法兰142共光轴设置，同样实现激光束的聚焦和光纤耦合。这种设计使得光路切换系统108能够灵活地选择将激光束引导到不同的光学路径上，从而实现LIBS和Raman光谱的交替探测。

此外，陷波滤光片138被设置在连续激光器104的出光路径上。它的作用是滤除样品表面漫反射的激光，以避免对光谱探测造成干扰。在连续激光器104工作时，陷波滤光片138能够有效地减少背景噪声，提高光谱信号的质量。

本发明的光路切换系统108通过移动反射镜132、聚焦凸透镜和光纤法兰的协同作用，实现了连续激光器104和脉冲激光器100之间的光路切换。同时，陷波滤光片138的应用进一步提高了光谱探测的准确性和可靠性。这一设计使得装置能够灵活地适应不同的探测需求，提高了探测效率和精度。

根据本发明的一个实施例，光路切换系统108上设置有中阶梯光栅光谱仪144和C-T型光谱仪146。

如图1所示，在本发明的一个实施例中，光路切换系统108上设置有中阶梯光栅光谱仪144和C-T型光谱仪146。这种配置使得装置能够同时或分别进行不同类型的光谱探测，从而满足更广泛的研究和应用需求。

中阶梯光栅光谱仪144具有高精度和高分辨率的特点，适用于对光谱进行精细分析和测量。它通过将光栅刻制成阶梯形状，使得不同波长的光在光谱仪内部分离，并投射到检测器上。通过这种方式，中阶梯光栅光谱仪144能够准确地记录光谱数据，并提供丰富的光谱信息，有助于分析样品的成分和结构。

C-T型光谱仪146则是一种基于计算机断层扫描技术的光谱分析仪器。它利用X射线或其他辐射源对样品进行扫描，并通过检测器收集穿透样品后的辐射信号。通过计算机对信号进行处理和重建，C-T型光谱仪146能够生成样品内部的三维结构图像，从而揭示样品的层位信息和空间分布。

在光路切换系统108上同时设置这两种光谱仪，使得中阶梯光谱仪负责LIBS光谱信号收集，C-T光谱仪负责Raman光谱信号收集。这种综合性的探测能力使得装置在材料科学、生物医学、环境监测等领域具有广泛的应用前景。

此外，通过光路切换系统108的灵活切换功能，操作人员可以根据实际需要选择使用中阶梯光栅光谱仪144或C-T型光谱仪146进行探测，或者同时利用两者进行协同分析。这种设计提高了装置的灵活性和多功能性，使得装置能够适应不同的探测需求和研究目标。

本发明通过在光路切换系统108上设置中阶梯光栅光谱仪144和C-T型光谱仪146，实现了光谱探测装置的多功能化和综合性。这种设计不仅提高了探测的准确性和可靠性，还扩展了装置的应用范围，为科研和工业生产领域提供了强大的技术支持。

根据本发明的一个实施例，脉冲激光器100与激光线反射镜102之间还设置有激光能量衰减器148。

如图1所示，在本发明的一个实施例中，脉冲激光器100与激光线反射镜102之间增设了激光能量衰减器148。这一改进对于提高光谱探测装置的适用性和保护设备组件具有重要意义。

激光能量衰减器148的主要作用是调节激光束的能量。在LIBS探测过程中，有时需要调整激光束的能量以适应不同样品的探测需求。激光能量衰减器148通过吸收或反射部分激光能量，可以有效地降低激光束的能量，从而避免对样品造成过度烧蚀或损坏。这有助于保护样品的完整性，同时也有助于提高光谱数据的质量。

此外，激光能量衰减器148还能在一定程度上保护光谱探测装置的其他组件。高能量的激光束可能会对光谱收集系统或光路切换系统108造成损坏或干扰。通过引入激光能量衰减器148，可以有效地降低激光束的能量，减少对设备组件的潜在危害。

通过在脉冲激光器100与激光线反射镜102之间设置激光能量衰减器148，本发明的光谱探测装置能够更好地适应不同的探测需求，同时保护设备组件免受高能量激光束的损害。这一改进提高了装置的可靠性和稳定性，为科研和工业生产领域的LIBS探测提供了更为可靠和高效的解决方案。

本发明第二方面实施例提供一种如上述的光谱探测装置的光谱探测方法，包括：

使显微物镜128的焦平面130与待测样品162表面重合，打开准直激光器126，通过超景深相机112成像画面中的激光点确定待测样品162的待测位置；

关闭准直激光器126，控制光路切换系统108以切换至连续激光器104的光谱收集光路，并打开连续激光器104；

通过光束直径控制系统106调整连续激光器104的光斑大小；

使用连续激光器104照射待测样品162的表面，收集拉曼散射光以得到待测样品162的分子结构和化学成分；

控制光路切换系统108以切换至脉冲激光器100的光谱收集光路，并打开脉冲激光器100；

再次收集拉曼散射光以得到待测样品162的分子结构和化学成分。

本发明第二方面实施例提供的光谱探测方法，采用上述的光谱探测装置进行探测，通过准直激光器126和超景深相机112的配合，能够精确地确定待测样品162的待测位置，确保探测的准确性和可靠性。通过控制光路切换系统108，可以方便地切换至连续激光器104或脉冲激光器100的光谱收集光路，实现LIBS和Raman光谱的连续或分别探测，提高了探测的效率和灵活性。利用光束直径控制系统106，可以根据需要调整连续激光器104的光斑大小，以适应不同尺寸烧蚀坑的层位分析，增强了探测的精确性和适用性。通过收集拉曼散射光，可以同时得到待测样品162的分子结构和化学成分信息，为材料分析提供了全面的数据支持。由此，本发明提供的光谱探测方法通过高精度定位、灵活的光路切换、光束直径可调以及综合探测分析等技术手段，实现了LIBS和Raman光谱的高效、精确探测，为材料分析提供了有力的工具。

在本发明第二方面实施例提供的光谱探测方法中，通过精确控制和切换光路，实现了对样品的高效、准确探测。

首先，使显微物镜128的焦平面130与待测样品162表面重合，打开准直激光器126。通过超景深相机112成像画面中的激光点，操作人员可以直观地确定待测样品162的待测位置。这种定位方式既直观又准确，有助于提高探测的精度和效率。

接下来，关闭准直激光器126，控制光路切换系统108以切换至连续激光器104的光谱收集光路，并打开连续激光器104。这一步是为了准备进行Raman光谱探测。连续激光器104发出稳定的光束，通过光束直径控制系统106，操作人员可以精确地调整光斑的大小，以适应不同探测需求。

然后，使用调整好的连续激光器104照射待测样品162的表面。在连续激光的激发下，样品会产生拉曼散射光。通过收集这些散射光，装置可以分析得到待测样品162的分子结构和化学成分。这一步骤是Raman光谱探测的核心，通过它，操作人员可以获得关于样品化学性质的详细信息。

完成Raman光谱探测后，控制光路切换系统108以切换至脉冲激光器100的光谱收集光路，并打开脉冲激光器100。这一步是为了进行LIBS探测。脉冲激光器100发出高能量的脉冲光束，能够在瞬间烧蚀样品表面，产生等离子体。通过分析等离子体的光谱，可以得知样品的元素组成。

最后，再次收集拉曼散射光，这次是在脉冲激光的作用下进行的。这一步是为了进一步验证或补充之前Raman光谱探测的结果，确保探测的准确性和可靠性。

综上所述，本发明提供的光谱探测方法通过精确控制和切换光路，实现了对样品的Raman光谱和LIBS探测。这种方法结合了两种不同探测技术的优势，能够全面、深入地揭示样品的化学和物理性质。同时，方法的操作步骤清晰、简便，易于实现自动化和高效化，为科研和工业生产领域的光谱探测提供了有力的技术支持。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种光谱探测装置，其特征在于，包括：

脉冲激光器(100)；

激光线反射镜(102)，设置于所述脉冲激光器(100)的出光路径上以反射所述脉冲激光器(100)发出的激光；

连续激光器(104)，设置于所述激光线反射镜(102)的下游，所述连续激光器(104)用于激发激光的拉曼光谱且所述连续激光器(104)的出射端设置有光束直径控制系统(106)；

光路切换系统(108)，设置于所述连续激光器(104)的下游以对所述脉冲激光器(100)或所述连续激光器(104)的光谱收集光路进行切换；

聚焦与光谱收集系统(110)，设置于所述光路切换系统(108)的下游以对所述脉冲激光器(100)或所述连续激光器(104)的激光进行聚焦并对所述脉冲激光器(100)或所述连续激光器(104)的光谱收集，所述聚焦与光谱收集系统(110)还用于将所述脉冲激光器(100)或所述连续激光器(104)的激光聚焦于待测样品(162)。

2.根据权利要求1所述的光谱探测装置，其特征在于，还包括超景深相机(112)、成像光学组件(114)以及第一分束立方(116)，所述第一分束立方(116)位于所述脉冲激光器(100)和所述连续激光器(104)的出光路径上且所述成像光学组件(114)位于所述超景深相机(112)和所述第一分束立方(116)之间。

3.根据权利要求1所述的光谱探测装置，其特征在于，所述光束直径控制系统(106)与所述脉冲激光器(100)和所述连续激光器(104)的出光路径之间设置有第二分束立方(118)。

4.根据权利要求1所述的光谱探测装置，其特征在于，所述光束直径控制系统(106)包括：

快门(120)，设置于所述连续激光器(104)的出射端；

扩束准直器(122)，设置于所述快门(120)的下游；

可变光阑(124)，设置于所述扩束准直器(122)的下游。

5.根据权利要求1所述的光谱探测装置，其特征在于，还包括准直激光器(126)，所述准直激光器(126)位于所述连续激光器(104)和所述脉冲激光器(100)之间。

6.根据权利要求5所述的光谱探测装置，其特征在于，所述聚焦与光谱收集系统(110)包括：

显微物镜(128)，设置于所述光路切换系统(108)的下游；

焦平面(130)，设置于所述显微物镜(128)的下游，准直激光、连续激光以及脉冲激光以共轴的方式作用于所述焦平面(130)。

7.根据权利要求1所述的光谱探测装置，其特征在于，所述光路切换系统(108)包括：

移动反射镜(132)，设置于所述连续激光器(104)的下游且所述移动反射镜(132)可在第一位置和第二位置之间切换；

第一聚焦凸透镜(134)，设置于所述移动反射镜(132)的一侧；

第一光纤法兰(136)，与所述第一聚焦凸透镜(134)共光轴设置且所述第一光纤法兰(136)设置于所述第一聚焦凸透镜(134)的下游；

陷波滤光片(138)，设置于所述连续激光器(104)的出光路径上；

第二聚焦凸透镜(140)，设置于所述陷波滤光片(138)背离移动反射镜(132)的一侧；

第二光纤法兰(142)，与所述第二聚焦凸透镜(140)共光轴设置且所述第二光纤法兰(142)设置于所述第二聚焦凸透镜(140)的下游；

在所述第一位置，所述连续激光器(104)的光线经过所述移动反射镜(132)入射所述第一聚焦凸透镜(134)，在所述第二位置，所述连续激光器(104)的光线经过所述移动反射镜(132)入射所述第二聚焦凸透镜(140)。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的光谱探测装置，其特征在于，所述光路切换系统(108)上设置有中阶梯光栅光谱仪(144)和C-T型光谱仪(146)。

9.根据权利要求1至7中任一项所述的光谱探测装置，其特征在于，所述脉冲激光器(100)与所述激光线反射镜(102)之间还设置有激光能量衰减器(148)。

10.一种如权利要求1至9中任一项所述的光谱探测装置的光谱探测方法，其特征在于，包括：

使显微物镜(128)的焦平面(130)与待测样品(162)表面重合，打开准直激光器(126)，通过超景深相机(112)成像画面中的激光点确定所述待测样品(162)的待测位置；

关闭所述准直激光器(126)，控制所述光路切换系统(108)以切换至所述连续激光器(104)的光谱收集光路，并打开所述连续激光器(104)；

通过所述光束直径控制系统(106)调整所述连续激光器(104)的光斑大小；

使用所述连续激光器(104)照射所述待测样品(162)的表面，收集拉曼散射光以得到所述待测样品(162)的分子结构和化学成分；

控制所述光路切换系统(108)以切换至所述脉冲激光器(100)的光谱收集光路，并打开所述脉冲激光器(100)；

再次收集拉曼散射光以得到所述待测样品(162)的分子结构和化学成分。