[发明专利]基于外场增强的飞秒激光诱导击穿光谱深度检测系统

权利要求书

1.基于外场增强的飞秒激光诱导击穿光谱深度检测系统，其特征在于：包括飞秒激光加工子系统、顶端成像子系统、光谱采集子系统、微波光谱增强子系统、火花放电光谱增强子系统、高精度三维平移台(10)、数字延时脉冲发生器(32)和计算机控制系统(33)；

所述飞秒激光加工子系统用于激发样品(9)产生等离子体，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)、第二光阑(6)、镀膜反射镜(7)、聚焦平凸透镜(8)和带涂层合金样品(9)；飞秒激光脉冲依次经过上述部件后，聚焦于带涂层合金样品(9)的加工位置，激发带涂层合金样品(9)产生等离子体；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的连续线性调节；

所述顶端成像子系统与计算机控制系统相连,用于对样品加工过程的实时观测，包括分束镜(11)、成像第一平凸透镜(12)、成像第二平凸透镜(13)、电荷耦合器件(14)和照明光源(15)；分束镜(11)和照明光源(15)用于提供成像光源，成像第一平凸透镜(12)与成像第二平凸透镜(13)用于将图像信息耦合到电荷耦合器件(14)；

所述光谱采集子系统用于采集样品的等离子体发光并获得等离子体光谱，包括第一双胶合消色差透镜(16)、第二双胶合消色差透镜(17)、光纤探头(18)、光纤(19)、光谱仪(20)和增强型电荷耦合器件(21)；第一双胶合消色差透镜(16)和第二双胶合消色差透镜(17)将样品等离子体发光会聚在光线探头(18)处，经过光纤(19)传输进入光谱仪(20)和增强型电荷耦合器件(21)进行光谱采集与分析；

所述微波光谱增强子系统用于在样品加工位置产生局部增强微波场以提高等离子体发光强度和持续时间，包括铜质锥形天线(22)、柔性同轴电缆(23)、定向耦合器(24)、三短截线式调谐器(25)和磁控管微波发生器(26)；磁控管微波发生器(26)产生脉冲微波辐射，经由柔性同轴电缆(23)传输到达铜质锥形天线(22)，在样品加工位置形成微波场，中间经过的三短截线式调谐器(25)用于改变微波能量，定向耦合器(24)用于测量输入和反射的微波功率；

所述火花放电光谱增强子系统用于增加样品等离子体发光的强度和持续时间，包括钨质针状电极(27)、第一限流电阻(28)、第二限流电阻(29)、高压电容器(30)和直流高压电源(31)；连接直流高压电源的两极使得针状电极(27)和带涂层合金样品(9)之间形成高电压，使用高压电容器(30)与之并联进行电荷存储，一旦激光脉冲激发带涂层合金样品(9)产生等离子体，针状电极(27)和带涂层合金样品(9)之间的气隙就会导电，两者间的高电压立即触发火花放电；另外，在带涂层合金样品(9)与高压电容器(30)的并联电路中接入第一限流电阻(28)和第二限流电阻(29)，限制充放电过程的电流；

所述高精度三维平移台(10)与计算机控制系统相连,用于承载带涂层合金样品(9)进行微米级精度运动，可以精确控制飞秒激光加工样品的位置；高精度三维平移台(10)与顶端成像子系统配合使用，用于在带涂层合金样品(9)的不同深度位置激发等离子；

所述数字延时脉冲发生器(32)与飞秒激光器(1)和磁控管微波发生器(26)相连，用于协同控制脉冲激光和脉冲微波的输出延时；

所述计算机控制系统(33)与飞秒激光器(1)、电控快门(3)、高精度三维平移台(10)、电荷耦合器件(14)、光谱仪(20)、增强型电荷耦合器件(21)和数字延时脉冲发生器(32)相连；用于协同控制飞秒激光脉冲触发、电控快门开关、三维平移台运动、电荷耦合器件CCD成像、光谱仪光谱采集和延时脉冲发生器参数；

带涂层合金样品(9)在照明光源(15)照射下产生的白光向上反射，进入顶端成像子系统中的电荷耦合器件(14)，实现对加工过程的实时观测；

飞秒激光激发带涂层合金样品(9)产生的等离子体发光，由第一双胶合消色差透镜(16)、第二双胶合消色差透镜(17)会聚进入光谱采集子系统，经光纤探头(18)采集后进入光谱仪(20)；

带涂层合金样品(9)与微波光谱增强子系统的铜质锥形天线(22)之间保持几毫米的间隙，后者经由柔性同轴电缆(23)与磁控管微波发生器(26)相连，将脉冲微波传输至带涂层合金样品(9)处；

带涂层合金样品(9)与火花放电光谱增强子系统的针状电极(27)之间保持几毫米的间隙，两者通过导线分别与直流高压电源(31)的负极和正极相连。