[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

说明书

本发明提出了一种外场增强飞秒激光诱导击穿光谱用于深度检测的方法，属于飞秒激光应用技术领域。具体涉及一种利用火花放电与微波增强飞秒激光激发等离子体发射强度，进而提高等离子体光谱的深度检测极限与元素分辨率的方法。通过将连接直流高压电源的针状电极与连接微波发生器的锥形天线固定在样品附近，在飞秒激光通过平凸透镜聚焦在样品的加工位置处，火花放电与脉冲微波使得样品局部形成了强烈的电磁脉冲，等离子体通过电磁波耦合从中吸收能量，造成等离子体密度、温度显著增加，从而提高了等离子体发光光谱的强度与信噪比，最终提高了LIBS方法用于深孔加工中元素检测的深度检测极限与元素分辨率。

技术领域

本发明涉及基于外场增强飞秒激光诱导击穿光谱用于深度检测系统，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(Laser-induced breakdown spectroscopy，简称LIBS)是近年来发展迅速的一种光谱检测技术，这项技术的基本原理是利用聚焦后的脉冲激光在待测样品表面激发等离子体，使用光谱仪采集等离子体发光光谱信号并从中提取各种元素的特征谱信息。由于其样品制备简单、快速实时响应、非接触式检测且可用于几乎所有自然元素等优点，LIBS技术被广泛应用于环境监测、矿物分析、农业土壤分析与生物分析等领域。

飞秒激光是一种具有fs级超短脉宽的脉冲激光，它的加工过程具有空间分辨率高、热损伤小等特点，因此基于飞秒激光的LIBS技术，可以在样品深孔加工中实现深度方向微米级空间分辨率的元素检测。

然而在实际的深度检测应用中，待测样品元素种类复杂、一些元素含量较少，发光等离子体喷发强度较弱，共同导致LIBS光谱信号的深度检测极限和元素分辨率较低。因此，发明一种能提高LIBS光谱信号强度，进而提高深度检测极限与元素分辨率的飞秒激光诱导击穿光谱深度检测系统及方法至关重要。

发明内容

本发明公开的基于外场增强飞秒激光诱导击穿光谱用于深度检测系统，目的是提高带涂层合金材料深孔加工中的深度检测极限与元素分辨率，提出了一种增强飞秒激光诱导击穿光谱强度的方法，具体利用直流电源在针状电极尖端与样品之间产生电位差，飞秒激光经由透镜聚焦后激发样品产生等离子体喷发，在电极尖端诱发电火花放电，协同微波发生器产生的微波场，增加和维持样品加工深孔中发光等离子体的发射强度和寿命，提高等离子体发光光谱采集信号的强度，最终提高样品的深度检测极限和分辨率。

本发明的目的是通过如下技术方案实现的：

一种基于外场增强的飞秒激光诱导击穿光谱深度检测系统，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、数字延时脉冲发生器和计算机控制系统。

所述飞秒激光加工子系统用于激发样品产生等离子体，包括飞秒激光器、第一光阑、电控快门、半波片、格兰泰勒棱镜、第二光阑、镀膜反射镜、聚焦平凸透镜和带涂层合金样品；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的加工位置，激发带涂层合金样品产生等离子体；利用半波片和格兰泰勒棱镜的组合，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用于对样品加工过程的实时观测，包括分束镜、成像第一平凸透镜、成像第二平凸透镜、电荷耦合器件和照明光源；分束镜和照明光源用于提供成像光源，成像第一平凸透镜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；

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、第二双胶合消色差透镜、光纤探头、光纤、光谱仪和增强型电荷耦合器件；第一双胶合消色差透镜和第二双胶合消色差透镜将样品等离子体发光会聚在光线探头处，经过光纤传输进入光谱仪和增强型电荷耦合器件进行光谱采集与分析；