[发明专利]激光共焦诱导击穿-拉曼光谱成像探测方法与装置

摘要

本发明属于光谱测量及成像技术领域，涉及一种激光共焦诱导击穿光谱-拉曼光谱成像探测方法及装置，可用于样品的微区组分与形态参数的高空间分辨成像与探测。该方法与装置利用激光诱导击穿光谱探测样品组分的元素组成信息，利用拉曼光谱探测样品的化学键与分子结构信息，利用共焦技术探测样品表面形貌信息，并通过轴向定焦保证聚焦到样品表面的光斑最小从而提高光谱激发效率，三者联用可实现结构共用和功能互补，构成一种“图谱合一”的高空间分辨的光谱成像探测方法及装置，本发明具有高空间分辨，物质组分信息丰富和测量聚焦光斑尺寸可控等优点，在矿产、冶金、空间探测、环境监测、生物医疗等领域有广泛的应用前景。

主权项

激光共焦诱导击穿‑拉曼光谱成像探测方法，其特征在于：激发光照射到样品表面激发出瑞利光和载有样品组分信息的激光诱导击穿光谱和拉曼光谱，瑞利光、激光诱导击穿光谱和拉曼光谱经过分光一部分进入激光诱导击穿光谱探测系统获得样品的元素组成信息，另一部分中的拉曼散射光透过二向色分光系统进入拉曼光谱探测系统获得样品的化学键和分子结构信息，瑞利光和激光诱导击穿光谱经过二向色分光系统反射进入共焦探测系统进行光强探测获得样品表面高度和形貌信息，并利用共焦曲线最大值M精确定位焦点O位置保证激发光斑最小从而提高光谱探测的空间分辨力。激光诱导击穿光谱探测、拉曼光谱探测和激光共焦形貌信息探测三者结合可实现结构共用和功能互补，实现高空间分辨的光谱成像与探测，该方法的具体实现步骤如下：1)通过激发光束产生系统(1)产生激发光，经过第一分光系统(2)、光束扫描系统(5)、物镜(3)后，聚焦在被测样品(4)上，并激发出瑞利光、载有被测样品光谱特性的拉曼光谱以及激光诱导击穿光谱；2)被测样品(4)激发出瑞利光、载有被测样品光谱特性的拉曼光谱以及激光诱导击穿光谱被光路收集，经过物镜(3)，光束扫描系统(5)、并被第一分光系统(2)反射至第二分光系统(6)，第二分光系统(6)将光束分为反射和透射两路；3)透射光束进入激光诱导击穿光谱探测系统(7)，利用激光诱导击穿光谱探测系统(7)测得载有被测样品元素信息的激光诱导击穿光谱信号I(λ_L)，实现激光诱导击穿光谱测试，其中λ_L为激光诱导击穿光谱波长；4)反射光束经过二向色分光系统(8)分光，反射光束中拉曼光谱透过二向色分光系统(8)进入拉曼光谱探测系统(9)，利用拉曼光谱探测系统(9)测得载有被测样品化学键和分子结构信息的拉曼光谱信号I(λ_R)，实现激光拉曼光谱测试，其中λ_R为激光拉曼光谱波长；反射光束中其余成分被二向色分光系统(8)反射进入共焦探测系统(10)，利用共焦探测系统(10)测得载有被测样品表面高度信息的共焦光强信息I(ν,u)，实现样品表面高度的定位测量，其中，v为横向归一化光学坐标，u为轴向归一化光学坐标；5)将I(ν,u)、I(λ_L)和I(λ_B)送到数据处理模块(11)进行处理，从而获得包含被测样品位置信息I(ν,u)和光谱信息I(λ_L)、I(λ_B)的三维形貌和组分信息I(ν,u,λ_L,λ_B)；6)光束扫描系统(5)驱动光束对被测样品(4)进行扫描，获得被测样品(4)表面一组i个包含高度信息I(ν,u)和光谱信息I(λ_L)、I(λ_R)的序列测量信息{I_i(λ_L,λ_R)，I_i(ν,u)}；利用I_i(ν,u)可以重构出被测样品(4)的表面三维形貌，利用I_i(λ_L,λ_R)可以获得被测样品(4)的表面各个微区的物质组分，两者结合可实现被测样品(4)的“图谱合一”的形态组分的成像测量。