[发明专利]激光双轴差动共焦诱导击穿‑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，涉及一种激光双轴差动共焦诱导击穿光谱‑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；利用双轴差动共焦技术探测样品表面形貌信息，双轴差动结构具有大视场、大工作距的优势，可对样品准确定焦，保证照明光斑最小，提升光谱激发效率；三者联用可实现结构共用和功能互补，实现样品的形貌和组分信息的综合测量。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

激光双轴差动共焦诱导击穿‑拉曼光谱成像探测方法，其特征在于：光路照明光轴与探测光轴成夹角分布，激发光照射沿照明光路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被与照明光路成夹角的探测光路接收，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差动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；激光诱导击穿光谱探测、拉曼光谱探测和激光双轴差动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)照明物镜(2)与采集物镜(7)对称分布在测量面法线(5)两侧，并且照明光轴(4)与测量面法线(5)的夹角为θ1(6)，采集光轴(20)与测量面法线(5)的夹角为θ2(37)，以测量面法线(5)方向为测量轴线，建立系统坐标系(x,y,z)，其中θ1＝θ2；2)激发光经由照明物镜(2)聚焦到被测样品(3)上，激发出瑞利光和载有被测样品光谱特性的拉曼光谱和激光诱导击穿光谱，被激发出的瑞利光及载有被测样品(3)物质组分信息的拉曼光谱和激光诱导击穿光谱被反射进入采集物镜(7)，并被采集物镜(7)会聚到分光系统(8)，光束经分光系统(8)分光后分为透射和反射两束，透射光路进入激光诱导击穿光谱探测系统(19)获得激光诱导击穿光谱信号I(λL)；反射光束经过二向色分光系统(38)分光，反射光中的拉曼光谱透过二向色分光系统(38)进入拉曼光谱探测系统(39)获得拉曼光谱信号I(λR)，反射光束中的瑞利光和激光诱导击穿光谱被二向色分光系统(38)反射进入差动探测系统(15)；3)对进入差动探测系统(15)的光信号进行差动处理，其中，差动探测系统(15)中两个相同的探测系统(11、12)对称放置于测量光轴(13)两侧，对探测系统(11)和(12)的信号相减处理得到差动共焦曲线(27)，并获得差动信号I(x,y,z,vxM)，其中vxM是探测系统(11、12)横向偏移量，利用差动共焦曲线过零点与焦点位置精确对应的特性，通过零点触发来精确定位激发光束焦点O位置，实现被测样品的高空间分辨的焦点定位；4)根据差动信号I(x,y,z,vxM)控制激光光束准确定焦到被测样品(3)上，重新获取被测样品(3)的光谱信号I(λL)和I(λR)；5)利用数据处理系统(21)将获得的差动信号I(x,y,z,vxM)、光谱信号I(λL)和I(λR)进行数据融合处理，以获得样品的形貌信息和物质组分信息的四维测量信息I(x,y,z,λL,λR)；6)完成上述步骤后，控制光束对被测样品(3)进行扫描探测，对被测样品(3)表面下一个点重复步骤2)、3)、4)、5)直至扫描完成；7)单独处理差动信号I(x,y,z,vxM)时，获得被测样品(3)的高空间分辨的三维形貌信息；单独处理拉曼光谱信号I(λR)时，获得被测样品(3)的化学键和分子结构信息；单独处理激光诱导击穿光谱信号I(λL)时，获得被测样品(3)的元素组成信息；同时处理差动信号I(x,y,z,vxM)、光谱信号I(λL)和I(λR)时，获得被测样品(3)的高空间分辨形貌及微区物质组分“图谱合一”的成像探测。