一種用於雷射探針成分分析儀的光路系統的製作方法
2023-09-09 18:57:15
本實用新型屬於雷射精密檢測相關技術領域，更具體地，涉及一種用於雷射探針成分分析儀的光路系統。
背景技術：
雷射探針，又稱為雷射誘導擊穿光譜(Laser-induced breakdown spectroscopy，簡稱LIBS)，是一種物質成分分析方法。雷射探針利用雷射在待測樣品表面燒蝕產生等離子體，再通過分析等離子體發射光譜實現對物質元素成分的測量。從科研化走向工業化的過程中，雷射探針需要一種成熟的光路系統，在保證穩定光譜採集的同時，獲得樣品表面成像信息，使用戶能夠對樣品表面特定位置的原位信息進行採集，保證可見即所得。
目前，本領域相關技術人員已經做了一些研究，如公開號為CN103267746B的專利、公開號為CN101587074B的專利、授權公告號為CN101587074B的專利分別公開了不同的雷射探針分析儀，以上所公開的雷射探針分析儀均集成了雷射探針光譜分析和同軸樣品表面成像的功能，為雷射探針光路系統的典型實例。但是上述實例皆存在以下幾點不足：
1.沒有樣品表面的同軸照明裝置，對於表面光滑或者色彩較暗的樣品，特別是在顯微分析高倍成像時，難以保證樣品表面清晰可見；
2.成像系統中，沒有考慮對雷射的濾除，同軸成像過程樣品表面反射的雷射很容易將成像相機損壞；
3.沒有雷射能量實時調節和監控系統，既無法對雷射光斑進行整形獲得更適合雷射探針使用的光束，也無法對雷射能量波動和衰減效應進行實時校正、調節及監控；
4.光譜採集器前面沒有濾除雷射，樣品表面反射的雷射容易將光纖採集頭損壞。
技術實現要素：
針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本實用新型提供了一種用於雷射探針成分分析儀的光路系統，其集成了雷射控制模塊、雷射監測模塊、光譜採集模塊、照明模塊和成像模塊五個模塊，可以同時實現雷射能量和光斑控制、雷射能量實時監測、等離子體光譜採集、樣品表面照明、樣品表面成像功能，實現穩定的光譜信息和樣品圖像信息的同時獲取，滿足現代工業應用需求；其中雷射控制模塊、雷射監測模塊、光譜採集模塊、照明模塊和成像模塊五個模塊在光路中是同軸的，結構緊湊，多個零件均可以實現多功能使用。此外，所述光路系統對各個零部件進行了雷射防護，提高零部件的使用壽命。
為實現上述目的，本實用新型提供了一種用於雷射探針成分分析儀的光路系統，其包括光譜採集模塊及成像模塊，其特徵在於：
所述光路系統還包括雷射控制模塊、雷射監測模塊及照明模塊，所述光譜採集模塊、所述雷射控制模塊、所述雷射監測模塊、所述照明模塊及所述成像模塊是同軸設置的；
所述雷射控制模塊用於控制雷射能量及光斑；所述雷射監測模塊用於實時監測雷射能量，以便所述雷射控制模塊對雷射能量波動及衰減效應進行實時校正；所述光譜採集模塊用於實時採集等離子光譜；所述照明模塊用於對待測樣品表面進行照明，以保證所述待測樣品的表面清晰可見；所述成像模塊用於對所述待測樣品表面成像。
進一步的，所述雷射控制模塊、所述光譜採集模塊、所述照明模塊及所述成像模塊共同具有物鏡；所述雷射控制模塊、所述雷射監測模塊、所述照明模塊及所述成像模塊共同具有分束鏡；所述雷射控制模塊及所述成像模塊共同具有雷射反射鏡；所述照明模塊及所述成像模塊共同具有分光鏡。
進一步的，所述雷射控制模塊還包括雷射器、雷射擴束鏡、諧波分束鏡、第一雷射窗口、第一雷射吸收體、半波片、偏振分束鏡、第二雷射窗口、第二雷射吸收體、光閘及光闌；所述第一雷射窗口位於所述諧波分束鏡及所述第一雷射吸收體之間；所述半波片位於所述諧波分束鏡前方；所述第二雷射窗口位於所述偏振分束鏡及所述第二雷射吸收體之間；所述雷射反射鏡位於所述光闌及所述分束鏡之間；所述物鏡位於所述分束鏡及所述待測樣品之間。
進一步的，所述半波片是可旋轉的。
進一步的，所述雷射監測模塊還包括第一線偏振片及雷射能量計，所述第一線偏振片位於所述分束鏡及所述雷射能量計之間。
進一步的，所述光譜採集模塊還包括第二線偏振片、光纖耦合鏡、光纖接頭、光纖及光譜儀，所述第二線偏振片位於所述分束鏡及所述光纖耦合鏡之間；所述光纖耦合鏡連接於所述光纖接頭；所述光纖連接所述光纖接頭及所述光譜儀。
進一步的，所述照明模塊還包括LED光源及照明準直鏡，所述照明準直鏡位於所述LED光源之前方。
進一步的，所述成像模塊還包括目鏡、第三線偏振片及相機，所述第三線偏振片位於所述相機之前方。
進一步的，所述雷射控制模塊、所述光譜採集模塊、所述照明模塊及所述成像模塊共同具有物鏡；所述雷射控制模塊、所述雷射監測模塊、所述照明模塊及所述成像模塊共同具有分束鏡；所述雷射控制模塊及所述成像模塊共同具有雷射反射鏡；所述照明模塊及所述成像模塊共同具有分光鏡；所述雷射控制模塊、所述照明模塊及所述成像模塊共同具有寬帶反射鏡。
進一步的，所述雷射控制模塊還包括雷射器、雷射擴束鏡、諧波分束鏡、第一雷射窗口、第一雷射吸收體、半波片、偏振分束鏡、第二雷射窗口、第二雷射吸收體、光閘及光闌；所述第一雷射窗口位於所述第一雷射吸收體及所述諧波分束鏡之間；所述半波片位於所述偏振分束鏡前方；所述第二雷射窗口位於所述偏振分束鏡及所述第二雷射吸收體之間；所述物鏡位於所述分束鏡及所述待測樣品之間。
總體而言，通過本實用新型所構思的以上技術方案與現有技術相比，本實用新型提供的用於雷射探針成分分析儀的光路系統，其集成了雷射控制模塊、雷射監測模塊、光譜採集模塊、照明模塊和成像模塊五個模塊，可以同時實現雷射能量和光斑控制、雷射能量實時監測、等離子體光譜採集、樣品表面照明、樣品表面成像功能，實現穩定的光譜信息和樣品圖像信息的同時獲取，滿足現代工業應用需求；其中雷射控制模塊、雷射監測模塊、光譜採集模塊、照明模塊和成像模塊五個模塊在光路中是同軸的，結構緊湊，多個零件均可以實現多功能使用。此外，所述光路系統對各個零部件進行了雷射防護，提高零部件的使用壽命。
附圖說明
圖1是本實用新型第一實施方式提供的用於雷射探針成分分析儀的光路系統的使用狀態示意圖。
圖2是本實用新型第二實施方式提供的用於雷射成分分析儀的光路系統的使用狀態示意圖。
在所有附圖中，相同的附圖標記用來表示相同的元件或結構，其中：1.雷射器；2.雷射擴束鏡；3.諧波分束鏡；4.第一雷射窗口；5.第一雷射吸收體；6.半波片；7.偏振分束鏡；8.第二雷射窗口；9.第二雷射吸收體；10.光閘；11.光闌；12.雷射反射鏡；13.分束鏡；14.物鏡；15.待測樣品；16.第一線偏振片；17.雷射能量計；18.第二線偏振片；19.光纖耦合鏡；20.光纖接頭；21.光纖；22.光譜儀；23.分光鏡；24.照明準直鏡；25.LED光源；26.全反鏡；27.目鏡；28.第三線偏振片；29.相機；30.寬帶反射鏡。
具體實施方式
為了使本實用新型的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本實用新型進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本實用新型，並不用於限定本實用新型。此外，下面所描述的本實用新型各個實施方式中所涉及到的技術特徵只要彼此之間未構成衝突就可以相互組合。
請參閱圖1，本實用新型第一實施方式提供的用於雷射探針成分分析儀的光路系統，其包括雷射器1、雷射擴束鏡2、諧波分束鏡3、第一雷射窗口4、第一雷射吸收體5、半波片6、偏振分束鏡7、第二雷射窗口8、第二雷射吸收體9、光閘10、光闌11、雷射反射鏡12、分束鏡13、物鏡14、待測樣品15、第一線偏振片16、雷射能量計17、第二線偏振片18、光纖耦合鏡19、光纖接頭20、光纖21、光譜儀22、分光鏡23、照明準直鏡24、LED光源25、全反鏡26、目鏡27、第三線偏振片28及相機29，以上所述的零部件分別組成了雷射控制模塊、雷射監測模塊、光譜採集模塊、照明模塊及成像模塊。本實施方式中，所述雷射控制模塊、所述雷射監測模塊、所述光譜採集模塊、所述照明模塊及所述成像模塊是同軸設置的；所述物鏡14為所述雷射控制模塊、所述光譜採集模塊、所述照明模塊及所述成像模塊共同具有；所述分束鏡13為所述雷射控制模塊、所述雷射監測模塊、所述照明模塊及所述成像模塊共同具有；所述雷射反射鏡12為所述雷射控制模塊及所述成像模塊共同具有；所述分光鏡23為所述照明模塊及所述成像模塊共同具有。
所述雷射控制模塊還包括所述雷射器1、所述雷射擴束鏡2、所述諧波分束鏡3、所述第一雷射窗口4、所述第一雷射吸收體5、所述半波片6、所述偏振分束鏡7、所述第二雷射窗口8、所述第二雷射吸收體9、所述光閘10、及所述光闌11。所述雷射擴束鏡2位於所述雷射器1及所述諧波分束鏡3之間；所述第一雷射窗口4位於所述諧波分束鏡3及所述第一雷射吸收體5之間；所述半波片6位於所述諧波分束鏡3及所述偏振分束鏡7之間；所述第二雷射窗口8位於所述偏振分束鏡7及所述第二雷射吸收體9之間；所述光閘10位於所述偏振分束鏡7及所述光闌11之間；所述雷射反射鏡12位於所述光闌11及所述分束鏡13之間；所述物鏡14位於所述分束鏡13及待測樣品15之間。本實施方式中，所述雷射器1是Nd:YAG的2次諧波532nm波長的雷射器。
所述雷射器1用於發射雷射束。所述雷射束從所述雷射器1輸出之後，所述雷射擴束鏡2用於對所述雷射束進行擴束。所述諧波分束鏡3用於使經所述雷射擴束鏡2擴束後的雷射透過以進入光路系統中，同時，所述諧波分束鏡3將波長為1064nm的雷射反射後透過所述第一雷射窗口4而被所述第一雷射吸收體5吸收。透過所述諧波分束鏡3的532nm雷射束通過可旋轉的所述半波片6調節偏振方向，即調節垂直偏振和水平偏振分量的比例。經所述半波片6調節偏振後的所述雷射束的垂直偏振分量自所述偏振分束鏡7通過，水平偏振分量反射並透過所述第二雷射窗口8而被所述第二雷射吸收體9吸收。所述光閘10設置於所述偏振分束鏡7的後方，所述光閘10用於控制雷射束的通斷。所述光闌11設置在所述光閘10的後方，所述光闌11用於將所述雷射束的光斑外圍波動較大的部分濾除。經所述光闌11濾除處理後的雷射束依次經所述雷射反射鏡12及所述分束鏡13反射後，通過所述物鏡14聚焦在所述待測樣品15表面上，激發出等離子體。
所述雷射監測模塊還包括第一線偏振片16及雷射能量計17，所述第一線偏振片16位於所述分束鏡13及所述雷射能量計17之間。經所述分束鏡13透過的雷射光束部分通過所述第一線偏振片16控制而到達所述雷射能量計17的雷射能量範圍。通過實時監控雷射能量，可以得到每一次光譜信號所對應的雷射能量信息，通過計算機光譜分析軟體做光譜信號波動修正，以及通過調節所述半波片6實現能量調節以消除雷射能量衰減效應。
所述光譜採集模塊還包括第二線偏振片18、光纖耦合鏡19、光纖接頭20、光纖21及光譜儀22。所述待測樣品15表面等離子體發射的光通過所述物鏡14的準直後透過所述分束鏡13而到達到所述第二線偏振片18，所述待測樣品15表面反射的雷射在所述第二線偏振片18處濾除；等離子體光信號可以透過所述第二線偏振片18，並通過所述光纖耦合鏡19耦合進所述光纖接頭20處；耦合到所述光纖接頭20的等離子體光信號通過所述光纖21傳導以進入所述光譜儀22。
所述照明模塊還包括所述LED光源25及所述照明準直鏡24，所述照明準直鏡24位於所述LED光源25及所述分光鏡23之間。所述LED光源25發出的光依次通過所述照明準直鏡24準直及所述分光鏡23反射後進入同軸光路中，再依次通過所述分束鏡13反射及所述物鏡14聚焦後照明在所述待測樣品15表面的待測區域上。
所述成像模塊還包括所述全反鏡26、所述目鏡27、所述第三線偏振片28及所述相機29，所述全反鏡26位於所述目鏡27及所述分光鏡23之間，所述第三線偏振片28位於所述目鏡27及所述相機29之間。所述待測樣品15表面反射的光依次通過所述物鏡14準直及所述分束鏡13反射後，經所述雷射反射鏡12濾除大部分波長為532nm的雷射。經所述雷射反射鏡12濾除處理後的光透過所述分光鏡23後被所述全反鏡26反射到達所述目鏡27，所述目鏡27將光信號在所述相機29處成像。所述第三線偏振片28位於所述目鏡27及所述相機29之間，以用於將剩餘的雷射濾除。
請參閱圖2，本實用新型第二實施方式提供的用於雷射探針成分分析儀的光路系統，其包括雷射器1、雷射擴束鏡2、諧波分束鏡3、第一雷射窗口4、第一雷射吸收體5、半波片6、偏振分束鏡7、第二雷射窗口8、第二雷射吸收體9、光閘10、光闌11、雷射反射鏡12、分束鏡13、物鏡14、待測樣品15、第一線偏振片16、雷射能量計17、第二線偏振片18、光纖耦合鏡19、光纖接頭20、光纖21、光譜儀22、分光鏡23、照明準直鏡24、LED光源25、全反鏡26、目鏡27、第三線偏振片28、相機29及寬帶反射鏡30。以上所述的零部件分別組成了雷射控制模塊、雷射監測模塊、光譜採集模塊、照明模塊及成像模塊。
本實施方式中，所述雷射控制模塊、所述雷射監測模塊、所述光譜採集模塊、所述照明模塊及所述成像模塊是同軸設置的；所述物鏡14為所述雷射控制模塊、所述光譜採集模塊、所述照明模塊及所述成像模塊共同具有；所述分束鏡13為所述雷射控制模塊、所述雷射監測模塊、所述照明模塊及所述成像模塊共同具有；所述雷射反射鏡12為所述雷射控制模塊及所述成像模塊共同具有；所述分光鏡23為所述照明模塊及所述成像模塊共同具有；所述寬帶反射鏡30為所述雷射控制模塊、所述照明模塊及所述成像模塊共同具有。
所述雷射控制模塊還包括所述雷射器1、所述雷射擴束鏡2、所述諧波分束鏡3、所述第一雷射窗口4、所述第一雷射吸收體5、所述半波片6、所述偏振分束鏡7、所述第二雷射窗口8、所述第二雷射吸收體9、所述光閘10及所述光闌11。本實施方式中，所述雷射器1是Nd:YAG的3次諧波355nm波長的雷射器。
所述雷射擴束鏡2位於所述雷射器1及所述光闌11之間，所述光閘10位於所述光闌11及所述諧波分束鏡3之間。所述第一雷射窗口4位於所述第一雷射吸收體5及所述諧波分束鏡3之間。所述半波片6位於所述諧波分束鏡3及所述偏振分束鏡7之間。所述第二雷射窗口8位於所述偏振分束鏡7及所述第二雷射吸收體9之間。所述雷射反射鏡12位於所述偏振分束鏡7及所述寬帶反射鏡30之間。所述分束鏡13位於所述寬帶反射鏡30及所述物鏡14之間。所述物鏡14位於所述分束鏡13及待測樣品15之間。
所述雷射器1用於發射雷射束。所述雷射束從所述雷射器1輸出之後，所述雷射擴束鏡2用於對所述雷射束進行擴束。所述光闌11用於將經所述雷射擴束鏡2擴束後的雷射束光斑外圍波動較大的部分濾除。所述光閘10用於控制通過所述雷射擴束鏡2的雷射束的通斷。所述諧波分束鏡3用於使經過所述光閘10的雷射束中波長為355nm的雷射透過以進入光路系統中，同時，所述諧波分束鏡3將波長為1064nm及532nm的雷射反射後透過所述第一雷射窗口4而被所述第一雷射吸收體5吸收。透過所述諧波分束鏡3的355nm雷射束通過可旋轉的所述半波片6調節偏振方向，即調節垂直偏振和水平偏振分量的比例。經所述半波片6調節偏振後的所述雷射束的垂直偏振分量自所述偏振分束鏡7通過，水平偏振分量反射並透過所述第二雷射窗口8而被所述第二雷射吸收體9吸收。透過所述偏振分束鏡7的雷射光束依次經所述雷射反射鏡12、所述寬帶反射鏡30及所述分束鏡13反射後，通過所述物鏡14聚焦在所述待測樣品15的表面上以激發出等離子體。
所述雷射監測模塊還包括第一線偏振片16及雷射能量計17，所述第一線偏振片16位於所述分束鏡13及所述雷射能量計17之間。經所述分束鏡13透過的雷射光束部分通過所述第一線偏振片16控制而到達所述雷射能量計17的雷射能量範圍。通過實時監控雷射能量，可以得到每一次光譜信號所對應的雷射能量信息，通過計算機光譜分析軟體做光譜信號波動修正，以及通過調節所述半波片6實現能量調節以消除雷射能量衰減效應。
所述光譜採集模塊還包括第二線偏振片18、光纖耦合鏡19、光纖接頭20、光纖21及光譜儀22。所述第二線偏振片18位於所述分束鏡13及所述光纖耦合鏡19之間，所述光纖接頭20位於所述光纖耦合鏡19及所述光纖21之間，所述光纖21連接所述光譜儀22及所述光纖接頭20。所述待測樣品15表面等離子體發射的光通過所述物鏡14的準直後透過所述分束鏡13而到達到所述第二線偏振片18，所述待測樣品15表面反射的雷射在所述第二線偏振片18處濾除；等離子體光信號可以透過所述第二線偏振片18，並通過所述光纖耦合鏡19耦合進所述光纖接頭20處；耦合到所述光纖接頭20的等離子體光信號通過所述光纖21傳導以進入所述光譜儀22。
所述照明模塊還包括所述照明準直鏡24、所述LED光源25及所述全反鏡26。所述照明準直鏡24位於所述LED光源25及所述全反鏡26之間，所述全反鏡26位於所述分光鏡23及所述照明準直鏡24之間。所述LED光源25發出的光依次經所述照明準直鏡24準直、所述全反鏡26反射及所述分光鏡23透射後進入同軸光路中，然後再依次通過所述寬帶反射鏡30及所述分束鏡13反射、所述物鏡14聚焦後照明在所述待測樣品15表面的待測區域上。
所述成像模塊還包括所述目鏡27、所述第三線偏振片28及所述相機29，所述第三線偏振片28位於所述目鏡27及所述分光鏡23之間，所述目鏡27位於所述第三線偏振片28及所述相機29之間。所述待測樣品15表面反射的光依次通過所述物鏡14準直、所述分束鏡13反射及所述寬帶反射鏡30反射後，經所述雷射反射鏡12濾除大部分波長為355nm的雷射。經所述雷射反射鏡12濾除處理後的光經所述分光鏡23反射後，所述光經所述第三線偏振片28濾除剩餘雷射後到達所述目鏡27，所述目鏡27將光信號在所述相機29處成像。
本實施方式中，多個零件可以實現多功能使用，如：①所述物鏡14在雷射控制模塊中的作用是將雷射光斑聚焦，在光譜採集模塊中的作用是將等離子體的發光平行化，在照明模塊中的作用是將照明光聚焦在待測樣品所需區域，在成像模塊中作用是承擔了顯微鏡中物鏡的功能；②所述雷射反射鏡12在雷射控制模塊中的作用是將雷射光束高效率地反射，在成像模塊中的作用是將樣品表面反射的雷射濾除防止損害相機；③所述分束鏡13在雷射控制模塊中的作用是反射雷射光束，在雷射測量模塊中的作用是獲取部分雷射光束用於測量，在照明模塊中的作用是反射照明光至樣品表面，在成像模塊中的作用是反射樣品表面光至相機。
本實施方式中，所述光路系統對各個零部件進行了雷射防護，如①雷射控制模塊中，2個雷射吸收體前面均設置有雷射窗口，以防止雷射在吸收體表面燒蝕出顆粒飄散附著在反射鏡上；②光譜採集模塊中，光纖耦合鏡前面設置有線偏振片，防止從樣品表面反射的雷射通過光纖耦合鏡聚焦損害光纖接頭；③成像模塊中，待測樣品表面的光先通過雷射反射鏡濾除絕大部分雷射，再通過線偏振片濾除剩餘雷射，以保護相機。
本實用新型提供的用於雷射探針成分分析儀的光路系統，其集成了雷射控制模塊、雷射監測模塊、光譜採集模塊、照明模塊和成像模塊五個模塊，可以同時實現雷射能量和光斑控制、雷射能量實時監測、等離子體光譜採集、樣品表面照明、樣品表面成像功能，實現穩定的光譜信息和樣品圖像信息的同時獲取，滿足現代工業應用需求；其中雷射控制模塊、雷射監測模塊、光譜採集模塊、照明模塊和成像模塊五個模塊在光路中是同軸的，結構緊湊，多個零件均可以實現多功能使用。此外，所述光路系統對各個零部件進行了雷射防護，提高零部件的使用壽命。
本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，並不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本實用新型的保護範圍之內。