本发明专利技术属于光谱测量及成像技术领域，涉及一种激光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，利用差动共焦技术探测样品表面形貌信息，并精确定位焦点位置保证激发光斑最小从而提高光谱探测的空间分辨力，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，本发明专利技术具有空间分辨力高、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。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于光谱测量及成像
，涉及一种激光差动共焦诱导击穿-拉曼光 谱成像探测方法及装置，将差动共焦成像技术与光谱探测技术相结合，构成一种"图谱合 一"的高分辨光谱成像与探测方法及装置，可用于样品的微区形态组分多光谱综合测试与 高分辨成像。 技术背景 激光诱导击穿光谱技术（Laser Induced Breakdown Spectroscopy，简称 LIBS)， 是一种物质组分原位探测技术，其利用高功率密度的激光激发样品表面，产生激光诱导等 离子体，通过探测激光诱导等离子体中的原子和离子谱线，来确定样品的组分结构，其突出 优势是可探测原子与小分子元素组成。 自1962年诞生以来，激光诱导击穿光谱技术广泛应用于微纳制造、矿产分析、环 境监测、生物医疗等多个领域，并且在2011年美国发射的"好奇号"火星车搭载的"化学与 摄像机仪器系统（ChemCam) "被用于对火星地表岩石样品进行远程探测，展现出其在空间物 质组分探测方面的强大能力，因此继"好奇号"火星车ChemCam系统之后又一次被选为金星 探测用仪器，被世界多个国家航天机构广泛研究采用。 但现有的激光诱导击穿光谱技术存在以下突出问题： 1)由于利用平行激光束来照射激发样品产生等离子体，因而其仍存在激光激发光 斑大、光谱探测空间分辨力不高等问题； 2)无法对分子中的化学键、分子结构等参数进行探测，其结果制约了样品物质组 分信息的准确完整获取； 3)获得的样品组分信息无法与样品的形态信息进行结合，无法实现样品形态-组 分综合信息的原位高分辨成像探测。 而矿产、空间物质以及生化样品的"微区"形貌组分信息的准确获取对于科学研究 和生产检测都具有极其重要的意义。事实上，如何高灵敏地探测微区成分信息是目前矿产 分析、空间探测和环境检测等领域亟待研究的共性技术问题。 激光诱导击穿光谱的强脉冲激光聚焦到样品表面会使样品离子化，可激发样品产 生等离子体，通过探测等离子体能量衰退辐射出的光谱可获取样品的原子及小分子元素组 成信息，但是无法获得样品分子的化学键和分子结构信息，如何完整的获取样品分子的元 素组成及分子结构信息，对于高精度分析样品的组分具有重要意义。 利用激光拉曼光谱技术可测量样品的分子激发光谱，获得样品中的化学键和分子 结构信息。将激光拉曼光谱技术与激光诱导击穿光谱（LIBS)技术相结合，可以来弥补激光 诱导击穿光谱技术中无法获得分子结构和化学键信息的不足。 激光共焦显微镜"点照明"和"点探测"的成像探测机制，不仅使其横向分辨力较 同等参数的光学显微镜改善1. 4倍，而且还使共焦显微镜极便于与超分辨光瞳滤波技术、 径向偏振光紧聚焦技术等结合来压缩聚焦光斑，进一步实现高空间分辨显微成像。 基于此，本专利技术提出一种高空间分辨激光差动共焦诱导击穿光谱-拉曼光谱显微 成像方法与装置，其创新在于：首次将具有高空间分辨能力的激光差动共焦显微技术与激 光诱导击穿光谱（LIBS)技术和激光拉曼光谱探测技术相融合，可实现被测样品微区高空 间分辨和高灵敏形态与组分的成像与探测。 本专利技术提出的一种高空间分辨激光差动共焦诱导击穿光谱-拉曼光谱显微成像 方法与装置可为物质组分高分辨成像探测提供一个全新的有效技术途径。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了实现物质组分与形态信息的"图谱合一"的高分辨光谱成像， 提出一种激光差动共焦诱导击穿光谱-拉曼光谱成像探测方法及装置，以期同时获得被测 样品的微区形态组分多光谱综合测试与高分辨成像。 本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的。 本专利技术的激光差动共焦诱导击穿-拉曼光谱成像探测方法，利用激发光照射到 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被系统收集后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，并利用差动 共焦曲线过零点精确定位焦点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)通过激发光束产生系统产生激发光，经过第一分光系统、光束扫描系统、物镜 后，聚焦在被测样品上，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，光束扫描系统、并被第一分光系统反射至第二分光系统，第二 分光系统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，利用激光诱导击穿光谱探测系统测 得载有被测样品元素信息的激光诱导击穿光谱信号I ( λ J，实现激光诱导击穿光谱测试， 其中\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分光，反射光束中拉曼光谱透过二向色分光系统 进入拉曼光谱探测系统，利用拉曼光谱探测系统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 ,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反射进入差动共焦探测系统，利用差动共焦探测系统测得载 有被测样品表面高度信息的差动共焦光强信息I ( V，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 ( V，u)、I ( λ J和I ( λ R)送到数据处理模块进行处理，从而获得包含被测样 品位置信息I ( V，u)和光谱信息I ( λ J、I ( λ R)的三维形貌和组分信息I ( V，u，λ b λ R); 6)光束扫描系统驱动光束对被测样品进行扫描，获得被测样品表面一组i个包含 高度信息I ( V，U)和光谱信息I ( λ J、I ( λ R)的序列测量信息U1 ( λ b λ R)，I1 ( V，U)};利 用I1(V1U)可以重构出被测样品的表面三维形貌，利用I1Ud λκ)可以获得被测样品的表 面各个微区的物质组分，两者结合可实现被测样品的"图谱合一"的形态组分的成像测量。 本专利技术中差动共焦曲线过零点处对应物镜焦点0,此处聚焦光斑尺寸最小，探测的 区域最小，差动共焦曲线其他位置对应物镜的离焦区域，在焦前或焦后ΒΒ'区域内的聚焦 光斑尺寸随离焦量增大而增大，利用此特点，可根据实际测量精度需求来控制聚焦光斑的 尺寸，控制对样品探测区域大小。 本专利技术中激发光束包括偏振光束、线偏光、圆偏光或径向偏振光；还可以是由光瞳 滤波技术生成的结构光束，其与偏振调制技术联用可以压缩测量聚焦光斑尺寸，提高系统 横向分辨力。 本专利技术提供一种激光差动共焦诱导击穿-拉曼光谱成像探测装置，包括激发光束 产生系统、第一分光系统、光束扫描系统、物镜、第二分光系统、激光诱导击穿光谱探测系 统、二向色分光系统、拉曼光谱探测系统、差动共焦探测系统及数据处理模块；其中，第一分 光系统、光束扫描系统、物镜沿光本文档来自技高网...
【技术保护点】
激光差动共焦诱导击穿‑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被系统收集后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，并利用差动共焦曲线过零点精确定位焦点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)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(λL)，实现激光诱导击穿光谱测试，其中λL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(λR)，实现激光拉曼光谱测试，其中λR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)反射进入差动共焦探测系统(10)，利用差动共焦探测系统(10)测得载有被测样品表面高度信息的差动共焦光强信息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(λL)和I(λR)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(λL)、I(λR)的三维形貌和组分信息I(ν,u,λL,λR)；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(λr)、I(λR)的序列测量信息{Ii(λL,λR)，Ii(ν,u)}；利用Ii(ν,u)可以重构出被测样品(4)的表面三维形貌，利用Ii(λL,λR)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。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：赵维谦，王允，邱丽荣，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11
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