基于时空整形的飞秒激光诱导击穿光谱发生与采集系统.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN110940659A(43)申请公布日2020.03.31(21)申请号201911250046.8(22)申请日2019.12.09(71)申请人北京理工大学地址100081北京市海淀区中关村南大街5号(72)发明人姜澜卫誉尹王素梅王猛猛孙嘉欣(74)专利代理机构北京理工正阳知识产权代理事务所(普通合伙)11639代理人张利萍(51)Int.Cl.G01N21/71(2006.01)权利要求书2页说明书5页附图2页(54)发明名称基于时空整形的飞秒激光诱导击穿光谱发生与采集系统(57)摘要本发明公开了一种基于时空整形的飞秒激光诱导击穿光谱发生与采集系统，属于飞秒激光应用技术领域。通过将长焦深的贝塞尔光束经缩束后用于激发材料等离子体，在不调焦的情况下对样品不同高度位置实现相同能量密度的等离子体激发，免去对单点单独调焦的过程，避免了每一次调焦操作中可能存在的人为和机器误差，保障光谱采集的稳定性、可重复性和采集效率。系统可调节锥透镜及缩束透镜组的参数，获得不同聚焦长度的贝塞尔区，根据个性化需求设计适应不同高度变化范围样品的装置。采用飞秒激光贝塞尔光束激发粗糙样品表面的等离子体时，系统中半波片和格兰泰勒棱镜的组合，实现对脉冲能量的连续线性调节，实现在近乎无损的情况下进行样品检测与分析。CN110940659ACN110940659A权利要求书1/2页1.基于时空整形的飞秒激光诱导击穿光谱发生与采集系统，其特征在于，包括飞秒激光加工子系统、脉冲时间整形器(8)、飞秒激光空域整形子系统、光谱采集子系统、成像子系统、计算机控制系统(24)和高精度三维平移台(14)；其中，飞秒激光加工子系统，用于诱导样品(13)等离子体发光；飞秒激光加工子系统包括飞秒激光器(1)、第一光阑(2)、电控快门(3)、半波片(4)、格兰泰勒棱镜(5)、衰减盘(6)、第二光阑(7)、镀膜反射镜(10)；飞秒激光脉冲依次经过上述部件后，到达样品(13)的表面，激发样品(13)诱导产生等离子体；其中，利用半波片(4)和格兰泰勒棱镜(5)的组合，实现对飞秒激光能量连续线性调节；脉冲时间整形器(8)，用于将原始的单脉冲飞秒激光在时域上整形为多个子脉冲，脉冲时间整形器(8)位于第二光阑(7)的后面；飞秒激光空域整形子系统，用于把原始的高斯分布的飞秒激光脉冲在空域上整形为贝塞尔光束，使光束具有更长的焦深，来自适应样品(13)表面的高度变化；飞秒激光空域整形系统由贝塞尔光束产生、缩束所需透镜组成，包括锥透镜(9)、第一平凸透镜(11)和第二平凸透镜(12)；其中，贝塞尔光束由锥透镜(9)对原始飞秒激光空域整形获得；第一平凸透镜(11)和第二平凸透镜(12)组成飞秒激光空域整形缩束透镜组；光谱采集子系统，用于采集时空整形后飞秒脉冲激发的等离子体发光的光谱信号，包括分束镜(15)、第一双胶合消色差透镜(19)、第二双胶合消色差透镜(20)、光纤探头(21)、增强型电荷耦合器件(22)和光谱仪(23)；样品(13)处产生的等离子体光，经飞秒激光空域整形子系统、成像子系统和双胶合消色差透镜后，会聚在光纤探头(21)处，经由光纤进入光谱仪(23)和增强型电荷耦合器件(22)，进行光谱采集与分析；成像子系统，用于观测样品(13)的激发区域，包括成像第一平凸透镜(16)、成像第二平凸透镜(17)、电荷耦合器件(18)、照明光源(25)和分束镜(26)，其中，照明光源(25)、分束镜(26)用于提供成像光源，成像第一平凸透镜(16)与成像第二平凸透镜(17)用于将图像信息耦合到电荷耦合器件(18)；高精度三维平移台(14)，其运动精度为微米级别，用于承载样品(13)，精确地控制飞秒激光在样品表面地激发位置，其与成像子系统配合使用，用于样品(13)表面不同位置的选择性激发；计算机控制系统(24)，用于协同控制整个系统的飞秒激光脉冲时域整形、等离子体激发、等离子体光谱采集与分析、激发过程观测以及平移台的移动；上述组成部件之间的位置及连接关系为：计算机控制系统(24)与飞秒激光器(1)、电控快门(3)、脉冲时间整形器(8)、电荷耦合器件(18)、增强型电荷耦合器件(22)和光谱仪(23)相连；飞秒激光加工子系统产生的脉冲飞秒激光，传播至脉冲时间整形器(8)；飞秒激光经脉冲时间整形器(8)后，进入飞秒激光空域整形子系统，并向下传播至样品(13)表面；在样品(13)表面产生的等离子体光，经直线反射后向上反向传播，进入光谱采集子系统，经光纤探头(21)采集后进入光谱仪(23)分析；样品(13)在照明光源照射下产生的白光同样向上反射，进入成像子系统中的电荷耦合器件(18)，实现对加工结果的实时观测。2CN110940659A权利要