多波长激光同轴微区原位剥蚀进样系统

1.本发明属于地球化学分析领域，具体涉及一种多波长激光同轴微区原位剥蚀进样系统。


背景技术：

2.激光剥蚀系统是激光剥蚀电感耦合等离子体质谱元素分析技术中重要的组成部分，与质谱分析技术结合可实现微区、原位、快速的元素检测和同位素分析。激光剥蚀系统通过高能量的短脉冲或超短脉冲激光聚焦在固体材料样品表面，少量样品被剥蚀，在惰性气体条件下形成气溶胶颗粒，通过载气运输到离子化装置完成对样品的采样、传输和离子化。然而部分激光器只能通过多个出光口分别输出不同波长的激光脉冲，在使用不同波长激光时，需要频繁调整光路或搭建多条光路以满足研究需求，使得整个激光剥蚀系统繁琐、复杂。
3.目前地球化学分析中，尤其是固体微区地球化学分析技术依赖于激光剥蚀进样系统和等离子体质谱仪的联用，可将样品的元素和同位素含量或比值测量出来。激光剥蚀系统中激光波长往往作为重要参数影响着实验的结果，比如在激光剥蚀电感耦合等离子体质谱元素分析技术中，激光波长影响着单光子能量和材料的对光吸收程度，从而导致剥蚀深度、样品表面温度、剥蚀速度、气溶胶组成等发生变化，进而影响微区分析时的分析信号灵敏度，而且由于被剥蚀样品和剥蚀激光光路空间位置固定，使用多通道的激光器时切换波长的操作过于繁琐，且容易改变光路条件影响试验稳定性；剥蚀激光聚焦需要精准控制样品高度，且微区分析需精准定位采样点，人工手动完成以上精密操作过于困难。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于，提供一种多波长激光同轴微区原位剥蚀进样系统，使多光路激光器实现单光路输出多种波长，并实现对样品的自动聚焦剥蚀和微区原位剥蚀进样。
5.为了实现上述目的，本发明的技术方案为：
6.一种多波长激光同轴微区原位剥蚀进样系统，该系统包括多波长激光器、扩束镜、反射镜、分束镜、聚焦镜、剥蚀池、三维移动平台、相机、机器视觉控制模块和载气装置；
7.其中，多波长激光器设有多个出光口，用于输出多路不同波长的激光；各出光口前均设有扩束镜，扩束后的多路激光经由反射镜和分束镜的两次反射重合在同一条光轴上，并由聚焦镜进行聚焦；
8.剥蚀池位于三维移动平台上且其内置有样品；三维移动平台和相机均与机器视觉控制模块相连，由机器视觉控制模块控制三维移动平台移动实现激光焦点置于样品表面的选定位置，以完成剥蚀激光的自动聚焦和微区原位剥蚀采样；
9.载气装置连通剥蚀池，以实现微区原位剥蚀进样。
10.进一步的，根据用户剥蚀不同种类固体样品，选用不同波长且能同轴传输的激光脉冲进行剥蚀取样。
11.进一步的，扩束镜为高倍数扩束镜，分束镜为高性能长波透、短波反射或短波透、长波反射的分束镜。
12.进一步的，机器视觉控制模块实现不同波长激光自聚焦于样品表面以及剥蚀点自动选取和定位。
13.进一步的，该系统还包括滤波片；重合在同一条光轴上的激光依次通过装有反射镜和聚焦镜的爬高架和玻璃窗口聚焦在样品表面，反射光则依次通过窗口、聚焦镜、分束镜和滤波片进入相机。
14.本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
15.本发明采用扩束镜、分束镜和反射镜等光学元件的组合，可将激光器的不同波长的激光同轴，使单光路输出多波长激光脉冲，能够高效、便捷地切换剥蚀激光的波长，根据材料对光的吸收特性，选取合适的波长以提高剥蚀效率；短脉冲或超短脉冲激光聚焦剥蚀，结合精密的可移动平台、ccd相机和机器视觉控制模块，可实现激光自聚焦；再结合连有载气装置的密闭剥蚀池，可以对样品实现微区原位采样、进样，有助于实现高分辨率和高灵敏度的化学分析。该系统结构紧凑、快捷方便，有助于高分辨率和高灵敏度的元素和同位素分析，因此该多波长激光同轴微区原位剥蚀进样系统在地球分析化学等领域具有重要、广泛的应用前景。
附图说明
16.图1是本发明的多波长激光同轴微区原位剥蚀进样系统的结构示意图。
17.图中：1-激光器，2-出光口，3-扩束镜，41-第一谐波分束镜，42-第二谐波分束镜，43-第三谐波分束镜，51-第一反射镜，52-第二反射镜，53-第三反射镜，54-第四反射镜，6-聚焦镜，7-滤波片，8-剥蚀池，9-样品，10-三维移动平台，11-相机，12-计算机，13-进气管道，14-出气管道，15-窗口。
具体实施方式
18.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
19.本发明提供了一套多波长激光的光路同轴输出方法和激光微区原位剥蚀进样系统，将多路输出的激光进行合路，能够简易切换剥蚀激光的波长；并且通过一套机器视觉自聚焦系统，包含可移动的精密平台、ccd(charge coupled device)相机和计算机上的机器视觉控制软件，可实现剥蚀激光的自动聚焦和剥蚀位置的观察与选取；结合连有载气的密闭剥蚀池，可完成微区原位剥蚀和进样操作。该发明系统结构紧凑、快捷方便，有助于高分辨率和高灵敏度的元素和同位素分析。
20.本发明的多波长激光光路同轴的原位剥蚀进样系统，可根据具体条件和需求实现不同多波长的短脉冲或超短脉冲激光同轴，并完成微区原位采样和进样。本发明首先对激光器的不同出光口分别使用高功率扩束镜进行扩束，然后使用反射镜和谐波分束镜两次反射使不同激光光路重合，通过选取合适的分束镜并调整反射的角度，即可使不同波长激光
脉冲光路在同一条光轴上；然后通过反射镜使激光光路爬高，再使用聚焦镜将激光聚焦；可通过ccd相机结合机器视觉控制软件，使精密三维移动平台自动调整样品空间位置，从而使激光焦点置于样品上表面的选定位置以完成微区原位剥蚀采样；再通过密闭剥蚀池和载气装置可将被剥蚀产生的气溶胶传输完成全部进样过程。本发明中的激光光路系统只需采用扩束镜、分束镜和反射镜等标准光学元件相组合，使多光路激光器实现单光路输出多种波长，并实现对样品的自动聚焦剥蚀和微区原位剥蚀进样，有助于高分辨率和高灵敏度的元素和同位素的分析，装调便利、结构简单、适用性广泛、可重复性好。
21.本发明在地球化学分析等领域中具有重要作用，能够完成所需的多波长激光对样品的微区原位剥蚀和取样、进样操作。一方面，激光波长作为重要参数影响着激光剥蚀的取样性能，包括剥蚀产物的颗粒物(气溶胶)的大小和分布、对相同基体材料的剥蚀阈值、剥蚀深度、剥蚀速度等，而一些常见的短脉冲或超短脉冲激光器，通过不同的倍频光路分别输出不同波长的激光，使得单条光路难以通过不同波长的激光，在科研应用中切换不同波长的剥蚀激光繁琐、困难，本发明就可以有效解决不同波长激光不能同轴输出的问题，避免切换激光波长时的重复搭建光路和重新调节；另一方面，基于短脉冲或超短脉冲激光作为光源的剥蚀系统，是微区原位元素分析技术的重要组成部分，本发明结合短脉冲(或超短脉冲)激光剥蚀、可移动的精密平台、ccd相机、机器视觉控制软件和连有载气的密闭剥蚀池组成的整套系统，可实现激光自聚焦并自动化完成微区原位的采样、进样功能，在地球化学分析等领域中具有重要作用和广泛的应用前景。
22.如图1所示，短脉冲及超短脉冲激光器1在不同倍频条件下输出的波长从红外、可见到紫外不等，如1064nm、1030nm、800nm、532nm、515nm、400nm、355nm、193nm等，本发明均可适用(只需选取合适元件)。以常见的nd：yag纳秒激光器为例，三个出光口2分别输出三种不同波长的激光：三倍频355nm激光、基频1064nm激光和二倍频532nm激光，分别使用对应其波长的标准的高功率扩束镜3对其扩束，输出扩束后的355nm激光、1064nm激光和532纳nm激光。扩束后532nm激光透过第一谐波分束镜41和第二谐波分束镜42后继续输出至后续光路；扩束后355nm激光经第一反射镜51转折光路后，再经过第一谐波分束镜41转折光路，与532nm激光光路实现同轴；扩束后1064nm激光经第二反射镜52转折光路后，再经过第二谐波扩束镜42转折光路，与532nm激光光路实现同轴。通过控制激光器的工作状态，即可在同一通道分别输出355nm激光、532nm激光或1064nm激光；然后355nm、532nm和1064nm激光均通过第三反射镜53和第四反射镜54反射实现光路爬高，然后经第三谐波分束镜43反射垂直向下通过聚焦镜6聚焦在样9品表面完成剥蚀。
23.样品9置于精密三维移动平台10上的剥蚀池8的密闭腔体内，剥蚀池8底部与精密三维移动平台10固定，剥蚀池8上面设置窗口15装载光学玻璃(如氟化钙玻璃等)以便激光通过；而反射光向上透过窗口15和第三谐波分束镜33，再通过滤波片7过滤掉激光，使ccd相机11可获得剥蚀池8内的高清影像；ccd相机11将影像数据传递至计算机12，再由机器视觉软件识别并传输控制信号至精密三维移动平台10，从而自动实现激光对样品表面的精准聚焦。同时精准定位被剥蚀的位置，即实现对样品的微区原位采样。剥蚀池两侧设置进气口和出气口，分别接通进气管道13和出气管道14，以实现采样后的气溶胶传输，即进样操作。
24.综上所述，本发明采用扩束镜、分束镜和反射镜等光学元件的组合，将激光的不同波长的激光同轴，使单光路输出多波长激光脉冲，能够高效、便捷地切换剥蚀激光的波长，
根据材料对光的吸收特性，选取合适的波长以提高剥蚀效率；短脉冲或超短脉冲激光聚焦剥蚀，结合精密的可移动平台、ccd相机和机器视觉控制软件，可实现激光自聚焦；再结合连有载气的密闭剥蚀池，可以对样品实现微区原位采样、进样，有助于实现高分辨率和高灵敏度的化学分析。本发明可以低成本、快速便捷地实现激光波长快速切换、剥蚀激光自聚焦以及微区原位的采样、进样功能。
25.本领域的技术人员容易理解，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。