基于外场增强的飞秒激光诱导击穿光谱深度检测系统

技术领域

本发明涉及基于外场增强飞秒激光诱导击穿光谱用于深度检测系统，属于飞秒激光应用技术领域。

背景技术

激光诱导击穿光谱技术(Laser-induced breakdown spectroscopy，简称LIBS)是近年来发展迅速的一种光谱检测技术，这项技术的基本原理是利用聚焦后的脉冲激光在待测样品表面激发等离子体，使用光谱仪采集等离子体发光光谱信号并从中提取各种元素的特征谱信息。由于其样品制备简单、快速实时响应、非接触式检测且可用于几乎所有自然元素等优点，LIBS技术被广泛应用于环境监测、矿物分析、农业土壤分析与生物分析等领域。

飞秒激光是一种具有fs级超短脉宽的脉冲激光，它的加工过程具有空间分辨率高、热损伤小等特点，因此基于飞秒激光的LIBS技术，可以在样品深孔加工中实现深度方向微米级空间分辨率的元素检测。

然而在实际的深度检测应用中，待测样品元素种类复杂、一些元素含量较少，发光等离子体喷发强度较弱，共同导致LIBS光谱信号的深度检测极限和元素分辨率较低。因此，发明一种能提高LIBS光谱信号强度，进而提高深度检测极限与元素分辨率的飞秒激光诱导击穿光谱深度检测系统及方法至关重要。

发明内容

本发明公开的基于外场增强飞秒激光诱导击穿光谱用于深度检测系统，目的是提高带涂层合金材料深孔加工中的深度检测极限与元素分辨率，提出了一种增强飞秒激光诱导击穿光谱强度的方法，具体利用直流电源在针状电极尖端与样品之间产生电位差，飞秒激光经由透镜聚焦后激发样品产生等离子体喷发，在电极尖端诱发电火花放电，协同微波发生器产生的微波场，增加和维持样品加工深孔中发光等离子体的发射强度和寿命，提高等离子体发光光谱采集信号的强度，最终提高样品的深度检测极限和分辨率。

本发明的目的是通过如下技术方案实现的：

一种基于外场增强的飞秒激光诱导击穿光谱深度检测系统，包括飞秒激光加工子系统、顶端成像子系统、光谱采集子系统、微波光谱增强子系统、火花放电光谱增强子系统、高精度三维平移台、数字延时脉冲发生器和计算机控制系统。

所述飞秒激光加工子系统用于激发样品产生等离子体，包括飞秒激光器、第一光阑、电控快门、半波片、格兰泰勒棱镜、第二光阑、镀膜反射镜、聚焦平凸透镜和带涂层合金样品；飞秒激光脉冲依次经过上述部件后，聚焦于带涂层合金样品的加工位置，激发带涂层合金样品产生等离子体；利用半波片和格兰泰勒棱镜的组合，实现对飞秒激光能量的连续线性调节；

所述顶端成像子系统用于对样品加工过程的实时观测，包括分束镜、成像第一平凸透镜、成像第二平凸透镜、电荷耦合器件和照明光源；分束镜和照明光源用于提供成像光源，成像第一平凸透镜与成像第二平凸透镜用于将图像信息耦合到电荷耦合器件；

所述光谱采集子系统用于采集样品的等离子体发光并获得等离子体光谱，包括第一双胶合消色差透镜、第二双胶合消色差透镜、光纤探头、光纤、光谱仪和增强型电荷耦合器件；第一双胶合消色差透镜和第二双胶合消色差透镜将样品等离子体发光会聚在光线探头处，经过光纤传输进入光谱仪和增强型电荷耦合器件进行光谱采集与分析；

所述微波光谱增强子系统用于在样品加工位置产生局部增强微波场以提高等离子体发光强度和持续时间，包括铜质锥形天线、柔性同轴电缆、定向耦合器、三短截线式调谐器和磁控管微波发生器；磁控管微波发生器产生脉冲微波辐射，经由柔性同轴电缆传输到达铜质锥形天线，在样品加工位置形成微波场，中间经过的三短截线式调谐器用于改变微波能量，定向耦合器用于测量输入和反射的微波功率；

所述火花放电光谱增强子系统用于增加样品等离子体发光的强度和持续时间，包括钨质针状电极、第一限流电阻、第二限流电阻、高压电容器和直流高压电源；连接直流高压电源的两极使得针状电极和带涂层合金样品之间形成高电压，使用高压电容器与之并联进行电荷存储，一旦激光脉冲激发带涂层合金样品产生等离子体，针状电极和带涂层合金样品之间的气隙就会导电，两者间的高电压立即触发火花放电；另外，在带涂层合金样品与高压电容器的并联电路中接入第一限流电阻和第二限流电阻，限制充放电过程的电流；

所述高精度三维平移台与计算机控制系统相连,用于承载带涂层合金样品进行微米级精度运动，可以精确控制飞秒激光加工样品的位置；高精度三维平移台与顶端成像子系统配合使用，用于在带涂层合金样品的不同深度位置激发等离子；

所述数字延时脉冲发生器与飞秒激光器和磁控管微波发生器相连,用于协同控制脉冲激光和脉冲微波的输出延时；控制脉冲激光的延迟时间使得脉冲激光与微波振荡同步到达带涂层合金样品，从而增强飞秒激光激发等离子体发射强度。

所述计算机控制系统与飞秒激光器、电控快门、高精度三维平移台、电荷耦合器件、光谱仪、增强型电荷耦合器件和数字延时脉冲发生器相连,用于协同控制飞秒激光脉冲触发、电控快门开关、三维平移台运动、光谱仪光谱采集、电荷耦合器件(CCD)成像和延时脉冲发生器参数；

带涂层合金样品在照明光源照射下产生的白光向上反射，进入顶端成像子系统中的电荷耦合器件，实现对加工过程的实时观测；

飞秒激光激发带涂层合金样品产生的等离子体发光，由第一双胶合消色差透镜、第二双胶合消色差透镜会聚进入光谱采集子系统，经光纤探头采集后进入光谱仪；

带涂层合金样品与微波光谱增强子系统的铜质锥形天线之间保持几毫米的间隙，后者经由柔性同轴电缆与磁控管微波发生器相连，将脉冲微波传输至带涂层合金样品处；

带涂层合金样品与火花放电光谱增强子系统的针状电极之间保持几毫米的间隙，两者通过导线分别与直流高压电源的负极和正极相连。

所述的延时脉冲发生器控制脉冲激光的延迟时间使得脉冲激光与微波振荡同步到达带涂层合金样品，从而增强飞秒激光激发等离子体发射强度。

本发明公开的基于外场增强飞秒激光诱导击穿光谱用于深度检测系统，检测方法步骤如下：

步骤一，使用激光熔覆技术，在合金材料表面沉积一层约百微米厚度的陶瓷涂层；

步骤二，将带涂层的合金样品固定在高精度三维平移台上，使用导线分别将钨质针状电极和样品连接在直流高压电源的正极和负极，针状电极和样品之间保持几毫米的空气间隙；

步骤三，将铜质锥形天线固定在样品加工位置侧上方并与样品保持几毫米距离，通过磁控管产生脉冲微波辐射，经过柔性同轴电缆传输至锥形天线，脉冲微波到达后在样品加工位置形成局部增强微波场；

步骤四，通过计算机控制系统设置飞秒激光器输出激光的频率，使用延时脉冲发生器控制脉冲激光的延迟时间，激光经过电控快门、半波片等传播并经平凸透镜聚焦于样品表面，在样品表面激发等离子体，并在针状电极与样品之间触发火花放电；

步骤五，调节两个双胶合消色差透镜的位置使等离子体发光聚焦到光纤探头中，最终经过光纤传输至光谱仪，设置好光谱仪和增强型电荷耦合器件(ICCD)的参数；

步骤六，随着脉冲激光重复作用于样品进行叩击加工，高精度三维平移台搭载样品向上方持续运动，样品的烧蚀坑深度也不断增加，采集得到样品不同深度的等离子体光谱。

有益效果

1、本发明公开的基于外场增强的飞秒激光诱导击穿光谱深度检测系统，同时采用火花放电和微波增强等离子体的方法，提高了等离子体的喷发强度和持续时间，得到的等离子体发光光谱强度与信噪比远高于普通的光谱检测方法，从而提高了LIBS方法用于深孔加工中元素检测的深度检测极限与元素分辨率。

2、本发明公开的基于外场增强的飞秒激光诱导击穿光谱深度检测系统，采用飞秒激光叩击加工带涂层合金样品，叩击加工深度小于800nm，配合运动精度小于1μm的高精度三维平移台，飞秒激光LIBS的元素检测方法可以实现微米级深度分辨率，显著优于长脉冲激光的LIBS方法。

3、本发明公开的基于外场增强的飞秒激光诱导击穿光谱深度检测系统，可用于各种分层样品的深度检测，检测适应性强，加工中实时响应检测结果，检测效率高。

附图说明

图1为本发明基于外场增强的飞秒激光诱导击穿光谱深度检测系统的技术方案流程图。

图2为本发明基于外场增强的飞秒激光诱导击穿光谱深度检测系统的组成结构图。

其中，1-飞秒激光器，2-第一光阑，3-电控快门，4-半波片，5-格兰泰勒棱镜，6-第二光阑，7-镀膜反射镜，8-聚焦平凸透镜，9-带涂层合金样品，10-高精度三维平移台，11-分束镜，12-成像第一平凸透镜，13-成像第二平凸透镜，14-电荷耦合器件(CCD)，15-照明光源，16-第一双胶合消色差透镜，17-第二双胶合消色差透镜，18-光纤探头，19-光纤，20-光谱仪，21-增强型电荷耦合器件(ICCD)，22-铜质锥形天线，23-柔性同轴电缆，24-定向耦合器，25-三短截线式调谐器，26-磁控管微波发生器，27-钨质针状电极，28-第一限流电阻，29-第二限流电阻，30-高压电容器，31-直流高压电源，32-数字延时脉冲发生器，33-计算机控制系统。

具体实施方式

为了更好的理解本发明方法，下面将结合实施例对本发明的技术方案做进一步的详细介绍。

实施例1：

一种基于外场增强的飞秒激光诱导击穿光谱深度检测系统，其技术方案如图1所示。运用激光熔覆技术在合金材料表面沉积一层陶瓷涂层，将制备好的样品固定在高精度三维平移台上，用于火花放电的针状电极和样品分别用导线连接直流高压电源的两极，一端连接微波发生器的锥形天线固定在样品侧上方，脉冲微波到达后在样品加工位置形成局部增强微波场，使用延时脉冲发生器设置好脉冲激光和脉冲微波的延时后，激光器输出脉冲激光激发样品产生等离子体和火花放电，光纤探头收集等离子体发光并传输至光谱仪和ICCD获得等离子体光谱，并随着平移台搭载样品持续向上方运动，在样品的不同深度采集得到光谱信号。

如图2所示，基于外场增强的飞秒激光诱导击穿光谱深度检测系统系统包括飞秒激光加工子系统、顶端成像子系统、光谱采集子系统、微波光谱增强子系统、火花放电光谱增强子系统、高精度三维平移台10、数字延时脉冲发生器32和计算机控制系统33。

所述飞秒激光加工子系统用于激发样品9产生等离子体，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、第二光阑6、镀膜反射镜7、聚焦平凸透镜8和带涂层合金样品9；飞秒激光脉冲依次经过上述部件后，聚焦于带涂层合金样品9的加工位置，激发带涂层合金样品9产生等离子体；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的连续线性调节；

所述顶端成像子系统与计算机控制系统相连,用于对样品加工过程的实时观测，包括分束镜11、成像第一平凸透镜12、成像第二平凸透镜13、电荷耦合器件14和照明光源15；分束镜11和照明光源15用于提供成像光源，成像第一平凸透镜12与成像第二平凸透镜13用于将图像信息耦合到电荷耦合器件14；

所述光谱采集子系统用于采集样品的等离子体发光并获得等离子体光谱，包括第一双胶合消色差透镜16、第二双胶合消色差透镜17、光纤探头18、光纤19、光谱仪20和增强型电荷耦合器件21；第一双胶合消色差透镜16和第二双胶合消色差透镜17将样品等离子体发光会聚在光线探头18处，经过光纤19传输进入光谱仪20和增强型电荷耦合器件21进行光谱采集与分析；

所述微波光谱增强子系统用于在样品加工位置产生局部增强微波场以提高等离子体发光强度和持续时间，包括铜质锥形天线22、柔性同轴电缆23、定向耦合器24、三短截线式调谐器25和磁控管微波发生器26；磁控管微波发生器26产生脉冲微波辐射，经由柔性同轴电缆23传输到达铜质锥形天线22，在样品加工位置形成微波场，中间经过的三短截线式调谐器25用于改变微波能量，定向耦合器24用于测量输入和反射的微波功率；

所述火花放电光谱增强子系统用于增加样品等离子体发光的强度和持续时间，包括钨质针状电极27、第一限流电阻28、第二限流电阻29、高压电容器30和直流高压电源31；连接直流高压电源的两极使得针状电极27和带涂层合金样品9之间形成高电压，使用高压电容器30与之并联进行电荷存储，一旦激光脉冲激发带涂层合金样品9产生等离子体，针状电极27和带涂层合金样品9之间的气隙就会导电，两者间的高电压立即触发火花放电；另外，在带涂层合金样品9与高压电容器30的并联电路中接入第一限流电阻28和第二限流电阻29，限制充放电过程的电流；

所述高精度三维平移台10与计算机控制系统相连,用于承载带涂层合金样品9进行微米级精度运动，可以精确控制飞秒激光加工样品的位置；高精度三维平移台10与顶端成像子系统配合使用，用于在带涂层合金样品9的不同深度位置激发等离子；

所述数字延时脉冲发生器32与飞秒激光器1和磁控管微波发生器26相连.用于协同控制脉冲激光和脉冲微波的输出延时；

所述计算机控制系统33与飞秒激光器1、电控快门3、高精度三维平移台10、电荷耦合器件14、光谱仪20、增强型电荷耦合器件21和数字延时脉冲发生器32相连；用于协同控制飞秒激光脉冲触发、电控快门开关、三维平移台运动、光谱仪光谱采集、电荷耦合器件(CCD)成像和延时脉冲发生器参数；

带涂层合金样品9在照明光源照射下产生的白光向上反射，进入顶端成像子系统中的电荷耦合器件14，实现对加工过程的实时观测；

飞秒激光激发带涂层合金样品9产生的等离子体发光，由第一双胶合消色差透镜16、第二双胶合消色差透镜17会聚进入光谱采集子系统，经光纤探头18采集后进入光谱仪20；

带涂层合金样品9与微波光谱增强子系统的铜质锥形天线22之间保持几毫米的间隙，后者经由柔性同轴电缆23与磁控管微波发生器26相连，将脉冲微波传输至带涂层合金样品9处；

带涂层合金样品9与火花放电光谱增强子系统的针状电极27之间保持几毫米的间隙，两者通过导线分别与直流高压电源31的负极和正极相连。

所述的延时脉冲发生器控制脉冲激光的延迟时间使得脉冲激光与微波振荡同步到达带涂层合金样品，从而增强飞秒激光激发等离子体发射强度。

本发明公开的基于外场增强飞秒激光诱导击穿光谱用于深度检测系统，检测方法步骤如下：

步骤1：使用激光熔覆技术，在合金材料表面沉积一层约100μm厚度的陶瓷涂层，制备带涂层合金样品9。

步骤2：将样品9固定在高精度三维平移台10上，使用导线分别将钨质针状电极27和涂层合金样品9连接在直流高压电源31的正极和负极，电极27和涂层合金样品9之间保持2～3mm的空气间隙。

步骤3：使用柔性同轴电缆23将磁控管微波发生器26经由定向耦合器24和三短截线式调谐器25连接至锥形天线22，锥形天线22固定在涂层合金样品9侧上方并与激光加工位置保持1～2mm的距离，磁控管微波发生器26产生的脉冲微波到达合金样品9后形成局部增强微波场。

步骤4：调节飞秒激光加工子系统，使激光通过第一光阑2和第二光阑6的中心以进行光束准直，并调节镀膜反射镜7使激光反射后与涂层合金样品9表面垂直。飞秒激光器1产生的脉冲激光，依次经过第一光阑2、电控快门3后，入射在半波片4、格兰泰勒棱镜5上，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的连续线性调节，最后经过平凸透镜8聚焦于涂层合金样品9表面。

步骤5：打开照明光源15，使得照明光垂直照射涂层合金样品9表面，反射光经由分束镜11的反射，透过成像第一平凸透镜12、成像第二平凸透镜13进入电荷耦合器件14中，实现对加工过程的实时观测。

步骤6：通过计算机控制系统33设置飞秒激光器1输出激光频率为10Hz，使用延时脉冲发生器32控制脉冲激光的延迟时间使得脉冲激光与微波振荡同步到达涂层合金样品9，激光在涂层合金样品9表面激发等离子体，并造成针状电极27与涂层合金样品9之间的空气间隙中触发火花放电。

步骤7：调节两个双胶合消色差透镜16和17的位置，使涂层合金样品9的等离子体发光经由它们重新聚焦在光纤探头18处，之后等离子体发光经过光纤19传输至光谱仪20和增强型电荷耦合器件21，设置好光谱仪20和增强型电荷耦合器件21的参数，获得涂层合金样品9激发后的等离子体光谱。

步骤8：设置高精度三维平移台10搭载涂层合金样品9以5μm/s的速度向上方匀速运动，随着脉冲激光重复作用进行叩击加工，涂层合金样品9的烧蚀坑深度不断增加，采集得到涂层合金样品9不同深度的等离子体光谱。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。