CN105021577A - 激光共焦诱导击穿-拉曼光谱成像探测方法与装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光谱测量及成像技术领域，涉及一种激光共焦诱导击穿光谱-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，利用共焦技术探测样品表面形貌信息，并通过轴向定焦保证聚焦到样品表面的光斑最小从而提高光谱激发效率，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，本发明具有高空间分辨，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。
Description
技术领域
本发明属于光谱测量及成像技术领域，涉及一种激光共焦诱导击穿-拉曼光谱成像探测方法及装置，将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，来确定样品的组分组成，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***(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***之后又一次被选为金星探测用仪器，被世界多个国家航天结构广泛研究采用。
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获取。
而矿产、空间物质以及生化样品的“微区”完整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，本发明提出一种高空间分辨激光共焦诱导击穿光谱-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。
本发明提出的一种高空间分辨激光共焦诱导击穿光谱-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。
发明内容
本发明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。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
本发明的激光共焦诱导击穿-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***收集后经过分光一部分进入激光诱导击穿光谱探测***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***进入拉曼光谱探测***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***反射进入共焦探测***进行光强探测获得样品表面高度和形貌信息，并利用共焦曲线最大值M精确定位焦点O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***产生激发光，经过第一分光***、光束扫描***、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***、并被第一分光***反射至第二分光***，第二分光***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***，利用激光诱导击穿光谱探测***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***分光，反射光束中拉曼光谱透过二向色分光***进入拉曼光谱探测***，利用拉曼光谱探测***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***反射进入共焦探测***，利用共焦探测***测得载有被测样品表面高度信息的共焦光强信息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***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(ν,u)和光谱信息I(λr)、I(λB)的序列测量信息{Ii(λL,λB)，Ii(ν,u)}；利用Ii(ν,u)可以重构出被测样品的表面三维形貌，利用Ii(λL,λR)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。
本发明中，共焦曲线最大值M处对应物镜焦点O，此处聚焦光斑尺寸最小，探测的区域最小，共焦曲线其他位置对应物镜的离焦区域，在焦前或焦后BB'区域内的聚焦光斑尺寸随离焦量增大而增大，利用此特点，通过调整样品的z向离焦量，并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。
本发明中，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***横向分辨力。
本发明提供一种激光共焦诱导击穿-拉曼光谱成像探测装置，包括激发光束产生***、第一分光***、光束扫描***、物镜、第二分光***、激光诱导击 穿光谱探测***、二向色分光***、拉曼光谱探测***、共焦探测***及数据处理模块；其中，第一分光***、光束扫描***、物镜沿光路依次放置在激发光束产生***的出射方向，第二分光***位于第一分光***的反射方向，激光诱导击穿光谱探测***位于第二分光***的透射方向，二向色分光***位于第二分光***的反射方向，拉曼光谱探测***位于二向色分光***的透射方向，共焦探测***位于二向色分光***的反射方向，数据处理模块与激光诱导击穿光谱探测***、拉曼光谱探测***和共焦探测***连接，用于融合并处理激光诱导击穿光谱探测***、拉曼光谱探测***和共焦探测***采集到的数据。
本发明装置中，光谱探测***可以是普通激光诱导击穿光谱探测***、拉曼光谱探测***，包括沿光路依次放置的第三聚光镜、位于第三聚光镜焦点位置的激光诱导击穿光谱仪及位于激光诱导击穿光谱仪后的第二探测器，沿光路依次放置的第四聚光镜、位于第四聚光镜焦点位置的拉曼光谱仪及位于拉曼光谱仪后的第三探测器，用于被测样品的表层光谱探测；还可以是共焦激光诱导击穿光谱探测***、共焦拉曼光谱探测***，共焦激光诱导击穿光谱探测***包括沿光路依次放置的第三聚光镜、位于第三聚光镜焦点位置的第三针孔、位于第三针孔后的第五聚光镜、位于第五聚光镜之后的激光诱导击穿光谱仪及位于激光诱导击穿光谱仪后的第二探测器；共焦拉曼光谱探测***包括沿光路依次放置的第四聚光镜、位于第四聚光镜焦点位置的第四针孔、位于第四针孔后的第六聚光镜、位于第六聚光镜之后的拉曼仪及位于拉曼光谱仪后的第三探测器，用于提高***信噪比和空间分辨力，以及对被测样品进行层析光谱探测。
本发明装置中，激发光束产生***包括径向偏振光发生器及光瞳滤波器，用于产生偏振光及结构光束。
本发明装置中，用于压缩激发光斑的光瞳滤波器可以位于径向偏振光发生器与第一分光***之间，还可以位于第一分光***与物镜之间。
本发明装置中，激光诱导击穿光谱探测***还可以放置在第二分光***的反射方向，二向色分光***和拉曼光谱探测***放置在第二分光***的透射方向。
本发明装置中，激发光束产生***还可以放在第一分光***的反射方向，第二分光***沿光路依次放在第一分光***的透射方向，激光诱导击穿光谱探测***位于第二色分光***的透射方向，二向色分光***位于第二分光***的反射方向，拉曼光谱探测***位于二向色分光***的透射方向，共焦探测***位于二向色分光***的反射方向，数据处理模块连接共焦探测***、激光诱导击穿光谱探测***与拉曼光谱探测***。
本发明装置中，还可以包括第三分光***及位于第三分光***反射方向的显微观察***，用于被测样品粗瞄；其中，第三分光***可以位于激发光束产生***与光束扫描***之间。
有益效果
本发明对比已有技术具有以下创新点：
1)本发明将激光共焦技术与光谱探测技术有机结合，利用激光共焦技术精确定位测量光束会聚点，探测到对应激发聚焦光斑微小区域的样品光谱特性，实现样品微区光谱的高空间分辨探测，这是区别于现有光谱探测技术的创新点之一；
2)本发明通过合理设计能够对蕴含不同信息的拉曼散射光谱和激光诱导击穿光谱同时进行探测，实现结构共用和功能互补，实现了对样品元素组成和化学键及分子结构的高分辨探测，获得样品物质组分的综合信息，这是区别于现有光谱探测技术的创新点之二；
3)利用共焦响应曲线对应不同聚焦光斑尺寸的特性，对聚焦光斑位置进行精确调控，进而控制测量聚焦光斑的尺寸，便于对不同测试需求的样品进行测试与分析，即实现测量聚焦光斑尺寸可调，这是区别于现有光谱探测技术的创新点之三；
4)将共焦显微***与光谱成像***在结构和功能上相融合，既可实现样品微区几何参数的层析成像，又可实现样品微区的光谱探测，即同时实现微尺度层析成像、图谱层析成像和光谱测试等多种成像模式，这是区别于现有光谱探测技术的创新点之四；
本发明对比已有技术具有以下显著优点：
1)融合激光共焦技术和光谱探测技术，利用共焦***对焦点的精确定位，大幅提高光谱探测的空间分辨力；
2)可通过激光诱导击穿光谱与激光拉曼光谱联用，实现激发和探测结构的共用和功能的互补，获得样品组分的元素组成、化学键以及分子结构等综合信息；
3)利用共焦响应曲线的离焦区域，调控聚焦光斑尺寸，可满足不同测试需求，使***具有通用性。
附图说明
图1为共焦拉曼光谱成像方法示意图；
图2为激光共焦诱导击穿-拉曼光谱成像探测方法示意图；
图3为激光共焦诱导击穿-拉曼光谱成像探测装置示意图；
图4为具有共焦光谱探测功能的激光共焦诱导击穿-拉曼光谱测量装置示意图；
图5为激发光源反射式激光共焦诱导击穿-拉曼光谱测量装置示意图；
图6为具有成像观察功能的激光共焦诱导击穿-拉曼光谱成像探测方法示意图；
图7为具有成像观察功能的激光共焦诱导击穿-拉曼光谱测量方法与装置实施例示意图；
其中，1-激发光束产生***、2-第一分光***、3-物镜、4-被测样品、5-光束扫描***、6-第二分光***、7-激光诱导击穿光谱探测***、8-二向色分光***、9-拉曼光谱探测***、10-共焦探测***、11-数据处理模块、12-拉曼光谱响应曲线、13-共焦响应曲线、14-激光诱导击穿光谱响应曲线、15-第一聚光镜、16-第一针孔、17-第一探测器、18-激光器、19-第二聚光镜、20-第二针孔、21-第一准直透镜、22-径向偏振光发生器、23-光瞳滤波器、24-第三聚光镜、25-激光诱导击穿光谱仪、26-第二探测器、27-第四聚光镜、28-拉曼光谱仪、29-第三探测器、30-共焦数据模块、31-数据融合模块、32-第三针孔、33-第五聚光镜、34-第四针孔、35-第六聚光镜、36-第三分光***、37-成像观察***、38-第四分光***、39-照明***、40-第七聚光镜、41-第四探测器、42-入射狭缝、43-平面反射镜、44-第一凹面反射聚光镜、45-光谱光栅、46-第二凹面反射聚光镜、47-出射狭缝、48-第二入射狭缝、49-反射镜、50-凹面准直镜、51-光栅、52-凹面会聚镜、53-第二出射狭缝。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
本发明的基本思想是利用激光共焦成像探测获得样品表面形貌的形貌信息，利用激光诱导击穿光谱探测获得样品物质组分的元素信息，利用共焦拉曼光谱探测获得样品物质组分的化学键和分子结构信息，三者结合实现样品形貌和组分信息的“图谱合一”成像与探测，利用激光共焦轴向响应曲线的峰值点对光路焦点进行定位，获得对应聚焦光斑微小区域的样品光谱信号，得到样品 微区光谱信息，进而实现样品形态和组分信息的高空间分辨探测。
如图2所示，激发光束产生***1产生激发光，经过第一分光***2、光束扫描***5和物镜3后，聚焦在被测样品4上，并激发出瑞利光和载有被测样品4光谱特性的拉曼光谱以及激光诱导击穿光谱，激发出的拉曼光谱、激光诱导击穿光谱和瑞利光被***收集回光路中，经过物镜3和光束扫描***5后被偏振分光棱镜2反射至第二分光***6被分为透射和反射两束，透射光束进入激光诱导击穿光谱探测***7进行激光诱导击穿光谱探测，反射光束被二向色分光***8无损分光，其中拉曼光谱透过二向色分光***8进入拉曼光谱探测***9进行拉曼光谱探测，其余的瑞利光和激光诱导击穿光谱被二向色分光***8反射进入共焦探测***10进行位置探测。
如图3所示，本装置包括沿光路依次放置的激发光束产生***1、第一分光***2、光束扫描***5、物镜3、被测样品4、第一分光***2反射方向的第二分光***6，位于第二分光***6透射方向的激光诱导击穿光谱探测***7，位于第二分光***6反射方向的二向色光***8，位于二向色分光***8透射方向的拉曼光谱探测***9，以及位于二向色分光***8反射方向的共焦探测***10，还包括连接激光诱导击穿光谱探测***7、拉曼光谱探测***9和共焦探测***10的数据处理模块11。
如图4所示，还可以将图3中激光诱导击穿光谱探测***7替换为包括第三聚光镜24、第三针孔32、第五聚光镜33、激光诱导击穿光谱仪25及第二探测器26的共焦激光诱导击穿光谱探测***，将拉曼光谱探测***9替换为包括第四聚光镜27、第四针孔34、第六聚光镜35、拉曼光谱仪28及第三探测器29的共焦拉曼光谱探测***，实现对样品层析光谱探测。
把图4中的激发光束产生***1放置于第一分光***2的反射方向，二向色分光***6放置于第一分光***2的透射方向，即构成图5。
还可以在偏振第一分光***2与物镜3之间添加第三分光***36，第三分光***36反射方向添加成像观察***37，即构成图6。
实施例
本实施例中，第一分光***2为分光棱镜，光束扫描***5为二维振镜扫描***，第二分光***6为分光镜，二向色分光***8为Notch filter，第三分光***36和第四分光***38为宽带分光棱镜，第四探测器41为CCD。
如图7所示，激光共焦诱导击穿-拉曼光谱成像探测方法，其测试步骤如下：
首先，照明***39产生均匀照明，照明透过宽带分光棱镜38后，被宽带 分光棱镜36反射，经过物镜3聚焦在被测样品4上，白光被反射回原光路，经物镜3后被宽带分光棱镜36、宽带分光棱镜38分别反射后，经过第七聚光镜40后进入CCD 41，通过观察CCD 41中的图像对被测样品4进行粗瞄，以确定被测样品4需要观测的区域对被测样品4进行粗定位。
然后，激光器18发出的光束经第二聚光镜19会聚后进入第二针孔20，经过第一准直透镜21后准直扩束为平行光，经过径向偏振光发生器22和光瞳滤波器23后进入偏振分光棱镜2透射后，通过二维振镜扫描***5后备物镜3会聚形成压缩光斑聚焦在被测样品4上，并激发出瑞利光和载有被测样品4光谱特性的拉曼光谱和激光诱导击穿光谱。
被测样品4激发出的瑞利光和载有被测样品4物质组分信息的拉曼光谱和激光诱导击穿光谱被***收集回原光路，被***收集回原光路进入过物镜3，被偏振分光棱镜2反射到达分光镜6被分为透射和反射两束，透射光束进入激光诱导击穿光谱探测***7，激光诱导击穿光谱被第三聚光镜24会聚进入第三针孔32后到达第五会聚镜33，被第五会聚镜33会聚后进入激光诱导击穿光谱仪25。在激光诱导击穿光谱仪25中，激光诱导击穿光谱经入射狭缝42，平面反射镜43和第一凹面反射聚光镜44反射后到达光谱光栅45，光束经过光谱光栅45衍射后，被第二凹面反射聚光镜46反射聚焦到出射狭缝47上，最后入射到第二探测器26。由于光栅的衍射作用，激光诱导击穿光谱中不同波长的光相互分离，通过监测第二探测器26的响应值即可得到被测样品4的激光诱导击穿光谱；经过分光镜6反射的光束到达Notch filter 8，其中拉曼光谱透过Notch filter 8进入拉曼光谱探测***9，在拉曼光谱探测***9中拉曼光谱被第四聚光镜27会聚进入第四针孔34后到达第六会聚镜35，被第六会聚镜35会聚后进入拉曼光谱仪28，拉曼光谱经第二入射狭缝48，反射镜49和凹面准直镜50反射后到达光栅51，光束经过光栅51衍射后，被凹面会聚镜52反射聚焦到第二出射狭缝53上，最后入射到第二探测器29。被第分光镜6反射的光束中其余的瑞利光和激光诱导击穿光谱被反射进入共焦探测***10，光束经过第一聚光镜15、位于第一聚光镜15焦点位置的第一针孔16后被第一探测器17接收。
测量过程中，通过二维振镜扫描***5对被测样品4进行扫描时，共焦探测***10中的第一探测器17，测得反应被测样品4高度信息的强度响应为I(ν,u)，将所得强度响应I(ν,u)传送到共焦数据模块11进行处理，其中，v为横向归一化光学坐标，u为轴向归一化光学坐标；
激光诱导击穿光谱探测***7中第二探测器26探测到的载有被测样品4激 光诱导击穿光谱信息的激光诱导击穿光谱信号为I(λL)(λL为激光诱导击穿光谱波长)；
拉曼光谱探测***9中第三探测器29探测到的载有被测样品4拉曼光谱信息的拉曼散射光光谱信号为I(λR)(λR为拉曼光谱波长)；
将I(λL)、I(λR)和I(ν,u)传送到数据融合模块30进行数据处理，从而获得包含被测样品4位置信息I(ν,u)和光谱信息I(λL,λR)的三维测量信息I(ν,u,λL,λR)。
利用光束扫描***5对被测样品4沿x、y向扫描，重复上述步骤测得对应物镜焦点位置附近的一组i个包含位置信息I(ν,u)和光谱信息I(λL)、I(λR)的序列测量信息{Ii(λL,λR)，Ii(ν,u)}；
利用可分辨区域δi对应的位置信息Ii(ν,u)，找出对应δi区域的光谱信息Ii(λL,λR)值，再依据v与横向位置坐标(x,y)的关系以及u与轴向位置坐标z的关系，重构反映被测物微区δi三维尺度和光谱特性的信息Ii(xi,yi,zi,λLi,λRi)，即实现了微区δmin的光谱探测和三维几何位置探测；
对应最小可分辨区域δmin的三维尺度和光谱特性由下式确定：
这样即可实现高空间分辨的共焦拉曼光谱探测。
从图7中可以看出，通过共焦探测***10响应曲线的极大值点，可精确捕获激发光斑的焦点位置，从测量序列数据{Ii(λL,λR)，Ii(ν,u)}中，抽取对应焦点位置O的激发光谱，即实现了微区δmin的光谱探测和三维几何位置探测。
通过对测量信息{Ii(λL,λR)，Ii(ν,u)}的融合处理，可实现上式所示的多种测量模式，即：微区图谱层析成像测试、微区激光诱导击穿光谱层析成像、微区拉曼光谱层析成像、三维尺度层析成像、激光诱导击穿光谱探测、拉曼光谱探测等。
如图7所示，激光共焦诱导击穿-拉曼光谱成像探测装置包括位于偏振分光棱镜2入射方向的激发光束产生***1、位于偏振分光棱镜2透射方向沿光路依次放置的二维振镜扫描***5、宽带分光棱镜36、物镜3、被测样品4及位于分光棱镜36反射方向的成像观察***37，位于分光棱镜2反射方向的分光镜6、 位于分光镜6透射方向的激光诱导击穿光谱探测***7、位于分光镜6反射方向的Notch filter8，位于Notch filter 8透射方向的拉曼光谱探测***，位于Notch filter8反射方向的共焦探测***10、及与共焦探测***10、激光诱导击穿光谱探测***7和拉曼光谱探测***9连接的数据处理模块11；其中，激发光束产生***1用于产生激发光束，包括沿光路依次放置激光器18、第二聚光镜19、位于第二聚光镜19焦点位置的第二针孔20、第一准直透镜21、径向偏振光发生器22以及光瞳滤波器23；成像观察***37包括宽带分光棱镜38和位于宽带分光棱镜38透射方向的光源39和反射方向的第七聚光镜40和CCD探测器41；激光诱导击穿光谱探测***7包括沿光路依次放置的第三聚光镜24、位于第三聚光镜24焦点位置第三针孔32，焦点位于第三针孔处的第五聚光镜33，第五聚光镜33之后的激光诱导击穿光谱仪25，其中激光诱导击穿光谱仪25包括沿光路依次放置的入射狭缝42、平面反射镜43、第一凹面反射聚光镜44、光谱光栅45、第二凹面反射聚光镜46和出射狭缝47；拉曼光谱探测***，包括沿光路依次放置的第四聚光镜27，位于第四聚光镜27焦点处的第四针孔34，位于第四针孔34之后的第六聚光镜35，以及位于第六聚光镜之35后的拉曼光谱仪28，其中拉曼光谱仪28包括沿光路依次放置的第二入射狭缝48、反射镜49、凹面准直镜50、光栅51、凹面会聚镜52、第二出射狭缝53；经Notch filter8反射射的瑞利光和激光诱导击穿光谱进入共焦探测***10，光束经过第一聚光镜15、位于第一聚光镜15焦点位置的第一针孔16后被第一探测器17接收。数据处理模块11包括共焦数据模块30及数据融合模块31，用于融合处理采集到的数据。
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上进行的改动都是本发明的保护范围。
Claims (10)
1.激光共焦诱导击穿-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经过分光一部分进入激光诱导击穿光谱探测***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***进入拉曼光谱探测***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***反射进入共焦探测***进行光强探测获得样品表面高度和形貌信息，并利用共焦曲线最大值M精确定位焦点O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***(1)产生激发光，经过第一分光***(2)、光束扫描***(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***(5)、并被第一分光***(2)反射至第二分光***(6)，第二分光***(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***(7)，利用激光诱导击穿光谱探测***(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***(8)分光，反射光束中拉曼光谱透过二向色分光***(8)进入拉曼光谱探测***(9)，利用拉曼光谱探测***(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***(8)反射进入共焦探测***(10)，利用共焦探测***(10)测得载有被测样品表面高度信息的共焦光强信息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(λB)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(λB)的三维形貌和组分信息I(ν,u,λL,λB)；
6)光束扫描***(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(λL)、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。
2.根据权利1所述的激光共焦诱导击穿-拉曼光谱成像探测方法，其特征在于：共焦曲线(13)最大值M处对应物镜焦点O，此处聚焦光斑尺寸最小，探测的区域最小，共焦曲线(13)其他位置对应物镜的离焦区域，在焦前或焦后BB'区域内的聚焦光斑尺寸随离焦量增大而增大，利用此特点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。
3.根据权利1所述的激光共焦诱导击穿-拉曼光谱成像探测方法，其特征在于：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***横向分辨力。
4.激光共焦诱导击穿-拉曼光谱成像探测装置，其特征在于：包括激发光束产生***(1)、第一分光***(2)、光束扫描***(5)、物镜(3)、第二分光***(6)、激光诱导击穿光谱探测***(7)、二向色分光***(8)、拉曼光谱探测***(9)、共焦探测***(10)及数据处理模块(11)；其中，第一分光***(2)、光束扫描***(5)、物镜(3)沿光路依次放置在激发光束产生***(1)的出射方向，第二分光***(6)位于第一分光***(2)的反射方向，激光诱导击穿光谱探测***(7)位于第二分光***(6)的透射方向，二向色分光***(8)位于第二分光***(6)的反射方向，拉曼光谱探测***(9)位于二向色分光***(8)的透射方向，共焦探测***(10)位于二向色分光***(8)的反射方向，数据处理模块(11)与激光诱导击穿光谱探测***(7)、拉曼光谱探测***(9)和共焦探测***(10)连接，用于融合并处理激光诱导击穿光谱探测***(7)、拉曼光谱探测***(9)和共焦探测***(10)采集到的数据。
5.激光共焦诱导击穿-拉曼光谱成像探测装置，其特征在于：光谱探测***可以是普通激光诱导击穿光谱探测***和普通拉曼光谱探测***，激光诱导击穿光谱探测***包括沿光路依次放置的第三聚光镜(24)、位于第三聚光镜(24)焦点位置的激光诱导击穿光谱仪(25)及位于激光诱导击穿光谱仪(25)后的第二探测器(26)，拉曼光谱探测***包括沿光路依次放置的第四聚光镜(27)、位于第四聚光镜(27)焦点位置的拉曼光谱仪(28)及位于拉曼光谱仪(28)后的第三探测器(29)，用于被测样品的表层光谱探测；还可以是共焦激光诱导击穿光谱探测***和共焦拉曼光谱探测***，共焦激光诱导击穿光谱探测***包括沿光路依次放置的第三聚光镜(24)、位于第三聚光镜(24)焦点位置的第三针孔(32)、位于第三针孔(32)后的第五聚光镜(33)、位于第五聚光镜(33)之后的激光诱导击穿光谱仪(25)及位于激光诱导击穿光谱仪(25)后的第二探测器(26)；共焦拉曼光谱探测***包括沿光路依次放置的第四聚光镜(27)、位于第四聚光镜(27)焦点位置的第四针孔(34)、位于第四针孔(34)后的第六聚光镜(35)、位于第六聚光镜(35)之后的拉曼仪(28)及位于拉曼光谱仪(28)后的第三探测器(29)，用于提高***信噪比和空间分辨力，以及对被测样品的层析光谱探测。
6.根据权利4所述的激光共焦诱导击穿-拉曼光谱成像探测装置，其特征在于：激发光束产生***(1)包括径向偏振光发生器(22)及光瞳滤波器(23)，用于产生偏振光及结构光束。
7.根据权利6所述的激光共焦诱导击穿-拉曼光谱成像探测装置，其特征在于：用于压缩激发光斑的光瞳滤波器(23)可以位于径向偏振光发生器(22)与第一分光***(2)之间，还可以位于第一分光***(2)与物镜(3)之间。
8.根据权利4所述的激光共焦诱导击穿-拉曼光谱成像探测装置，其特征在于：激光诱导击穿光谱探测***(7)还可以放置在第二分光***(6)的反射方向，二向色分光***(8)、拉曼光谱探测***(9)和共焦探测***(10)放置在第二分光***(6)的透射方向。
9.根据权利4所述的激光共焦诱导击穿-拉曼光谱成像探测装置，其特征在于：激发光束产生***(1)还可以放在第一分光***(2)的反射方向，第二分光***(6)沿光路依次放在第一分光***(2)的透射方向，激光诱导击穿光谱探测***(7)位于第二色分光***(6)的透射方向，二向色分光***(8)位于第二分光***(6)的反射方向，拉曼光谱探测***(9)位于二向色分光***(8)的透射方向，共焦探测***(10)位于二向色分光***(8)的反射方向，数据处理模块(11)连接共焦探测***(10)、激光诱导击穿光谱探测***(7)与拉曼光谱探测***(9)。
10.根据权利4所述的激光共焦诱导击穿-拉曼光谱成像探测装置，其特征在于：还可以包括第三分光***(36)及位于第三分光***(36)反射方向的显微观察***(37)，用于被测样品粗瞄；其中，第三分光***(36)可以位于激发光束产生***(1)与光束扫描***(5)之间。
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