CN100371770C - 激光烧蚀微区分析中的一种聚焦装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及为激光烧蚀微区分析提供的一种聚焦装置，由激光三角测量系统、信号采集处理系统和样品移动定位系统组成。本发明采用激光三角测量原理，半导体激光器作为光发射源，CCD传感器作为光接收元件，三角测量结果经分析处理获得被分析样品与烧蚀用激光聚焦镜头的相对位置，并与给定的聚焦位置进行比较，利用比较结果控制步进电机驱动样品工作台完成烧蚀用激光在被分析样品表面的自动准确聚焦。

Description

激光烧蚀微区分析中的一种聚焦装置

技术领域

本装置是为激光烧蚀微区分析提供一种简单准确的聚焦装置，主要涉及材料成分分析领域。

背景技术

近几十年来，激光烧蚀在材料成分分析领域得到了越来越广泛的应用，现已广泛应用于矿冶、地质、考古、环境、化工、生物医学等领域。分析对象可以是固相样品微选区和微粒样品，也可以是气相和液相样品，也可分析导体、非导体或高温熔融样品，样品不需要前处理或仅需简单处理，空间分辨率在5～10um，检测限在ppt量级。

激光烧蚀微区分析中，激光可以直接作为样品原子/离子化源的分析仪器，如LA-OES/MS等，或激光作为样品蒸发源，电感耦合等离子体ICP、微波诱导等离子体MIP或空阴极放电HCD作为原子/离子化源的仪器，如LA-ICP/MIP/HCD-MS。在这些仪器中，激光烧蚀的目的是，激光聚焦在样品表面，将激光能量有效耦合到样品中，烧蚀产生稳定灵敏的发射谱线或稳定均匀的样品量，以进行定量分析。

激光参数中影响定量分析结果的如激光模式、激光能量和重复频率都可通过参数的优化获得相对好的再现性。激光在样品表面的聚焦位置直接影响耦合到样品中的能量，在现有的商用仪器或其他的公开的激光烧蚀装置中的聚焦装置，很难保证激光在样品表面聚焦位置的准确性，这是因为在现有的聚焦方法中，通常是通过人眼观察显微成像CCD中样品的清晰程度来进行调节聚焦位置，见文献laser ablation in analyticalchemistry-a review，Richard E.Russo，xiaolei mao，haichen liu ect，Talanta，57(2002)427。这种聚焦方法存在的问题是：

1)CCD显微成像光路和激光输出光路为同一光路，激光焦距取决于激光波长，激光束的聚焦点和光学成像聚焦点不在同一位置；

2)适合表面平整的样品，不适合表面不平整的样品。

发明内容

本发明的目的在于提供解决激光烧蚀微区分析中的上述聚焦方法不足的一种测距自动聚焦装置。

本发明的主要技术方案是采用激光三角测量原理，半导体激光器作为光源，CCD传感器作为光接收探测器，步进电机驱动样品工作台的自动聚焦装置。

本发明的一个技术方案是，所述的聚焦装置包括激光三角测量系统，数据采集处理系统和样品移动定位系统：

激光三角测量系统由激光器，发射透镜，接收透镜，探测器组成，激光器发出的光经发射透镜会聚后照射在被分析样品表面处，由被分析样品表面反射回来的光线经接收透镜成像于探测器，从基准面到被分析样品表面沿入射光方向发生位移X，从而引起探测器像斑发生位移X′，进而引起探测器输出信号的变化。被分析样品位移X和探测器像斑位移X′满足三角测量原理，被分析样品和烧蚀用激光透镜的相对距离S的计算公式为：

$X=\frac{X^{\′}L}{L^{\′}\sin \mathrm{\α}-X^{\′}\cos \mathrm{\α}}$

S＝S0±X

若被分析样品表面由基准面位置下移，式中取″-，反之取″+″号，L、L′-分别是基准面处物距和像距，α是系统的结构参数，S0为激光聚焦透镜到基准面的距离；

信号采集处理系统由探测器驱动和采集电路和计算机组成，探测器驱动和采集电路采集探测器输出信号的变化，计算机处理探测器驱动和采集电路输出的信号，根据上述公式计算被分析样品和烧蚀用激光透镜的相对距离，并与给定的聚焦位置进行比较；

样品移动定位系统由样品工作台组成，样品移动定位系统，根据计算机的比较结果，调整样品工作台的位置实现被分析样品的移动定位。

本发明的另一个技术方案是，上述的样品移动定位系统中，除样品工作台外，还包括运动控制卡，步进电机及驱动电路，计算机的比较结果输送给运动控制卡，运动控制卡控制步进电机及驱动电路驱动样品工作台移动到给定的聚焦位置，实现被分析样品的自动聚焦。

本发明的又一个技术方案是，上述激光器是半导体激光器。

本发明的又一个技术方案是，上述的探测器为CCD传感器。

本发明的再一个技术方案是，上述的发射透镜和烧蚀用激光器的聚焦透镜为同一透镜。

和现有技术比较，本发明具有以下优点：

1)整个聚焦过程靠聚焦装置自动完成，无须人工参与，准确、效率高。

2)半导体激光方向性好，光功率高，测量分辨率高，测量精度高，因而聚焦精度高，提高激光烧蚀微区分析结果的可再现性。

3)可适用于不平整样品的聚焦，可用于在线聚焦，拓宽了激光烧蚀微区分析应用的范围。

附图说明

附图1为本发明激光烧蚀微区分析中一种聚焦装置的示意图。

具体实施方式

下面结合附图做进一步详述。

由附图1可看出，本发明包括激光三角测量系统，信号采集处理系统，样品移动定位系统。

激光三角测量系统由半导体激光器1，发射透镜2，接收透镜4，CCD传感器5组成，半导体激光器1发出的光经发射透镜2会聚后照射到被分析样品3表面，由被分析样品3反射回来的光线通过接收透镜4聚焦于CCD传感器5。其测距原理为：

半导体激光器1会聚后照射在基准面的0点处(以下简称物光点)，经接收透镜组4成像于CCD传感器的5光电中心0′点(以下简称像光点)。此时CCD传感器5的输出为零。当激光束照射到被分析样品3时，物光点将沿入射光方向位移X，从而引起像光点发生位移X′，进而引起CCD传感器5输出信号的变化。被分析样品位移X和探测器像斑位移X′满足三角测量原理，被分析样品3和烧蚀用激光透镜的相对距离S的计算公式为：

$X=\frac{X^{\′}L}{L^{\′}\sin \mathrm{\α}-X^{\′}\cos \mathrm{\α}}$

S＝S0±X

若被分析样品3表面由基准面位置下移，式中取″-″；反之取″+″号。L、L′——分别是基准面处的物距和像距。α是系统的结构参数。S0为激光聚焦透镜到基准面的距离。由此可见精确的测量X′就可以得到被分析样品的位移量X，也就得到了被分析样品和烧蚀用激光聚焦透镜的距离S。

信号采集处理系统由CCD传感器驱动和采集电路6和计算机7组成，计算机7处理CCD传感器驱动和采集电路6输出的信号，计算被分析样品3和烧蚀用激光透镜的相对距离，并与给定的聚焦位置进行比较。

样品移动定位系统由运动控制卡8、步进电机及驱动电路9和样品工作台10组成，计算机获得的比较结果输送给运动控制卡8，运动控制卡8控制步进电机及驱动电路9驱动样品工作台10移动到给定的聚焦位置。

Claims (5)

1.激光烧蚀微区分析中的一种聚焦装置，其特征是，它包括：

激光三角测量系统，由激光器(1)，发射透镜(2)，接收透镜(4)，和探测器(5)组成，激光器(1)发出的光经发射透镜(2)会聚后照射在被分析样品(3)表面处，由被分析样品(3)表面反射回来的光线经接收透镜(4)成像于探测器(5)，从基准面到被分析样品(3)表面沿入射光方向发生位移X，从而引起探测器(5)像斑发生位移X′，进而引起探测器(5)输出信号的变化，被分析样品位移X和探测器像斑位移X′满足三角测量原理，被分析样品(3)和发射透镜(2)的相对距离S的计算公式为：

$X=\frac{X^{\′}L}{L^{\′}\sin \mathrm{\α}-X^{\′}\cos \mathrm{\α}}$

S＝S0±X

若被分析样品(3)表面由基准面位置下移，式中取″-″，反之取″+″号，L、L′-分别是基准面处物距和像距，α是系统的结构参数，S0为发射透镜(2)到基准面的距离；

信号采集处理系统，由探测器驱动和采集电路(6)和计算机(7)组成，探测器驱动和采集电路(6)采集探测器(5)输出信号的变化，计算机(7)处理探测器驱动和采集电路(6)输出的信号，计算被分析样品(3)和烧蚀用激光透镜的相对距离，并与给定的聚焦位置进行比较；

样品移动定位系统，由样品工作台(10)组成，根据计算机(7)的比较结果，调整样品工作台(10)的位置实现被分析样品(3)的移动定位。

2.如权利要求1所述的激光烧蚀微区分析中的一种聚焦装置，其特征是，所述的样品移动定位系统中还包括运动控制卡(8)和步进电机及驱动电路(9)，计算机(7)的比较结果输送给运动控制卡(8)，运动控制卡(8)控制步进电机及驱动电路(9)驱动样品工作台(10)移动到给定的聚焦位置，从而实现被分析样品的自动聚焦。

3.如权利要求1或2所述的激光烧蚀微区分析中的一种聚焦装置，其特征是所述的激光器(1)是半导体激光器。

4.如权利要求1或2所述的激光烧蚀微区分析中的一种聚焦装置，其特征是，所述的探测器(5)为CCD传感器。

5.如权利要求3所述的激光烧蚀微区分析中的一种聚焦装置，其特征是所述的探测器(5)为CCD传感器。

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