基于远场光学的高分辨率激光探针仪研究

摘要

激光探针技术（Laser-induced Breakdown Spectroscopy，简称LIBS）是一种重要的成分检测手段。当前，激光探针仪因受到光学衍射极限的限制，和现有的电子探针、能谱分析等技术相比，其分辨率往往较低。为了进一步提高激光探针技术的分辨率，本论文基于远场光学技术对激光探针仪的光学系统进行改进和设计，内容涵盖激光同轴聚焦、同轴监测与照明、同轴指示与光谱采集等关键技术，实现了基于远场光学的高分辨率激光探针仪的研制。其主要研究成果如下：
　　系统研究了基于远场光学的激光探针仪的极限分辨率。采用数值孔径为0.4的反射式聚焦物镜对波长为532 nm的脉冲激光束进行聚焦，在合适能量条件下，烧蚀Al和Fe纯样表面获得的极限分辨率分别为2.26μm和1.87μm，在此极限分辨率下利用同轴光谱采集系统分别能够采集到3倍于背景噪声强度的Al和Fe元素的光谱信号。
　　设计并实现了带同轴照明的同轴监测系统。该系统能够对样品表面286×215μm2的矩形区域进行成像，其视场放大率达24.7倍。结果表明，采用同轴照明系统能够有效提高摄取图像的锐度和清晰度，获得的图像分辨率不低于228 lines/mm（单位：线对每毫米）。
　　发明了一种带指示光的同轴光谱采集系统。通过该系统能够将同轴光谱采集器与等离子体的对准误差控制在10μm以内。通过采用带X-Y轴扫描的同轴光谱采集系统，在同轴监测系统的监测区域内，实现了对等离子体表面63个点（7×9的点阵列）进行精确光谱采集，从而获得了等离子体中原子光谱强度的空间分辨图像。
　　最后，提出了高分辨率的远场光学激光探针仪的整体设计方案，通过SolidWorks软件完成了一整套激光探针光学系统与光机结构的设计。该激光探针仪将分辨率降低到3μm以下，并能够实现同轴监测与同轴光谱采集，以及能够实现对等离子体的微区光谱进行精确采集，上述成果有可能对激光探针技术的工业化应用起到一定的推动作用。

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1 绪 论

1.1 激光探针技术简介

1.2 激光探针光学系统的研究现状

1.3 本课题的来源、目的及意义

1.4 本论文的主要内容

2 远场光学激光探针仪的整体设计方案

2.1 远场光学激光探针仪光路系统的设计思路

2.2 远场光学激光探针仪的系统结构与工作原理

2.3 本章小结

3 远场光学激光探针仪的光机系统设计

3.1 光机设计软件

3.2 基于SolidWorks软件的激光探针光机系统设计

3.3 基于ZEMAX软件的激光探针光学系统分析

3.4 本章小结

4 远场光学激光探针仪的性能评价与实验研究

4.1 远场光学激光探针仪实验平台

4.2 远场光学激光探针仪的分辨率研究

4.3 远场光学激光探针仪同轴监测系统的性能评价

4.4 远场光学激光探针仪的光谱采集性能研究

4.5 本章小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

致谢

参考文献

附录1 攻读硕士学位期间申请的专利目录

附录2 攻读硕士期间设计的宏观激光探针工程化示范样机