[發明專利]激光等離子體譜測量裝置

有效

• 申請號: 201410647333.3
• 申請日: 2014-11-14
• 公開（公告）號: CN104515754B
• 公開（公告）日: 2018-03-06
• 發明（設計）人: 蔡志龍;王陽;楊秋松;吳誼群
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海光學精密機械研究所
• 主分類號: G01N21/63
• 分類號: G01N21/63
• 代理公司: 上海新天專利代理有限公司31213
• 代理人: 張澤純,張寧展

技術領域

本發明涉及光譜檢測，特別是一種激光等離子體譜測量裝置。

背景技術

激光誘導等離子體光譜法(Laser Induced Plasma Spectroscopy，LIPS)是一種基于原子/離子發射光譜的元素分析技術。該方法是通過高功率聚焦激光脈沖作用在樣品上，熔蝕樣品并產生高溫等離子體，等離子體中的原子/離子被激發到高能級，其躍遷回到低能級時輻射出特征譜線。通過分光儀和ICCD組成的光譜儀分析這些特征譜線就可以確定樣品的元素成分。與傳統的成分分析技術相比較，LIPS方法具有快速、實時監測，全元素成分檢測和分析，樣品無需預處理等優點，在礦產冶金、空間探測、工業生產，文物考古、生物醫學等領域都有重要的應用。

LIPS是一種有效的表面分析工具，其單脈沖取樣深度可以控制到幾十納米到百納米量級，使得其在樣品深度剖析和膜層分析中有廣闊應用前景。接收到的LIPS光譜對激光聚焦情況和樣品表面熔蝕情況很敏感，對其重復性和穩定性有較大影響，非常有必要獲得激光取樣測量中與樣品作用過程的信息，從而了解激光對表面的破壞情況，為優化光譜測量參數提供參考。為了能實時監控激光熔蝕樣品表面的尺寸和深度，目前主要是成像的方法。一般原位的CCD成像或是用原子力顯微鏡離線測量樣品，無法做到實時原位監控；而采用ICCD等時間分辨成像手段，則設備復雜、價格昂貴。

發明內容

針對目前存在的不足之處，本發明的目的是提供一種激光等離子體譜測量裝置。該裝置實時監控樣品表面在激光作用過程中的反射率演化，光路簡單，可為激光誘導等離子體光譜用于表面分析與調整已經散焦的透鏡與樣品的距離提供幫助。

本發明的技術解決方案如下：

一種激光等離子體譜測量裝置，其特點在于該裝置由激光激發和同步子系統、反射率監控子系統、等離子體光譜接收子系統和樣品臺構成；所述的激光激發和同步子系統包括激發光源、分光片、第一聚焦透鏡、第一光電探測器和示波器組成，沿所述的激發光源輸出的激光方向依次是分光片和第一聚焦透鏡和樣品，在所述的分光片的反射光方向是第一光電探測器，該第一光電探測器的輸出端接所述的示波器的輸入端；所述的反射率監控子系統由探測光源、衰減片、第二聚焦透鏡、第三聚焦透鏡、濾波片、第二光電探測器和示波器構成，沿所述的探測光源的激光輸出方向依次是所述的衰減片、第二聚焦透鏡和樣品，在樣品的探測光反射方向依次是第三聚焦透鏡、濾波片、第二光電探測器，該第二光電探測器的輸出端接所述的示波器的輸入端；所述的等離子體光譜接收子系統由第四聚焦透鏡、光纖耦合探頭、光纖、光譜儀和計算機構成，在樣品的激發光的接收方向依次是所述的第四聚焦透鏡、光纖耦合探頭、光纖、光譜儀，所述的光譜儀的輸出端接所述的計算機的輸入端，所述的樣品臺為電控樣品移動臺，所述的計算機的輸出端接所述的電控樣品移動臺的控制端，所述的樣品固定在所述的電控樣品移動臺上，所述的第一聚焦透鏡、第二聚焦透鏡、第三聚焦透鏡和第四聚焦透鏡的焦點在所述的樣品的同一點。

所述的激發光源為摻鈦藍寶石飛秒激光器。

所述的探測光源為連續半導體激光器。

所述的光譜儀由中階梯光柵和ICCD組成。

本發明的技術效果如下：

本發明裝置有激光激發和同步子系統，能激發樣品產生等離子體并且同步信號到光電探測器，形成觸發控制電路。

本發明裝置存在等離子體光譜接收子系統，收集已經被激發的等離子體光譜。

本發明裝置存在反射率監控子系統，通過探測光源與激發光源共聚焦的方式，實時的檢測激發光對樣品表面的灼蝕，結果表現為探測光發射率實時變化。取反射率的初態與終態的差值可以得到與樣品表面灼蝕深度的線性關系，進而可根據反射率的變化調整已經散焦的透鏡3與樣品18的距離，再次實現樣品在激發光焦點被灼蝕。這對于提高激光誘導擊穿光譜實驗有重要幫助。

本發明用簡單的結構裝置取代了價格昂貴的設備，并且實現了實時、原位的檢測效果。

附圖說明

圖1是本發明激光等離子體譜測量裝置示意圖。

圖2是用本發明裝置獲得的單晶硅片的激光等離子體光譜圖。

圖3是用本發明裝置獲得的樣品表面的實時反射率演化過程圖。

圖4是本發明裝置獲得的反射率變化與激光熔蝕深度的關系圖。

圖5是激光在樣品表面容蝕深度與相應獲得等離子體光譜的強度曲線。

具體實施方式

下面結合本發明的附圖和實施例對其具體實施方式作進一步詳細描述，但不應以此限制本發明的保護范圍：