基于时空整形的飞秒激光诱导击穿光谱发生与采集系统

1.基于时空整形的飞秒激光诱导击穿光谱发生与采集系统，其特征在于，包括飞秒激光加工子系统、脉冲时间整形器(8)、飞秒激光空域整形子系统、光谱采集子系统、成像子系统、计算机控制系统(24)和高精度三维平移台(14)；其中，飞秒激光加工子系统，用于诱导样品(13)等离子体发光；飞秒激光加工子系统包括飞秒激光器(1)、第一光阑(2)、电控快门(3)、半波片(4)、格兰泰勒棱镜(5)、衰减盘(6)、第二光阑(7)、镀膜反射镜(10)；飞秒激光脉冲依次经过上述部件后，到达样品(13)的表面，激发样品(13)诱导产生等离子体；其中，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连续线性调节；脉冲时间整形器(8)，用于将原始的单脉冲飞秒激光在时域上整形为多个子脉冲，脉冲时间整形器(8)位于第二光阑(7)的后面；飞秒激光空域整形子系统，用于把原始的高斯分布的飞秒激光脉冲在空域上整形为贝塞尔光束，使光束具有更长的焦深，来自适应样品(13)表面的高度变化；飞秒激光空域整形系统由贝塞尔光束产生、缩束所需透镜组成，包括锥透镜(9)、第一平凸透镜(11)和第二平凸透镜(12)；其中，贝塞尔光束由锥透镜(9)对原始飞秒激光空域整形获得；第一平凸透镜(11)和第二平凸透镜(12)组成飞秒激光空域整形缩束透镜组；光谱采集子系统，用于采集时空整形后飞秒脉冲激发的等离子体发光的光谱信号，包括分束镜(15)、第一双胶合消色差透镜(19)、第二双胶合消色差透镜(20)、光纤探头(21)、增强型电荷耦合器件(22)和光谱仪(23)；样品(13)处产生的等离子体光，经飞秒激光空域整形子系统、成像子系统和双胶合消色差透镜后，会聚在光纤探头(21)处，经由光纤进入光谱仪(23)和增强型电荷耦合器件(22)，进行光谱采集与分析；成像子系统，用于观测样品(13)的激发区域，包括成像第一平凸透镜(16)、成像第二平凸透镜(17)、电荷耦合器件(18)、照明光源(25)和分束镜(26)，其中，照明光源(25)、分束镜(26)用于提供成像光源，成像第一平凸透镜(16)与成像第二平凸透镜(17)用于将图像信息耦合到电荷耦合器件(18)；高精度三维平移台(14)，其运动精度为微米级别，用于承载样品(13)，精确地控制飞秒激光在样品表面地激发位置，其与成像子系统配合使用，用于样品(13)表面不同位置的选择性激发；计算机控制系统(24)，用于协同控制整个系统的飞秒激光脉冲时域整形、等离子体激发、等离子体光谱采集与分析、激发过程观测以及平移台的移动；上述组成部件之间的位置及连接关系为：计算机控制系统(24)与飞秒激光器(1)、电控快门(3)、脉冲时间整形器(8)、电荷耦合器件(18)、增强型电荷耦合器件(22)和光谱仪(23)相连；飞秒激光加工子系统产生的脉冲飞秒激光，传播至脉冲时间整形器(8)；飞秒激光经脉冲时间整形器(8)后，进入飞秒激光空域整形子系统，并向下传播至样品(13)表面；在样品(13)表面产生的等离子体光，经直线反射后向上反向传播，进入光谱采集子系统，经光纤探头(21)采集后进入光谱仪(23)分析；样品(13)在照明光源照射下产生的白光同样向上反射，进入成像子系统中的电荷耦合器件(18)，实现对加工结果的实时观测。 2.如权利要求1所述的基于时空整形的飞秒激光诱导击穿光谱发生与采集系统，其特征在于，系统的检测方法如下：步骤1：调节飞秒激光加工子系统，进行光束准直，使光束与样品(13)所在平面垂直；飞秒激光器(1)产生的飞秒激光脉冲，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连续线性调节；所述衰减盘(6)由前后两个衰减轮组成，实现对飞秒激光能量的非线性调节，从而方便的选择不同的能量进行激发；飞秒激光经过衰减盘(6)后，照射在第二光阑(7)上；系统调节时，应保证飞秒激光同时通过第一光阑(2)、第二光阑(7)的中心，并经过镀膜反射镜(9)后，飞秒激光被全部反射并垂直于样品(13)所在平面，并记录下光斑位置；步骤2：调节脉冲时间整形器(8)，将飞秒激光单脉冲整形为多脉冲序列；步骤3：利用锥透镜(9)产生贝塞尔光束；飞秒激光经过锥透镜(9)后，会在样品(13)所在平面形成环状光束，通过调整锥透镜(9)的X、Y、Z以及角度，使环形光束的中心与飞秒激光加工子系统最终调节的光斑中心位置重合；利用第一平凸透镜(11)、第二平凸透镜(12)组成的缩束透镜组，得到能量汇聚后的贝塞尔光束，缩束后贝塞尔光束的焦深长度，通过调节锥透镜(9)的锥底角度数，以及第一平凸透镜(11)和第二平凸透镜(12)的焦距，形成不同的空域整形子系统，以此适应样品(13)不同的表面高度变化幅度；步骤4：通过调节三维平移台(14)的位置，使样品(13)处于缩束后的贝塞尔区内，并能够在样品13表面激发产生等离子体光；调节完成后，在样品(13)高度变化范围内，无需再进行单点聚焦，不调焦的情况下对样品(13)不同高度位置实现相同能量密度的等离子体激发；步骤5：照明光源(25)经过分束镜(26)、分束镜(15)、镀膜反射镜(10)以及缩束透镜组中的第一平凸透镜(11)、第二平凸透镜(12)后照射在样品(13)表面，其发射光沿原路返回至分束镜(26)后，继续向前传播，经成像子系统的成像第一平凸透镜(16)、成像第二平凸透镜(17)后进入电荷耦合器件(18)中，实现对加工结果的实时观测；步骤6：在样品(13)表面产生的等离子体光，依次经第二平凸透镜(12)、第一平凸透镜(11)，重新聚焦在第一平凸透镜(11)的焦点；返回至镀膜反射镜(10)处的等离子体光，透过分束镜(15)，传递进入光谱采集子系统；步骤7：发散后的等离子体光，经过第一双胶合消色差透镜(19)、第二双胶合消色差透镜(20)后，重新汇聚为小白点；调整光纤探头(21)的位置，使等离子体光小白点处于其中心点，并保证此时等离子体光斑为最小，即光纤探头(21)和第二双胶合消色差透镜(20)之间的距离为透镜的焦距；光纤探头(21)采集到的等离子光，经光纤进入光谱仪(23)、增强型电荷耦合器件(22)，进行LIBS光谱分析。 3.如权利要求2所述的基于时空整形的飞秒激光诱导击穿光谱发生与采集系统，其特征在于，所述衰减轮上装有多个固定比例的衰减片，根据需要选择合适的衰减片组合出不同的衰减比例。