自动聚焦LIBS系统技术方案

LIBS分析仪(2)包括：聚焦透镜装置(6)；激光器(8)，用于通过聚焦透镜装置(6)传播激光束(L)以在其焦平面(F)处聚焦；用于产生光强度数据的检测器(10)；用于改变焦平面(F)的定位点的平移机构(22)；以及控制器(14)，用于自动控制平移机构(22)以达到由控制器(14)根据将光强与最佳位置相关联的数学变换应用于由激光束(L)产生的等离子体的光强数据而计算的、焦平面(F)和样品(20)的上表面(18)重合的最佳位置。置。置。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】自动聚焦LIBS系统


[0001]本申请涉及自动聚焦激光诱导击穿光谱(
‘
LIBS
’
)分析系统和在LIBS分析系统中自动聚焦的方法。

技术介绍

[0002]LIBS分析系统是已知的并且用于以一定准确度检测样品中较低原子序数元素的存在和/或浓度。这些设备通常包括高功率激光器，它充分加热样品的部分以产生等离子体。随着等离子体冷却，最终电子返回到它们的基态。在此过程中，光子以构成样品的特定元素特有的波长发射。在LIBS分析系统中对这些光子的检测和分析能够对样品的元素组成进行定量和/或定性测定。
[0003]为了获得足够高的功率密度以产生等离子体，必须将激光聚焦成小光斑尺寸，通常为100皮米或更小。样品上非常小的光束光斑尺寸要求激光必须精确地聚焦在被分析样品的表面上，以获得一致的分析结果。由于被分析的样品通常至少相对于激光束采样区域的大小而言是不均匀的，LIBS分析系统通常提供入射激光束和样品表面之间的相对运动，以便可以在多个不同的表面区域分析样品，以获得对其元素构成的更具代表性的测定。然而，被分析的样品通常具有相对不平坦的表面，因此当样品被移动以暴露其表面的不同区域以进行LIBS分析时，激光必须反复重新聚焦。
[0004]从US 9,267,842可知，提供了一种手持式自动聚焦LIBS分析系统，包括配置为沿第一轴移动的聚焦透镜、具有沿第一轴定向并穿过聚焦透镜的输出的烧蚀激光器、从安装用于在垂直于第一轴的平面中进行相对移动的样品输出强度数据的光谱仪，以及控制器系统，控制器系统响应于光谱仪的输出并且配置为实现样品的相对移动以暴露多个不同的区域以供分析，并且在每个不同的区域重复激发激光，处理光谱仪的输出，并调整聚焦透镜相对于样品的位置，直到光谱仪输出指示聚焦到样品该区域的一个点上烧蚀激光输出产生的等离子体的最大或接近最大强度。不幸的是，这种自动聚焦方案需要在每个采样区域进行多次测量，每次在透镜的沿第一轴的不同位置进行，以便为该区域的LIBS分析建立激光输出的最佳焦点。这会导致样品的分析时间增加，并且由于同一区域的大量激光烧蚀实例可能导致分析结果出现错误。

技术实现思路

[0005]根据本专利技术的第一方面，提供了LIBS分析系统，包括：具有焦平面的聚焦透镜；激光器，配置为在沿着光路的方向上通过聚焦透镜传播激光束以聚焦在焦平面上；具有与入射电磁辐射强度成正比的输出的检测器；样品架，用于固定样品，其上表面与光路相交；平移机构，可操作以实现样品架和聚焦透镜的相对运动，以改变焦平面沿光路相对于样品架的定位点；以及控制器，配置为自动控制所述平移机构的操作以实现相对运动，以达到焦平面和与光路相交的上表面的分析区域处于重合或接近重合的最佳位置，其中控制器进一步配置为根据存储在控制器可访问的存储器中的数学变换计算最佳位置，该变换将上表面的
与光路相交的区域的测量数据与最佳位置相关联，并且使用从来自由激光束撞击样品上表面的一个或多个其他区域而产生的等离子体的电磁辐射获得的输出生成。通过采用计算而不是测量激光在每个采样区域的最佳位置的变换，减少了非分析测量的数量。
[0006]在实施方案中，控制器配置为控制LIBS分析系统执行轮廓生成周期，在该周期期间，控制器配置为操作平移机构以实现相对运动，从而达到在上表面的第一其他区域处焦平面的沿着光路相对于样品架的多个不同位置；操作激光器以在多个不同位置中的每个位置处产生等离子体，并将从来自在多个不同位置中的每个位置处产生的等离子体的电磁辐射获得的检测器输出的表示作为强度数据与位置进行索引而获取到存储器中，用于生成数学变换。在一些实施方案中，控制器配置为处理强度数据以生成将检测器输出与焦平面的位置相关联的数学表达式并将数学表达式作为数学变换存储在存储器中。因此，为了自动聚焦的目的在采样区域执行的等离子体生成事件的数量被减少，优选地减少到一个事件。
[0007]在一个实施方案中，控制器配置为操作平移机构以在垂直于光路的平面中移动样品台以将上表面的多个不同的其他区域与光轴连续相交，每个不同的其他区域在平面中具有不同的已知定位点；操作激光束以在多个不同的其他区域中的每一个处产生等离子体，并根据在平面中不同已知定位点中的每一个处的检测器输出与强度数据的比较来生成数学变换。数学变换将识别最佳位置的信息与垂直于光路的平面中区域的定位点联系起来，并且控制器配置为操作LIBS系统以收集分析区域的定位点作为测量数据。这具有以下优点，即可以根据对该区域的定位点的了解来计算样品表面上的区域的最佳定位点，而不必首先对该区域进行烧蚀。因此，可以在样品表面的未烧蚀区域上执行LIBS分析测量。
[0008]根据本专利技术的第二方面，提供了操作根据第一方面的LIBS分析系统的方法，包括通过自动控制平移机构的操作以实现相对运动来将LIBS分析系统的激光器输出的激光束的焦点定位点自动调整为最佳定位点以达到焦平面和上表面的与光路相交的区域处于重合或接近重合的最佳定位点，其中该方法进一步包括使用控制器产生数学变换，该数学变换将与光路相交的上表面区域的测量数据与最佳数学相关联，并使用从来自激光束照射到样品的上表面的一个或多个其他区域所产生的等离子体的电磁辐射中获得的输出生成；获得上表面区域的测量数据并将数学变换应用于测量数据以确定最佳定位点。因此可以实现对应于第一方面的优点。
附图说明
[0009]参考附图，通过考虑以下对一个或多个非限制性实施方案的描述，将更好地理解本专利技术的这些和其他优点，其中：
[0010]图1示出了根据本专利技术的LIBS系统的示意性功能框图；
[0011]图2示出了图1所表示LIBS系统的样品和样品台的平面图；
[0012]图3示出了与根据本专利技术的LIBS系统的操作相关的主要步骤的流程图；
[0013]图4示出了两种碳相关等离子体发射的强度与沿z轴位置的关系图；
[0014]图5示出了根据本专利技术的与LIBS系统分析周期相关联的的主要步骤流程图；
[0015]图6示出了根据本专利技术的方法的实施方案的与数学变换的生成相关联的主要步骤的流程图；
[0016]图7示出了与采用根据图6生成的数学变换的根据本专利技术的LIBS系统的分析周期
相关联的主要步骤的流程图；并且
[0017]图8示出了样品表面的运动数据的网格图。
具体实施方式
[0018]根据本专利技术的LIBS分析系统2的实施例在图1中示意性地示出为包括样品台4；聚焦透镜装置6；激光器8；探测器10；元素组成确定单元12和控制器14。
[0019]激光器8被定向成使得当被激励时，在本实施方案中，在控制器14的控制下，产生准直激光束L，该准直激光束沿光路O引导通过聚焦透镜装置6并朝向样品台4，以撞击位于样品台4上的样品20的上表面18的分析区域40。典型地，样品20具有已知尺寸和近似几何形状，并且在本实施例中是具有圆形横截面的圆柱形样品。在下文中，将假设该样品20具有大致凸出的上表面18，其最高点位于中心。这通常是由压制本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.LIBS分析系统(2)，包括：具有焦平面(F)的聚焦透镜装置(6)；激光器(8)，配置为在沿着光路(O)的方向上通过所述聚焦透镜装置(6)传播激光束(L)以聚焦在所述焦平面(F)处；具有与入射电磁辐射强度成比例的输出的检测器(10)；用于保持样品(20)的样品架(4)，其上表面(18)与光路(O)相交；平移机构(22)，可操作以实现所述样品架(4)和所述聚焦透镜装置(6)的相对运动，以改变所述焦平面(F)沿所述光路(O)相对于所述样品架(4)的定位点；以及控制器(14)，配置为自动控制所述平移机构(22)的操作以实现相对运动以实现所述焦平面(F)和所述上表面(18)的与光路(O)相交的分析区域(40)重合或接近重合的最佳位置，其中，所述控制器(14)还配置为根据存储在所述控制器(14)能访问的存储器(26)中的数学变换计算所述最佳位置，该变换将所述上表面(18)的与光路(O)相交的分析区域(40)的测量数据与最佳定位点相关联，该变换是使用从来自所述激光束(L)撞击所述样品(20)的上表面(18)的一个或更多个其他区域(16；34；36；38)所产生的等离子体的电磁辐射获得的输出而生成的。2.如权利要求1所述的LIBS分析系统(2)，其中，所述控制器(14)配置为操作所述平移机构(22)以实现所述相对运动以实现在上表面(18)的第一其他区域(16)处所述焦平面(F)相对于样品架(4)沿所述光路(O)的多个不同位置；操作所述激光器(8)以在所述多个不同位置的每一个处产生等离子体，并将从来自在多个不同位置的每一个处产生的等离子体的电磁辐射获得的检测器输出的表示相对于位置索引地获取到所述存储器(26)中，作为用于生成所述数学变换的强度数据。3.如权利要求2所述的LIBS分析系统(2)，其中，所述控制器(14)配置为处理所述强度数据以生成将检测器输出与所述焦平面(F)的位置相关联的数学表达式并将所述数学表达式作为所述数学变换存储在所述存储器中。4.如权利要求3所述的LIBS分析系统(2)，其中，所述控制器(14)配置为操作所述激光器(8)以在所述分析区域(40)处产生等离子体；将根据来自产生的等离子体的电磁辐射获得的检测器(10)的输出作为所述测量数据获取到所述存储器(26)中，并通过对所述测量数据应用所述数学变换来计算所述分析区域(40)的最佳位置。5.如权利要求2所述的LIBS分析系统(2)，其中，所述控制器(14)配置为操作所述平移机构(22)以在垂直于光路(O)的平面中移动样品台(4)以使所述上表面(18)的多个不同的其他区域(34、36、38)与所述光轴(O)连续相交，每个不同的其他区域(34；36；38)在平面中具有不同的已知定位点；操作所述激光器(8)以在所述多个不同的其他区域(34；46；38)的每一个处产生等离子体，并根据在所述平面中的不同的已知定位点中的每一个处的所述检测器(10)的输出与所述强度数据的比较来生成所述数学变换。6.如权利要求5所述的LIBS分析系统(2)，其中，所述数学变换将识别所述最佳位置的信息与平面中垂直于光路的区域的定位点相关联，并且所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：D，
申请(专利权)人：福斯分析仪器公司，
类型：发明
国别省市：