專利名稱：一種用于激光誘導檢測的光學系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及ー種新型激光誘導檢測裝置的激光導入光學系統(tǒng)，特別是涉及ー種將激光匯聚在被檢測物質的表面，通過激光所激發(fā)等離子體光譜得到被檢測材料成分，或通過激光在材料內部及表面所激勵的超聲進行分析得到材料內部缺陷的激光導入光學系統(tǒng)，屬于激光誘導檢測領域。
背景技術：
激光誘導等離子體光譜(LaserInduced Plasma Spectroscopy, LIPS)檢測技術，是ー種利用脈沖激光燒蝕物質產生等離子體，通過等離子體發(fā)射光譜來定性或定量研究物質成份的分析技木。它具有適用范圍廣、分析速度快、測量破壞性小、可遠程非接觸測量以 及可實現(xiàn)實時檢測等優(yōu)點。激光誘導等離子體光譜技術是基于激光和材料相互作用產生的發(fā)射光譜的ー種定量分析技術，該方法在測量過程中只需幾微克，可實現(xiàn)非破壞測量，并且無需樣品預處理即可實現(xiàn)對任何物理狀態(tài)物質的元素分析。激光誘導等離子體光譜技術可通過定標對物質中的元素進行定量分析，且檢測限和精密度完全滿足應用需求，現(xiàn)已廣泛應用于眾多領域。另ー方面，激光誘導超聲檢測技術是利用激光來激發(fā)和檢測超聲的無損檢測技木，激光聚焦在被測材料表面后，被照射材料會發(fā)生膨脹，形成熱彈效應或者融蝕作用。熱彈效應或者融蝕作用可以激發(fā)出以激光照射點為源的超聲波。與傳統(tǒng)的壓電超聲檢測技術相比，激光誘導超聲檢測技術具有非接觸、寬帶以及點發(fā)射接收等優(yōu)點。因此激光誘導超聲檢測技術在材料表征、缺陷檢測、加工過程監(jiān)測，以及復雜形貌的エ件或高溫、高壓、腐蝕、輻射等特殊環(huán)境下設備的檢測或監(jiān)測中得以應用。目前國內外有ー些專利進行了這方面的保護，比如申請?zhí)枮?00780101871.0的激光超聲無損檢測裝置，將激光通過透鏡匯聚到材料上面后，通過折疊行進來實現(xiàn)對大面積的掃描檢測。申請?zhí)枮閁S2003/0172736A1的專利，介紹了ー種采用光纖結構的激光誘導超聲檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)將激光誘導超聲激勵源與激光誘導超聲檢測信號透鏡同軸整合實現(xiàn)檢測。美國專利US7671349B2保護了ー種激光誘導等離子體的裝置，采用ー種包含凹面反射鏡的收集結構實現(xiàn)將激光匯聚到被檢測的物質上，結構緊湊，較為實用。對于激光誘導等離子體光譜技術和激光誘導超聲檢測技術，均需要光學系統(tǒng)將激光匯聚在被檢測材料的表面，來實施激光誘導。誘導的激光通常采用透鏡聚焦，這種方式面臨的最大問題是焦點尺寸比較小，一旦被檢測材料到聚焦透鏡的間距發(fā)生波動，就會影響檢測的實施。對于激光誘導等離子體光譜技木，當焦點在材料表面之上時，就會發(fā)生氣體擊穿，使得監(jiān)測得到的光譜是空氣光譜而不是被檢測材料的光譜；對于激光誘導超聲檢測技木，當誘導激光恰好匯聚到材料表面上吋，就會發(fā)生損傷，破壞被檢測件。
發(fā)明內容
本發(fā)明目的在于提供一種新的激光誘導檢測技術中的光學導入系統(tǒng)，用來解決激光誘導等離子體光譜技術和激光誘導超聲檢測技術在實施過程中的導入激光調節(jié)問題。本發(fā)明通過將激光分束，并控制單束激光能量在誘導激勵的閾值之下，而多束合并時又處于激勵閾值之上的方法來實現(xiàn)誘導的調節(jié)控制，井能夠同時避免激光聚焦在被檢測材料的上，或者導致氣體擊穿的問題。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的本發(fā)明涉及的用于激光誘導檢測的光學系統(tǒng)，如圖I和圖2所示，包括外套筒I、分光棱鏡2、分光遮擋板3、光束選擇擋板4、聚光套筒5，還可以將聚光套筒5替換成反射鏡組6，或者增加電動控制器7，或者增加聚焦透鏡組8。在所述的技術方案中，所述的外套筒I用來將誘導激勵的激光束匯聚到被檢測的材料表面上； 在所述的技術方案中，所述的分光棱鏡2用來將誘導用的入射激光分散成多束；在所述的技術方案中，所述的分光遮擋板3用來透過分束后的激光，并遮擋被光束選擇擋板4反射的激光，避免散射干擾；在所述的技術方案中，所述的光束選擇擋板4用來對入射的多束激光進行選擇，控制其中的部分或全部透過；在所述的技術方案中，所述的聚光套筒5內壁可以是棱臺面、圓臺面或者組合曲面，由金屬拋光或者其他材料鍍膜構成，用來反射并改變多束誘導激光的方向，使多束誘導激光共同匯聚在ー個面上。在所述的技術方案中，所述的反射鏡組6可以由金屬拋光或者玻璃等材料鍍膜構成，可以是平面也可以是凹面或者凸面，功能與聚光套筒5相同。在所述的技術方案中，所述的電動控制器7內部包括驅動電機和傳動機構，用來實現(xiàn)分光遮擋板3、光束選擇擋板4、聚光套筒5的電動控制。在所述的技術方案中，所述的聚焦透鏡組8可以被添加在分光棱鏡2前、分光棱鏡2與分光遮擋板3之間、分光遮擋板3與光束選擇擋板4之間、光束選擇擋板4與聚光套筒5之間，用來實現(xiàn)單束光的匯聚。本發(fā)明與已有技術相比具有如下的優(yōu)點無論是激光誘導等離子體光譜檢測技術還是激光誘導超聲檢測技術，均需要將激光匯聚在被檢測件的表面進行激勵?，F(xiàn)有的激勵技術是通過透鏡將激光匯聚到材料表面來實現(xiàn)高能量密度的激勵，但是存在空氣擊穿、焦點需要精確定位的問題。本發(fā)明避免了透鏡聚焦焦點的存在，通過多束激光的重疊實現(xiàn)誘導激光誘導，這樣對焦點位置不明感，可以有效避免誘導激光的氣體擊穿和被檢測材料的損傷。
圖I是用于激光誘導檢測的光學系統(tǒng)的剖視圖。圖2是用于激光誘導檢測的光學系統(tǒng)的外觀圖。圖3是用于激光誘導檢測的光學系統(tǒng)的內部結構。圖4是用于激光誘導檢測的光學系統(tǒng)的另ー種內部結構方案實例。圖5是用于激光誘導檢測的光學系統(tǒng)的ー種90度4塊ー層分光棱鏡結構圖。圖6是用于激光誘導檢測的光學系統(tǒng)的ー種4束分光遮擋板結構圖。
圖7是用于激光誘導檢測的光學系統(tǒng)的ー種光束選擇擋板結構圖。圖8是用于激光誘導檢測的光學系統(tǒng)的ー種45度8塊ー層分光棱鏡結構圖。圖9是用于激光誘導檢測的光學系統(tǒng)的ー種45度8塊兩層分光棱鏡結構圖。
具體實施例方式為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖和實施例將對本發(fā)明進ー步詳細說明。實施例I參考圖I、圖2和圖3，制作一個用于激光誘導檢測的光學系統(tǒng)。外套筒I由不銹鋼焊接制成，內部為螺紋結構，通過包含外螺紋的金屬環(huán)來加緊固定光學元件。沿著通光順序，第一個光學元件是聚焦透鏡組8，第二個光學元件為分光棱鏡2，用來將誘導用的入射 激光分散成4束，結構如圖5。第三個光學元件為分光遮擋板3，由厚度Imm的鋁片制成，上面包含4個直徑3mm的通光孔，成90°夾角圓周陣列，結構如圖6，由分光棱鏡2分出的光經過這4個通光孔射出。第四個光學元件為光束選擇擋板4，上面沿著ー個圓周排布12個孔，結構如圖7，通過旋轉光束選擇擋板4，可以實現(xiàn)1、2、3、4束激光通過光束選擇擋板4。被光束選擇擋板4遮擋的激光在光束選擇擋板4和分光遮擋板3之間散射。第五個光學元件為聚光套筒5，內壁為圓臺曲面，由金屬鋁拋光鍍高反射膜構成，經過光束選擇擋板4透射的激光束由聚光套筒5改變方向，共同匯聚在被檢測面上。在外套筒I外面，附著安裝有電動控制器7，用來通過外部控制信號實現(xiàn)對分光遮擋板3、光束選擇擋板4的調節(jié)，實現(xiàn)對激光分光的電動控制。實施例2參考圖4，制作一個用于激光誘導檢測的光學系統(tǒng)。外套筒I由鋁板加工制成，內部為滑套結構，每個元件外部有套筒。通過緊固螺釘來實現(xiàn)光學元件定位。沿著通光順序，第一個光學元件為分光棱鏡2，用來將誘導用的入射激光分散成8束，如圖8。第二個光學兀件為分光遮擋板3,由厚度0. 5mm的鋼片制成,上面包含8個直徑5mm的通光孔，由分光棱鏡2分出的光經過這8個通光孔射出。第三個光學元件為光束選擇擋板4，上面沿著ー個直徑50mm的圓周等角度間距陣列排布20個孔，通過旋轉光束選擇擋板4可以實現(xiàn)2、4、6、8束激光通過光束選擇擋板4。被光束選擇擋板4遮擋的激光在光束選擇擋板4和分光遮擋板3之間散射。第四個光學元件為聚光套筒5，內壁安裝有反射鏡組6，反射鏡為圓形，直徑10_。經過光束選擇擋板4透射的激光束由反射鏡組6改變方向，共同匯聚在被檢測面上。在使用時，通過手動控制光束選擇擋板4的角度，實現(xiàn)多束激光照射在材料表面，實現(xiàn)激光誘導激勵。實施例3參考圖4，制作一個用于激光誘導檢測的光學系統(tǒng)。外套筒I由鋁板加工制成，內部為滑套結構，每個元件外部有套筒。通過緊固螺釘來實現(xiàn)光學元件定位。沿著通光順序，第一個光學元件為分光棱鏡2，用來將誘導用的入射激光分散成兩層，每層8束，如圖9。第ニ個光學元件為分光遮擋板3，由厚度1_的鋼片制成，上面包含兩層每層8個直徑3_的通光孔，由分光棱鏡2分出的光經過這8個通光孔射出。第三個光學元件為光束選擇擋板4，上面沿著ー個直徑50mm的圓周等角度間距分兩層，每層陣列排布20個孔，通過旋轉光束選擇擋板4可以實現(xiàn)4、8、12、16束激光通過光束選擇擋板4。被光束選擇擋板4遮擋的激光在光束選擇擋板4和分光遮擋板3之間散射。第四個光學元件為聚光套筒5，內壁安裝有反射鏡組6，反射鏡為圓形，直徑10_。經過光束選擇擋板4透射的激光束由反射鏡組6改變方向，共同匯聚在被檢測面上。在使用時，通過手動控制光束選擇擋板4的角度，實現(xiàn)多束激光照射在材料表面，實現(xiàn)激 光誘導激勵。
權利要求
1.一種用于激光誘導檢測的光學系統(tǒng)，包括外套筒I、分光棱鏡2、分光遮擋板3、光束選擇擋板4、聚光套筒5，還可以將聚光套筒5替換成反射鏡組6，或者増加電動控制器7，或者增加聚焦透鏡組8。
2.按權利要求I所述的用于激光誘導檢測的光學系統(tǒng)，其特征在于，所述的外套筒I用來將誘導激勵的激光束匯聚到被檢測的材料表面上；所述的分光棱鏡2用來將誘導用的入射激光分散成多束；所述的分光遮擋板3用來透過分束后的激光，并遮擋被光束選擇擋板4反射的激光，避免散射干擾；所述的光束選擇擋板4用來對入射的多束激光進行選擇，控制其中的部分或全部透過；所述的聚光套筒5用來反射并改變多束誘導激光的方向，使多束誘導激光共同匯聚在一個面上；所述的反射鏡組6可以由金屬拋光或者玻璃等材料鍍膜構成，可以是平面也可以是凹面或者凸面，功能與聚光套筒5相同；所述的電動控制器7內部包括驅動電機和傳動機構，用來實現(xiàn)分光遮擋板3、光束選擇擋板4、聚光套筒5的電動控制；所述的聚焦透鏡8可以被添加在分光棱鏡2前、分光棱鏡2與分光遮擋板3之間、分光遮擋板3與光束選擇擋板4之間、光束選擇擋板4與聚光套筒5之間，用來實現(xiàn)單束光的匯聚。
3.按權利要求I所述的用于激光誘導檢測的光學系統(tǒng)，其特征在于，分光棱鏡2用來實現(xiàn)激光的分光，上面按照需求進行分割，可以是僅沿著軸向的I至50等分，每份呈扇形；也可以是沿著徑向的I至50等分與沿著軸向的I至50等分相結合，將光束分成沿同一圓心的I至50個環(huán)帯，每個環(huán)帶上進行I至50等分。
4.按權利要求I所述的用于激光誘導檢測的光學系統(tǒng)，其特征在于，包含的分光遮擋板3和光束選擇擋板4用來實現(xiàn)光束透過的選擇，在分光遮擋板3和光束選擇擋板4上面可以沿ー個或多至10個的圓周設置分光通光孔，在每個圓周上可以包含I至100個孔，這些孔的間距不等，主要目的是分光遮擋板3和光束選擇擋板4上的孔配合，實現(xiàn)不同組數(shù)的激光透過；并且每個孔的形狀可以為圓形、矩形、梯形或者扇形，孔的尺寸可以任意設定，通常為直徑在I至20mm的圓孔或者單邊長I至20mm的矩形。
5.按權利要求I所述的用于激光誘導檢測的光學系統(tǒng)，其特征在于，包含的聚光套筒5用來實現(xiàn)對分出光束的匯聚，內壁可以是棱臺面、圓臺面或者組合曲面，由金屬拋光或者塑料、玻璃、陶瓷等材料鍍高反射膜構成；聚光套筒5可以由3至30片的梯形鏡片圍攏粘貼構成，可以由鋁、鐵、銅等金屬通過機械加工的方式構成內空的孔，形狀可以是圓柱孔、棱臺孔或者球面與圓柱和棱臺組合的孔的形狀。
6.按權利要求I所述的用于激光誘導檢測的光學系統(tǒng)，其特征在干，聚光套筒5還可以替換成反射鏡組6，由I至50片的反射鏡按照適當?shù)慕嵌扰挪紭嫵桑@些反射鏡可以是金屬反射鏡，也可以是陶瓷、玻璃反射鏡，反射鏡可以是圓形、矩形或者梯形；反射鏡反射面可以是平面、凹面或者凸面，可以是球面也可以是非球面。
7.按權利要求I所述的用于激光誘導檢測的光學系統(tǒng)，其特征在于，在聚光套筒5的前面或者后面可以添加聚焦透鏡組8，來實現(xiàn)多束光的進ー步匯聚，以及通過對聚焦透鏡組8的調節(jié)實現(xiàn)光束匯聚位置的精確定位；聚焦透鏡組8可以增加電動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)自動調節(jié)，或者通過手動調節(jié)來實現(xiàn)。
8.按權利要求I所述的用于激光誘導檢測的光學系統(tǒng)，其特征在于，在分光棱鏡2后，分光遮擋板3前，可以添加聚焦透鏡組，來實現(xiàn)多束光的進ー步匯聚，以及通過對聚焦透鏡組8的調節(jié) 實現(xiàn)光束匯聚位置的精確定位；聚焦透鏡組8可以增加電動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)自動調節(jié)，或者通過手動調節(jié)來實現(xiàn)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種新型激光誘導檢測裝置的激光導入光學系統(tǒng)，特別是涉及一種將激光匯聚在被檢測物質的表面，通過激光所激發(fā)等離子體光譜得到被檢測材料成分，或通過激光在材料內部及表面所激勵的超聲進行分析得到材料內部缺陷的激光導入光學系統(tǒng)，屬于激光誘導檢測領域。本發(fā)明涉及的系統(tǒng)包括外套筒、分光棱鏡、分光遮擋板、光束選擇擋板、聚光套筒，還可以將聚光套筒替換成反射鏡組，或者增加電動控制器，或者增加聚焦透鏡。本發(fā)明通過將激光分束，并控制單束激光能量在誘導激勵的閾值之下，而多束合并時又處于激勵閾值之上的方法來實現(xiàn)誘導的調節(jié)控制，并能夠同時避免激光聚焦在被檢測材料的上，或者導致氣體擊穿的問題。
文檔編號G01N21/63GK102866134SQ20121030876
公開日2013年1月9日 申請日期2012年8月28日 優(yōu)先權日2012年8月28日
發(fā)明者趙天卓, 余錦, 樊仲維, 劉洋, 張雪, 黃科, 麻云鳳 申請人:中國科學院光電研究院, 北京國科世紀激光技術有限公司