1.本公开大体上涉及双脉冲激光系统以及这类系统在各个领域中的用途，包括在光学和原子发射光谱中。
背景技术：2.光学脉冲用于整个光学和科学分析。光学脉冲的特征在于信号幅度从基线值到更高或更低值的快速、瞬态变化，然后快速返回到基线值。光学脉冲可为任何类型的电磁辐射的脉冲，包括例如可见光或不可见电磁辐射。
3.当需要快速连续的多个(例如两个或更多)激光脉冲时，它们通常使用复杂且昂贵的电子设备或通过使用两个不同的脉冲激光来产生。
4.可通过使用带有改进的电子设备的单脉冲激光来提供两个脉冲，以控制q-开关并以预定的时间延迟发射两个脉冲。在这种情况下，只需要一个激光，并且两个脉冲可共线发射。然而，与电子设备的改进相关的成本很高，并且在选择不同的时间延迟方面几乎没有灵活性(其中延迟通常约为100μs)。具体地说，延迟的持续时间强烈影响脉冲的能量，并且很难提供两个能量相当的脉冲。
5.替代地，可通过使两个不同脉冲激光的光束沿共同路径行进来提供两个脉冲，其中外部触发器使每个激光发射具有在第一和第二脉冲之间的时间延迟的脉冲。这需要两个激光，这导致系统成本翻倍并增加了系统大小。此外，还需要精确调整两个脉冲的空间叠加。
6.利用激光脉冲的一种情况是激光诱导击穿光谱(libs)。自1970年代以来，libs一直用于化学分析目的。然而，由于与其它光学发射光谱(oes)方法(例如火花-oes或电感耦合等离子体-oes)相比性能不足，因此阻止了向定量分析应用的转移。
7.在libs中，激光脉冲用于激发样品。libs中的关键因素是激光参数以及激光与待分析材料的相互作用。对于定量分析，线发射强度取决于：1)烧蚀材料的量和2)羽流中等离子体的温度。单脉冲，即每个泵浦脉冲一个激光脉冲，是烧蚀和蒸发材料以及诱导等离子体的常规方法。然而，如果使用单脉冲，那么不能分别优化消融和等离子体激发。随着等离子体从表面膨胀，它开始吸收入射辐射的尾部，提高了羽流温度，但限制了到达样品表面的光量，从而限制了烧蚀材料的总量。较短的脉冲可用于以牺牲羽流温度为代价烧蚀更多物质，相反，较长的脉冲可用于提高羽流温度，但导致由等离子体吸收引起的线发射饱和。类似地，由于这种饱和效应，更高的单脉冲能量不导致更强的发射线。
8.为了优化线发射强度，已经提出了双脉冲libs系统。它们利用一列两个激光脉冲，它们在时间上相隔几十纳秒到几微秒。在共线几何设置中，即当两个脉冲沿相同的光学路径指向表面时，第一脉冲到达样品并产生相应的第一膨胀的等离子体羽流。随着此膨胀，羽流的压力降低，其温度也降低。在预定的时间延迟之后，第二脉冲通过由第一脉冲产生的等离子体羽流到达样品。由于第一脉冲产生的等离子体羽流密度因超音速膨胀而大大降低，因此第二个脉冲被部分透射并撞击样品表面，从而产生新的等离子体羽流。此外，第一等离
子体羽流吸收的能量分量导致其温度升高。总体效果是增加了材料烧蚀和温度，从而导致更强的线路发射。单脉冲和双脉冲系统的比较研究示出，对于某些元素，线发射强度通常增加10-50倍，并且高达100倍。
9.迄今为止，双脉冲libs系统通常采用复杂的q-开关电路或使用多个激光，因此这种双脉冲libs系统受到这些方法的上述缺点的影响。由于这两种方法在成本和复杂性方面都给工业实施带来了困难，因此现有的双脉冲libs系统既昂贵又复杂。
10.本公开的一个目的是解决现有技术libs系统和现有技术双脉冲激光系统的这些和其它问题。
技术实现要素：11.针对此背景并且根据第一方面，提供了根据权利要求1所述的双脉冲激光系统。还提供了根据权利要求35所述的双脉冲激光诱导击穿光谱仪。
12.本公开涉及在双脉冲激光系统中使用多通道单元以提供第一和第二激光脉冲之间的延迟。通过将一个脉冲引导到多通道单元中，所述脉冲可相对于不进入单元的另一个脉冲延迟，因为多通道单元为单元中的脉冲提供比不进入单元的脉冲更长的光学路径长度。为此目的使用多通道单元提供了一种延迟激光脉冲的方法，而无需使用复杂的电子设备。
13.脉冲可从单个脉冲产生，例如通过分离单个脉冲。这意味着单激光可用于提供两个(例如仅两个，或在某些情况下至少两个)相干脉冲，避免了使用两个激光的需要。此外，本公开提供了一种用于将脉冲分成两个脉冲的装置。通过在反射表面中提供孔隙并将脉冲引导到孔隙的边缘，可以使一部分脉冲通过孔隙并且可以反射一部分脉冲，从而分离脉冲。这是一种用于分离激光脉冲的有效且可靠的机制，并且可容易地与多通道单元集成(例如，通过将具有孔的反射表面连接到单元的外部)。可附加地和/或替代地使用常规分束器的布置。
14.在从单个脉冲产生两个脉冲的优选实施例中，单个脉冲的能量可以在两个脉冲之间基本上均等地分。举例来说，一般来说，第一和第二脉冲中的每一个可具有相等的能量(例如，原始单脉冲能量的50％的能量)。这可使用本文所述的布置来实现，包括使用如本文所述布置的常规分束器，或使用本文所述的机械分束技术(例如，使用具有孔隙的反射表面)。
15.由于本公开的第一和第二激光脉冲可由单激光脉冲产生，因此第一和第二激光脉冲优选地具有相同的频率。因此，可提供具有基本上相等的能量、频率、强度和/或大小的脉冲。此外，使用本文所述的分离技术，激光脉冲的分离可独立于激光脉冲的频率发生。此外，在本公开的一些系统中，分离可独立于激光脉冲的偏振而发生。
16.本公开中描述的多通道单元的一些具体实例对于在双脉冲激光系统中使用具有特别的优势，因为它们高度稳定并且制造起来相对便宜。举例来说，这类单元可提供高达或大于50或100米的光学路径长度。本公开提供了一种光学结构，所述光学结构可以使用廉价的、可商购的部件制造，并且表现出显著的机械公差，使其适合于承受振动并简化工业实施中的机械对准。
17.本公开的一些多通道单元基于两个棱镜和一个凹面(例如球面)镜的组合，它们分
别用作多通道单元的两端。棱镜限定第一端并且凹面镜限定第二相对端。光可通过单元的一端(通常在棱镜之间)进入，并在单元的第一和第二端之间反复反射。与现有的多通道单元相比，两个棱镜组合的光学特性导致稳定性增强。举例来说，因为棱镜被布置成具有垂直表面，所以由凹面镜朝向棱镜反射的光至少部分地被棱镜回射。因此，可减少光在反复穿过单元时的扩散。尽管原则上，由于光学系统的轻微未对准、棱镜表面的缺陷和/或进入单元的光的波形缺陷，可能会发生光的发散，但在目前描述的多通道单元中，部分回射单元末端对这些缺陷不太敏感，因此它们的影响会降低。
18.使用三个相互垂直的反射表面(例如角反射器)也可以实现由于减少光的传播而提高稳定性的优点。单元的部分(或完全)回射端与单元另一端的凹面(例如聚焦)反射器结合使用是特别有利的。
19.本公开的多通道单元提供额外的益处。举例来说，虽然可使用例如两个反射镜来提供垂直反射表面，但是两个棱镜(尤其是横截面是直角等腰三角形的两个棱镜)的组合是特别有利的。两个直角等腰三角形棱镜可并排放置(搁置在由横截面的斜边限定的面上，棱镜的轴线平行)，使得它们限定一对垂直表面。此外，通过在棱镜的边缘(与棱镜的轴平行的边缘)之间设置小狭缝来定位棱镜，可容易地提供允许光在棱镜之间通过的孔隙。三棱镜是广泛可用的光学部件，易于精确布置(例如，使用安装结构)以提供上述优点，并为光学布置内的安装提供更大的表面积，从而提高反射表面的稳定性。因此，棱镜为制造一对垂直反射表面提供了一种有效且可靠的方法。
20.由本公开的反射器布置提供的增强的稳定性允许单元为反射器之间的任何给定间隔提供极长的光学路径长度(并且因此也允许光在单元内的长时间持续时间)。举例来说，可调整单元两端之间的间距，以及可调整光进入单元的角度。通过改变单元几何形状的这些属性，单元内光穿过的总路径可从小于1m调整到几十米甚至大于100m。这可提供相对较长的路径长度，用于在双脉冲激光系统中的脉冲之间提供时间延迟。一般来说，单元的端之间更大的间距导致更大的路径长度，并且增加的路径长度也可通过增加光进入单元的角度来实现(即通过以与单元的纵向轴线更大的角度进入)。所描述的多通道单元特别容忍以一定角度接收光(与用于其它领域的现有技术多通道单元相比)，因此当集成到双脉冲激光系统中时特别有益。
21.本公开的双脉冲系统在双脉冲激光诱导击穿光谱的背景下是特别有利的，其中第一和第二脉冲冲击样品并导致样品发光。通过使用广泛可用的光学部件(例如棱镜和反射镜)的新组合，在脉冲之间提供相对较长的时间延迟而不需要复杂的电子设备或多个激光是有利的。
附图说明
22.现在将参考附图仅通过实例的方式描述本公开的实施例，其中：
23.图1示意性地示出了双脉冲激光系统；
24.图2示意性地示出了双脉冲激光系统，其包含用于分离光的光学布置；
25.图3a至3d示意性地示出了多通道单元；
26.图4a至4c示出了多通道单元的稳定性分析；
27.图5示出了多通道单元在对准状态下的站立模式；
28.图6示出了多通道单元在未对准时的站立模式；
29.图7示意性地示出了多通道单元；
30.图8示意性地示出了用于图3a至3d和7的多通道单元的替代的第一反射器布置；
31.图9a和9b示意性地示出了本文所述的多通道单元的安装结构；
32.图10示出了分离光的原理；
33.图11a至11d示意性地示出了利用本文所述的多通道单元的双脉冲激光系统；
34.图12a和12b示出了不同类型的机械分束的比较；和
35.图13示意性地示出了使用本文所述的多通道单元的双脉冲激光诱导击穿光谱仪。
具体实施方式
36.在图1中，示出了用于产生第一和第二激光脉冲的通用双脉冲激光系统。系统包含被布置成相对于第一激光脉冲延迟第二激光脉冲的多通道单元100。激光系统另外包含用于提供单激光脉冲的激光110，其被沿方向101朝向多通道单元100引导。多通道单元100接收单激光脉冲并导致两个脉冲在方向108上以时间间隔行进。与使用多个激光来产生多个激光脉冲的系统相比，使用多通道单元在第一和第二激光脉冲之间引入延迟有利地需要更少的空间和成本。此外，使用多通道单元引入激光脉冲之间的延迟消除了用于控制q-开关的复杂电子设备的需要。在图1中，多通道单元100本身可能能够将单激光脉冲分离成第一和第二激光脉冲，或分光元件(例如，位于激光110和单元100之间)可执行此功能。
37.图2示出了用于分激光脉冲的多通道单元200和光学布置212的示例。在图2(i)、(ii)和(iii)中，描绘了单激光脉冲201入射在光学布置212上，所述光学布置212包含分束器212a-e，用于将光引导到多通道单元200中并朝向样品。图2(i)描绘了光学布置212，其产生第一和第二激光脉冲但未能将这两个脉冲引导到期望的目的地。图2(ii)和2(iii)描绘了成功地产生具有相对时间延迟的第一和第二激光脉冲的光学布置212。在图2(iii)中，入射到单激光脉冲中的总能量的75％最终被引导到样品。在图2(iii)中，入射到单激光脉冲中的总能量的100％最终被引导到样品。
38.图2的光学布置212利用分束器。分束器可为非偏振的(unpolarising)(有时被描述为非偏振的(non-polarising))或偏振的。偏振分束器将光分成两束正交偏振态。除了分束器之外，光学布置212还包含用于将脉冲导向适当的分束器的反射元件(例如反射镜)。分束器的类型包括：半镀银镜；成对的棱镜粘合在一起；沃拉斯顿棱镜；和二向色镜面棱镜组件(使用二向色光学涂层)。
39.在图2(i)中，描绘了单个非偏振分束器212a。如果激光脉冲201通过一个非偏振分束器，如图2(i)所示，那么50％被透射(朝向样品)而50％被反射。在图2(i)中，这被示出为相对于输入脉冲的传播轴线呈90
°
顺时针角。光的反射部分进入多通道单元200，并且一旦脉冲沿出射光208的方向离开单元200，它再次入射到相同的分束器212a上。在那里，脉冲的50％(即，总初始脉冲能量的25％)将沿入射光201的方向反射回激光源(由于可能损坏源而很危险)并且50％将直接穿过分束器212a并且不会到达样品。
40.图2(ii)描绘了包含两个非偏振分束器212b和212c的光学布置212。图2(ii)通过添加相对于第一分束器212b旋转180
°
的第二分束器212c来改进配置(i)。第一分束器212a将单激光脉冲分成第一和第二激光脉冲。第一激光脉冲直接通过第二分束器212c，第一激
光脉冲也直接通过第二分束器212c。因此，第一激光脉冲沿样品方向传播。第二激光脉冲(即延迟脉冲)进入多通道单元200，穿过单元一次或多次，并沿出射光208的方向出射，然后被引导至第二分束器212c。50％的第二激光脉冲直接穿过第二分束器212c，并且50％的第二激光脉冲以与第一激光脉冲共线的方向指向样品。这样，避免了对激光源的背反射，75％的原始激光能量到达样品，其中25％的原始激光脉冲能量是第二激光脉冲，相对于第一激光脉冲具有时间延迟.由于损失了25％的激光能量，这不是最佳方案。
41.图2(iii)描绘了包含两个偏振分束器212d和212e的光学布置212。第一分束器212e根据其偏振来分离脉冲。因此，如果圆偏振光撞击分束器212e，那么水平和垂直分量被分离。每个分量对应于50％的脉冲能量，因为原始脉冲是圆极化的。因此，50％的脉冲向样品透射，50％的脉冲反射到多通道单元200。为了避免与图(i)中相同的情况，第二偏振分束器212e(相对于第一偏振分束器212d旋转180
°
)使两个脉冲以样品为目标。这种情况的优点是100％的入射激光被保存，从而相对于图2(ii)提高了效率。
42.因此，概括地说，本公开提供了其中光学布置被配置成将第二激光脉冲引导到多通道单元中的实施例(例如，以便相对于第一脉冲延迟第二脉冲)。光学布置优选地被配置成从单激光脉冲(例如通过将单个脉冲分成两个)产生第一和第二激光脉冲。光学布置可被配置成将一个脉冲分成仅两个脉冲。这类脉冲可以具有基本上相等的能量(即，用于产生脉冲的脉冲能量的50％)。本公开提供了用于产生具有时间延迟的第一和第二激光脉冲的布置，其中时间延迟的程度取决于所使用的多通道单元的特性(例如，光学路径长度)并且可由其控制。本公开的光学布置可包含一个或多个非偏振分束器。附加地或替代地，光学布置可包含一个或多个偏振分束器。取决于所采用的分束器的组合，光可为偏振的或非偏振的。这类布置是有利的，因为它们不需要激光和光学腔之间特别严格的对准。此外，它们可以高效且有效地制造。
43.多通道单元200可为任何类型的现有多通道单元，如white或herriott单元。多通道单元，如white或herriott单元，通常用作光谱吸收单元。然而，本公开还涵盖新颖的多通道单元几何形状，其允许使用非常机械稳定的单元实现令人惊讶的长光学延迟。这类多通道单元的实例在图3a至3d和7中描述，这些将在下面更详细地讨论。
44.与现有的多通道单元相比，用于本公开的激光系统的新型多通道单元概括地说可包含：第一反射器布置；第二反射器布置；其中第一反射器布置被配置成使得入射在第一反射器布置上的光至少部分地朝向第二反射器布置回射。有利地，使用至少部分回射的反射器布置提供改进的机械稳定性的效果，因为部分回射表面抑制入射在其上的光的散射，因此光以减少或最小散射被反射回其源。在这种情况下，光从第一反射器布置向第二反射器布置反射，这允许本公开的多通道单元比现有技术的装置容忍更多的机械未对准，现有技术的装置不能容忍明显的未对准。
45.本公开的第一反射器布置可基于其结构而不是其部分回射性以替代术语来定义。举例来说，第一反射器布置可被定义为具有两个垂直(或基本上垂直以提供部分回射性)反射表面或三个相互垂直(或基本上垂直以提供回射性)反射表面。只有当光完全垂直于反射镜时，平面反射镜才会将入射到其上的光反射回其光源，入射角为零。虽然激光表现出低程度的光束(或脉冲)发散度，但没有激光束是完全准直的。此外，没有反射镜是完全平面的。因此，对于真实的光源，通常会发生一些来自平面镜的散射。因此，在本公开的上下文中，平
面镜不被认为是部分回射的。相反，在本公开内容的上下文中，如果反射器布置为穿过一定范围(即多个)入射角的光提供回射作用(与仅能以单入射角回射入射光的完美平面镜不同)，那么它至少部分回射。
46.可以使用角反射器获得回射率，所述角反射器包含三个垂直的平面反射器，这些反射器使入射到角反射器中的任何光回射到其光源。仅使用两个垂直平面镜也可以实现部分回射，在这种情况下，从一系列方向入射的光将被回射。然而，缺少第三反射表面意味着在由两个平面的交线限定的方向上具有分量的光将不会被完美地回射到其光源。相反，两个平面垂直反射镜对于垂直于由两个平面的交点定义的方向的光是回射的。
47.在图3a、3b、3c和3d中描绘了用于本公开的激光系统的多通道单元300，其示意性地示出了四种不同配置的多通道单元300。
48.多通道单元300包含外壳302。典型地为相干光(例如由激光产生的光)的光301通过光学窗口304进入外壳302，所述光学窗口对光源的选定波长是透明的。光学窗口304可以简单地是外壳302中的孔隙。光301可为第二激光脉冲，其已经通过如图2所示的分束器布置从单激光脉冲中分离出来。光301以相对于窗口304的法线的入射角θ被引导。角度θ也是光301的方向与单元的纵向轴线300z之间的角度。纵向轴线300z在图3a中示出，但为简单起见从图3b、3c和3d中省略。角度θ通常为2
°
至10
°
(尽管可以使用其它角度范围)。
49.多通道单元300包含第一和第二反射器布置305和307。反射器布置305和307被布置成使得进入多通道单元300的光在两个布置之间被重复反射(不从除了两个反射器布置的表面之外的任何表面反射)并且反射器布置305和307限定光学腔315。
50.第一反射器布置305包含两个棱镜305a、305b，它们定位成使得通常为2至10mm宽的小狭缝306限定在棱镜305a和305b之间。第一反射器布置包含基本上垂直的两个表面(两个棱镜的面)。狭缝306与窗口304对准并用作光束或光脉冲可以通过其进入和离开限定在多通道单元300内的光学腔315的孔隙。
51.此单元300的第二反射器布置307是球面圆形镜，其定位在距棱镜305a和305b距离d处。在此单元300中，第二反射器布置307没有孔隙，因此光不能通过第二反射器布置。第二反射器布置307面对第一反射器布置的棱镜305a和305b。
52.在使用中，光301通过光学窗口304和棱镜305a和305b之间的狭缝306进入单元。然后，光从球面镜307反射，其将光反射并聚焦回第一反射器布置305。光从棱镜305a和305b中的一个反射到棱镜305a和305b中的另一个，并且由于棱镜305a和305b的位置使得它们的面垂直，光通过两个棱镜的组合被回射回球面镜307。反射器布置305和307的对称性导致光在单元300内遵循特定路径，并且此路径相对于未对准非常稳定。在光学腔315内多次反射之后，光的路径最终入射在棱镜之间的狭缝306上，因此光308从单元300射出。当在横截面中观察光学腔315时(在垂直于棱镜305a和305b的轴线的平面中；或等效地在其法线向量是棱镜305a和305b的平面反射表面的交线的平面中)，光308从单元300射出的角度θ等于(但在相反方向)光301进入单元300的角度。
53.因此，两个棱镜305a和305b以及球面镜307的组合定义了一组常模，这些常模可以在沿光308的出射方向离开腔315之前将光捕获在单元300内进行多次反射。反射次数和因此在多通道单元300内可实现的总光学路径长度取决于许多因素，包括：棱镜305a、305b的表面积；球面镜307的曲率半径；光301进入腔315的角度；以及棱镜305a、305b和球面镜307
之间的距离d。因此，光学路径长度取决于装置的几何特性。然而，光学路径长度不受光的物理特性(包括波长、每单位面积的光束能量，或光301是脉冲波还是连续波)的影响。
54.几何结构对光学路径长度的影响如图3a至3d所示，它们描绘了不同配置的模拟光线轨迹。在图3a中，第一和第二反射器布置305和307之间的间隔是d＝150mm。这是两个棱镜305a和305b之间的孔隙中心与球面镜307之间的距离。此布置导致8次反射和1.2m的总光学路径长度。在图3b中，距离d增加到485mm，导致66次反射和31.9m的总光学路径长度。在图3c中，距离d进一步增加到525mm，导致88次反射和46.3m的总光学路径长度。图3b和3c中的入射角与图3a中的相同。
55.图3d示出了多通道单元300的特殊情况，其中距离d正好等于第二反射器布置307(在这种情况下是圆形镜)焦距的一半。可以看出，在此布置中，入射光301穿过第一反射器布置305并撞击第二反射器布置307，然后被反射回朝向第一反射器布置305。第一反射器布置305然后将光部分地向后反射回朝向第二反射器布置，并且由于此配置的高度对称性，光返回到第一反射器布置的中心，在此中心它从光学腔315沿着出射光308的方向射出。确保第一和第二反射器布置305和307被第二反射器布置307的焦距的一半分开使得光正好四次穿过单元300的长度。
56.图3d被简化并且省略了图3a、3b和3c的外壳。然而，图3d进一步示出了用于将从单元300射出的光308引导到期望的目的地(例如，引导到用于在libs系统中分析的样品)的光学布置312。在这种情况下，光学布置312包含反射镜和透镜，但光学元件的各种组合可用于将光引导到期望的目的地。
57.因此，图3a至3d的多通道单元300提供了一种基于两个棱镜305a和305b以及一个凹球面镜307的组合的新颖架构。从这些图中可以看出，可以实现宽范围的光学路径长度。此架构可用于在libs中的激光脉冲之间提供相对较长的光学延迟，并可提供高达或大于50米的光学路径长度(相当于大约167ns的时间延迟)。
58.图4a、4b和4c描绘了图3a至3d的多通道单元300在略微未对准时的模拟。如前所述，本公开的实施例提供的优点是当反射器布置之间存在高达4
°
的未对准时增加的稳定性。这可以通过研究受控未对准对相干光束追踪的光学路径的影响来证明。
59.图4a、4b和4c中的每一个都由3个子图组成，概述了不同的未对准情况。图4a示出了针对图3a中呈现的几何形状的多通道单元的稳定性研究，其中反射器布置305和307之间的间隔为d＝150mm。图4b是针对图3b中呈现的几何形状的多通道单元的稳定性研究，反射器布置305和307之间的间隔为d＝485mm。图4c是针对图3c中呈现的几何形状的多通道单元的稳定性研究，其中反射器布置305和307之间的间隔为d＝525mm。
60.在每种情况下，中心子图对应于通过在棱镜305a和305b与球面镜307之间创建常模而在单个平面上遵循光学路径的良好对准的激光束。对于图4a至4c中描绘的稳定性分析，出射光束被收集到检测系统309上。
61.当光束在x维度上从-2
°
(左子图)到+2
°
(右子图)未对准时，光学路径不再局限于单个平面，并且可以跨越棱镜305a和305b和球面镜307。多通道单元300中提出的几何结构允许在未对准的情况下保持驻模的完整性，这意味着即使在严重的未对准条件下光束也可以成功地离开单元300。在图4a、4b和4c中的每一个中，都示出了在x维度(-2
°
至+2
°
)中具有高达4
°
的入射未对准角的光束。这导致光学路径相对于对准的情况倾斜，其中所有反射都
位于单个平面上。在这些边界内，光束仍然能够在多通道单元内产生站立模式并成功地离开以在检测系统309处进行检测。
62.图5和图6示出了对多通道单元300几何结构稳定性的进一步研究，其中在x维度上对球面镜307施加了不对准，如图6所示，其中球面镜是完全对准，如图5所示。如果反射镜307的中心位于源自光源301并穿过狭缝306的中心(在棱镜305a和305b之间)的同一段上，那么认为反射镜307是对准的。反射镜307在正方向上从该段移开10mm，并且然后在负方向上移开10mm。通过模拟光在棱镜305a上的撞击位置作为这些未对准的函数来证明系统的稳定性。棱镜305b上的行为是类似的。
63.图5对应于未发生未对准的情况。在这种情况下，腔315内的常模位于棱镜305a上方的一条线上。当发生10mm的负(图6(a))或正(图6(b))未对准时，站立模式从一条线移动并形成一组两条抛物线。光依次穿过两条抛物线，一个接一个。这很重要，并且允许光的入口点和出口点重合，这对于单元300的稳定性很重要。
64.提供高度稳定的多通道单元300的一个优点是通过改变球面镜307与两个棱镜305a和305b之间的距离d可以容易地调整单元300中光穿过的光学路径长度。增加光学路径长度的好处包括能够在激光脉冲之间提供较长的光延迟。因此，从图4a到4c、图5和图6可以看出，图3a到3d的多通道单元300提供了即使在光学部件之间存在未对准的情况下也可以提供长光学路径长度的稳定系统。然而，可省略或修改图3a至3d的多通道单元的许多特征，同时保留这些优点。
65.举例来说，应当理解，可以完全省略外壳302和光学窗口304。此外，可使用两个基本上垂直的平面反射镜而不是棱镜305a和305b来实现提高稳定性的优点。这种布置将提供对于入射在其上的光部分回射的相同效果。此外，光通过其进入空腔315的孔隙306可以放置在第二反射器布置中而不是第一反射器布置中。此外，球面镜307不必是球面的并且可以具有各种其它形式同时受益于部分回射棱镜305a和305b。因此，可以看出，多通道单元300是有利布置的一个具体实例，但是可以进行各种改变和变化。
66.因此，回到之前使用的广义术语，本公开的第一反射器布置优选地包含具有反射性的第一表面和第二表面。第一反射器布置可被配置成使得入射在其上的光从第一表面反射到第二表面，并且反射到第二反射器布置。从第二表面反射的光可在反射到第二反射器布置之前入射到第一反射器布置的第三表面上，或从第二表面反射的光可直接反射到第二反射器布置而不被任何另外的表面反射。
67.第一和第二表面优选地基本上垂直。第一和第二表面优选地是基本上平面的。这种布置可用于提供对光的逆向反射作用，以提高多通道单元的机械稳定性。完全平坦的垂直表面将表现出完全的逆向反射性，但可以容忍与完全平坦的垂直表面的一些偏差。举例来说，表面可能偏离完全平面和/或完全垂直，前提是仍然实现(至少)部分逆向反射的效果。当光具有一些不垂直于第二反射器布置(例如球面镜)表面的分量时，那么这将进入腔并且可以形成一组驻波状图案，如图4a至4c所示，图5和图6。
68.此外，不需要整个第一或第二表面是完全平坦的。举例来说，除了平面部分之外，表面中的一个或两个可以具有弯曲部分(例如在一个或多个边缘处)。在这种情况下，只要第一和第二表面的基本上平面部分基本上相互垂直，它们仍然可以一起工作以部分或完全回射入射在其上的光。
69.因此，本公开提供了一种多通道单元，其包含：第一反射器布置；第二反射器布置；其中第一反射器布置包含具有反射性的第一和第二表面，其中第一和第二表面基本上垂直和/或基本上平面的。
70.第一和第二表面的平面可以限定公共轴线，并且第一反射器布置可以对于垂直于公共轴线入射的光是回射的。在平面的上下文中，公共轴线是由含有平面的平面定义的交线。任何两个不平行的平面都定义了一条相交线。因此，即使两个平面表面实际上并不相交，这些表面所在的平面也将定义一个相交轴。如果平面具有无限的空间范围，那么可以将相交轴视为平面表面相交的线。
71.优选地，第一反射器布置包含第一和第二棱镜，并且第一和第二表面分别是第一和第二棱镜的面。棱镜是广泛可用的光学元件，其允许先前描述的有利实施例准确且容易地制造。举例来说，棱镜的横截面可为直角等腰三角形(即内角为90
°
、45
°
和45
°
)。在这种情况下，通过将两个这类棱镜彼此相邻放置，两个棱镜都放在它们的较短(非斜边)面上，可形成部分回射表面(由在这种布置中垂直的棱镜的两个表面定义)轻松制作。因此，本公开的多通道单元有利地使用廉价的、可商购的组件以提供用于制造稳定的多通道单元的成本有效且可靠的方法。
72.第二反射器布置优选地配置成使得入射在其上的光朝向第一反射器布置反射。举例来说，第二反射器布置可被配置成使得从第一反射器布置接收的光被反射到第一反射器布置，并且因为第一反射器布置至少部分地回射，所以可使光在第一反射器布置和第二反射器布置之间反复反射。这可通过确保第一和第二反射器布置彼此面对来实现。举例来说，第一反射器布置至少部分是回射的，因此对于从一系列方向接收的光是回射的。因此，第二反射器布置可以定位在第一反射器布置回射的方向范围内。当第二反射器布置具有凹面时，此面可面向第一反射器布置的至少部分回射部分。这样，第一和第二反射器布置可限定稳定的光学腔。
73.第二反射器布置优选地配置成使得入射在其上的光朝向第一反射器布置聚焦。第二反射器布置的聚焦作用与第一反射器布置的回射作用共同作用，以抑制光的扩散并提高稳定性。反射器布置的间距和第二反射器布置的焦距之间的关系将影响光在单元内穿过的次数。
74.第二反射器布置可包含具有反射性的凹表面。凹表面可为椭球形表面、球形表面或球表面。举例来说，可以使用具有平行于由两个反射平面限定的相交线的一个细长轴的椭圆形反射器。在这种情况下，细长轴会影响机械公差，因为用于补偿未对准的有用表面将在一个方向上伸长并在另一个方向上缩短。因此，具有更高程度的空间对称性的表面提供了改进的稳定性，因此，球面(即，具有允许光进入的开口的球体表面的一部分)是最优选的。可以容忍与球形的微小偏差。两个平面棱镜与一个球面(即居中对称)镜的组合提供了最大的稳定性，因为这意味着球面镜的轻微未对准不会被进一步放大，并且光学路径仍将位于内部体积之间腔镜。
75.有利地，在本公开中，第一和第二反射器布置之间的间隔是可调整的。因此，多通道单元被配置成使得光穿过的光学路径长度是可调整的。尽管为了简单起见未在图3a至3d中示出，但第一和第二反射器布置305和307是相对可移动的(例如，通过移动一个或两个)。这允许控制分离并因此调整光学路径长度。举例来说，可通过致动反射器布置中的一个或
两个来提供相对运动。可通过改变光穿过多通道单元的次数来调节光学路径长度。举例来说，增加间隔可能会导致光在单次通过内穿过的距离增加，但它也可能导致光在单元内穿过不同数量的通过，从而进一步增加光学路径长度。本公开的改进的稳定性允许获得相对长的光学路径长度，同时提供对路径长度的控制。
76.使用本公开的单元，光学路径长度可调至：大于或等于30cm(并且优选地不大于1m、5m、15m、25m、40m、50m或100m)；大于或等于1m(并且优选地不大于5m、15m、25m、40m、50m或100m)；大于或等于5m(并且优选地不大于15m、25m、40m、50m或100m)；大于或等于15m(并且优选地不大于过25m、40m、50m或100m)；大于或等于25m(并且优选地不大于40m、50m或100m)；大于或等于40m(并且优选地不大于50m，或100m)；大于或等于50m(并且优选地不大于100m)；或大于或等于100m(并且优选地不大于150m)。通过注意光速约为3x 108ms-1
，这些可以转换为等效的时间值。
77.所描述的实施例表现出出乎意料的高机械公差以提供适合承受振动并简化工业实施中的机械对准的多通道单元。与之前的多通道单元相比，本公开的优点很多，包括增加了高达4
°
(约70毫弧度)的未对准稳定性、可轻松调整的长光学路径长度以及易于可靠且高效地制造的架构.
78.在图3a至3d、图4a至4c、图5和图6的多通道单元300中，光通过其进入光学腔315的孔隙306位于第一反射器布置305的两个棱镜305a和305b之间。然而，图7描绘了替代的多通道单元700，其中通过在第二反射器布置707中而不是在棱镜705a和705b之间提供孔706可以实现前面描述的许多优点。
79.图7的多通道单元700包含第一反射器布置705，所述第一反射器布置705包含两个棱镜反射器705a和705b，它们的位置使得棱镜705a和705b的两个面垂直并且提供部分回射表面。面向棱镜705a和705b提供呈球面镜707形式的第二反射器布置。球面镜707包含中心孔隙706，用于允许光进入和离开多通道单元700的光学腔715。进入701单元700的光，例如已经由如图2所示的第一分束器布置从单激光脉冲分离的第二激光脉冲，在离开腔之前在第一705和第二707反射器布置之间重复反射715经由孔隙706沿出射光708的方向。由于高度的几何相似性，由第一反射器布置705和第二反射器布置707提供的站立模式类似于图3a至图3d的多通道单元300的布置305和307。然后，从单元发出的光通过光学布置712被引导到其目的地，光学布置712在图7中示出为包含反射镜和透镜。举例来说，光(例如，第二激光脉冲)可以被引导到第二分束器，从那里它被引导到样品(例如，在与第一激光脉冲共线的方向上)，如图2所示。图7的多通道单元700提供了与图3a至3d的单元300一样的改进的稳定性和可调整性的益处。
80.接下来转向图8，描绘了反射器布置805，其包含相互垂直的三个平面反射表面805a、805b和805c。三个表面805a、805b和805c限定回射的角反射器。在角反射器805的角处提供孔806以允许光通过角反射器。描绘了穿过角反射器805的后侧的光801。
81.图8的反射器布置805可用于多通道单元，例如图3a至3d和7的那些，代替棱镜305a和305b，或代替棱镜705a和705b。如果在图7的多通道单元700中使用图8的反射器布置805，那么可以省略孔806。由于使用回射器来抑制光在光学腔中的扩散，反射器布置805再次提供改进的机械稳定性。
82.因此，回到之前使用的通用语言，在本公开的多通道单元中，第一反射器布置还可
包含具有反射性的第三表面，其中第一、第二和第三表面基本上相互垂直。因此，可以提供角反射器以提高机械稳定性。
83.第一和第二反射器布置可以限定光学腔，并且第一和第二反射器布置中的至少一个优选地包含用于允许光进入和/或离开光学腔的孔隙。孔隙的大小可为可调整的，以提供对进入空腔的光束或脉冲的大小的控制。孔隙可以采用多种形式。
84.当第一反射器布置包含第一棱镜和第二棱镜时，第一棱镜和第二棱镜的边缘之间的狭缝可以限定孔隙。这种布置的一个特别的优点是，通过安装棱镜使得它们之间有狭缝，可以简单地在两个棱镜之间提供孔，而无需在反射器中创建孔隙(例如，通过在球形反射器中制造孔隙)或角落反射器，这可能会导致损坏或反射镜缺陷)。因此，这种布置很容易准确地进行，并且不会有损坏精密光学元件的风险。可以通过将棱镜驱动得更近或更远来调节孔隙的大小。棱镜可为相对可移动的以提供这种调整。
85.当第一反射器布置包含第一、第二和第三表面时，在第一、第二和第三表面的拐角处的开口可以限定孔隙(例如，三个表面的平面相交的点)。类似地，第二反射器布置的中心处的开口(例如，第二反射器表面上与单元的纵向轴线基本上对准的点)可以限定孔隙。举例来说，这可能是凹面反射表面中心的一个小孔。这种孔隙允许光以机械稳定的布置进入和/或离开光学腔。在这种情况下，可以通过用不透明材料(其可为可移动的)部分地覆盖孔隙来调整孔隙的大小。
86.接下来转向图9a和9b，描绘了用于包含两个棱镜905a和905b的反射器布置905的两个安装结构913a和913b。棱镜905a和905b可以分别是多通道单元300或700的棱镜305a、305b或705a、705b。因此，安装结构913a和913b可以用于图3a至3d和7的多通道单元300和700。
87.图9a的安装结构913a是被配置成保持棱镜905a和905b的框架。图9a中的安装结构913a从一对棱镜905a和905b的一端示出。安装结构可以沿着棱镜的长边(进入页面，沿着棱镜轴线)延伸，并且安装结构913a的相对端以相同的方式保持棱镜905a和905b的相对端。安装结构913a的尺寸使得它可以保持棱镜905a和905b的非反射边缘，从而将棱镜905a和905b牢固地保持在适当位置。安装结构的一小部分覆盖反射表面(即棱镜905a和905b的斜边)，但反射表面的大部分被暴露以允许棱镜905a和905b在单元内反射光。
88.安装结构913a可具有摩擦涂层(例如橡胶)以确保棱镜905a和905b被牢固地保持在适当位置。棱镜905a和905b可以使用过盈配合装配在安装结构913a内。替代地，棱镜905a和905b可以用粘合剂保持到安装结构913a。在任何情况下，安装结构确保棱镜905a和905b的反射表面基本上垂直，以便结合以提供部分回射表面。
89.图9b示出了另外的安装结构913b，其可以用于补充或代替图9a的安装结构913a。图9b的安装结构913b可以用作图9a的安装结构913a的底座，或者安装结构913b本身可为独立的部件。图9b的安装结构913b包含可以附接棱镜905a和905b的材料的平坦部分。安装结构913b包含用于允许光通过的狭缝906。棱镜905a和905b可安装在狭缝906的任一侧，使得棱镜905a和905b的面基本上垂直。因此，可使用其中具有狭缝的单片材料以及作为标准光学部件的两个棱镜905a和905b容易地提供部分回射反射器布置。
90.图9a和9b的安装结构913a和913b可用于确保两个棱镜905a和905b之间的相对角度为零或基本上为零(例如足够接近零以确保获得至少部分回射性)。在这种情况下，两个
反射镜可以一起旋转大约+/-1
°
，并且在与前面描述的多通道单元一起使用时仍然提供稳定的多通道图案。然而，如果两个棱镜之间的相对角度大于0.1
°
，那么图案可能会受到负面影响。使用这类安装结构可以确保棱镜905a和905b之间的相对角度为零或足够接近于零以提供良好的性能。图9a和9b的安装结构913a和913b可以由各种材料(例如金属如铝)并使用各种构造技术(例如焊接、模制或3d打印)形成。
91.因此，在之前使用的通用语言中，第一反射器布置优选地包含安装结构，所述安装结构被配置成安装第一和第二棱镜，使得第一和第二表面基本上垂直。安装结构的使用可以帮助确保将表面正确定位到可接受的未对准范围内。
92.在图10中，描述了机械分束的原理。上图表示高斯激光脉冲在某一时刻的一维空间截面。底部图表示出了由分离顶部脉冲形成的两个脉冲的时间分布，它们由时间延迟分开。本公开提出使用反射表面将由脉冲激光产生的单个脉冲机械地分成两个脉冲的双(优选地共线)组，并使用多通道单元引入延迟。光束的透射部分(即图10上图所示的脉冲左侧部分)没有受到任何延迟，因此沿图10下图的时间轴位于左侧。反射光束或脉冲(即上图中所示脉冲的最右侧部分)受到延迟，因此位于图10下图中时间轴的右侧。因此，可以看出，可以在通过机械分离单激光脉冲产生的两个激光脉冲之间引入时间延迟δt。因此，可以提供双脉冲激光架构。
93.图11a至11d展示了图10的机械分束原理如何可以与本公开的多通道单元结合应用，作为使用图2的分束器布置的分束的替代方案。举例来说，在图11a、11b、11c和11d中，描绘了用于产生第一和第二激光脉冲的双脉冲激光系统的四种配置。因为与现有的多通道单元相比，多通道单元提供了相对较长的光学路径长度，所以单元有效地用作在两个激光脉冲之间引入相对长的时间延迟的延迟线。此外，单元的几何形状确保从单元射出的光1108与从单元的外表面1114反射的光共线。
94.图11a至11d的双脉冲激光系统与前述系统的相似之处在于它包含具有两个棱镜1105a和1105b的多通道单元和限定光学腔1115的球面反射器1107。如前所述，光1101以小角度进入单元。双脉冲激光系统还包含光学布置1112，用于引导从单元射出的光1108朝向可为样品的目标目的地1116。光学布置包含反射镜1112b。双脉冲激光系统和前面描述的多通道单元之间的一个重要区别是棱镜1105a和1105b的外表面是反射的并且包含小孔隙(与棱镜1105a和1105b之间的狭缝对准)以允许光1101进入单元。此具有孔隙的反射表面充当用于分离光的分光装置1112a并且形成光学布置1112的一部分。
95.更具体地，在图11a至11d的双脉冲系统的示意性设置中，准直脉冲激光束1101被朝向棱镜1105a和1105b的外部(后表面)上的平面镜1112a引导。脉冲激光束路径在图11a至11d中表示为实心连续线，但不应将这些线误认为是连续波激光发射。脉冲光束1101的角度相对于反射镜1112a的法线略微倾斜并且通常为2
°‑6°
。反射镜1112a的法线平行于单元的轴线(即，在棱镜1105a和1105b之间的狭缝与球面镜1107的中心之间延伸的纵向轴线)。
96.反射镜1112a包含直径为1mm的中心圆形孔隙，允许激光脉冲1101的一部分通过它被采样并且激光脉冲1101的一部分沿着路径1108从它反射。与前述实施例类似，从单元射出的光1108的角度(相对于孔隙的法线)与入射光1101的角度相同但方向相反，这是由于单元的几何形状而产生的。
97.分光装置1112a的孔隙被设计成使得入射光脉冲1101被分离(例如分成两个不同
的脉冲)，其中大约一半的光从外表面1114朝向光学布置1112b反射，而一半的光进入单元，在所述单元中所述光在最终离开单元并到达光学布置1112b之前被多次反射。尽管在图11a至11d中孔隙为1mm，但可以根据所使用的激光束的宽度使用其它宽度(例如0.5mm、1.5mm、2mm、2.5mm等的直径)。在图11a到11d中描绘的特定系统中，脉冲激光束1101具有1mm的半最大值全宽(fwhm)。
98.系统被配置成使得脉冲1101以反射镜1112a的孔隙边缘为中心，并且反射镜1112a具有25mm的半径(即，具有与棱镜1105a和1105b类似的大小)。可以使用各种光学元件以这种方式将脉冲1101引导到反射镜1112a。脉冲的一半被反射镜1112a的表面反射，而另一半通过孔隙。反射脉冲指向平面反射镜1112b，然后指向样品1116的表面。发射的脉冲指向单元的球面凹面镜1107，其曲率半径r＝1000mm，直径为50mm。如图11a至11d所示，此反射镜1107将脉冲反射并聚焦回两个直角棱镜1105a和1105b。两个直角棱镜1105a和1105b具有25mm的段大小。在这种情况下，段大小是直角三角形的两条边以直角相交的长度(即棱镜1105a和1105b的三角形横截面的非斜边长度的长度)。反射镜1105a、1105b和1107的组合形成腔1115系统，其中通过反射镜1112a进入的脉冲在最终从反射镜1112a的孔隙离开之前被来回反射多次。
99.由图11a至11d的系统提供的总光学路径长度差(opd)被定义为：a)脉冲在反射镜1112a的中心孔隙离开并到达样品1116之前穿过射镜1107并在腔1115内反射所覆盖的距离；b)在到达样品1116之前，在反射镜1112a处反射的部分脉冲行进的距离。有利地，通过调整以下之间的距离d可以容易地调整opd：第一反射器布置1105，包含(直角)棱镜1105a和1105b；第二个反射器布置，在这种情况下是反射镜1107。opd可以通过仅调整间距d来控制，同时保持其它组件的几何形状不变。通过调整opd，可以调整第一脉冲(由反射镜1112a反射)和第二脉冲(通过反射镜1112a透射)之间的时间延迟δt。
100.图11a的系统可以调整为各种配置，如图11b、11c和11d所示，并且可以模拟以研究可达到的opd和时间延迟。在模拟中，激光脉冲被取为高斯的、准直的、非偏振的，波长为532nm，由数量等于104的射线组成，以达到统计显著性。在图11a中，距离d＝150mm导致发射脉冲被反射4次，这导致opd为1.13m，相应的δt＝3.8ns。在图11b中，距离d＝300mm导致透射的脉冲被反射21次，并导致6.75m的opd和相应的δt＝22.5ns。在图11c中，距离d＝400mm导致透射的脉冲被反射28次，并导致opd为12.46m和δt＝41.5ns。
101.随着距离d的增加和反射次数的增加，光学系统的机械对准所需的公差变得更加苛刻。对于图11a中显示的布局，这约为～1.5mm和～2
°
旋转角(x,y)，对于图11b中显示的布局，约为1mm和～1
°
角，并且对于图11c中显示的布局，约为～0.5mm和～0.5
°
角。所需的对准限制了可以实现的opd。然而，使用本公开的系统可以容易地实现这种对准，因此可以实现大约50ns的时间延迟δt。因此，使用多通道单元实现的时间延迟可为1ns或更大(例如高达10ns、高达50ns、高达80ns、高达100ns、高达150ns或大于150ns)，或5ns或更大(例如高达10ns、高达50ns、高达80ns、高达100ns、高达150ns或大于150ns)，或10ns或更大(例如高达50ns、高达80ns、高达100ns、高达150ns或大于150ns)，或50ns或更大(例如高达80ns、高达100ns、高达150ns或大于150ns)，或80ns或更大(例如高达100ns，高达150ns，或大于150ns)，或100ns或更大(例如，高达150ns，或大于150ns)。根据单元设计参数，也可以获得更短的延迟，例如0.1ns或更大。
102.为了降低对准要求的严格性，可以增加直角镜1105a和1105b的大小，使得它们的段大小(非斜边尺寸)为50mm，并将球面镜1107的大小增加到直径为75mm。这放宽了机械公差要求，并允许在可比较的距离d下获得更高的opd。图11d中描绘了这种布局的实例，其中d＝400mm的距离导致透射的脉冲被反射31次，并导致25.30m的opd和相应的δt＝84.3ns。此布局的公差约为1mm和1
°
(x,y)。因此，100ns(或更高)数量级的时间延迟很容易实现。
103.在许多应用中(例如在双脉冲libs实验中)，重要的是两个脉冲入射到同一位置(例如，在样品表面上)。为了验证双脉冲系统的有效性，可以对图11a至11d中显示的实例进行光束轮廓研究，其结果显示在图12a中。使用调色板显示相对光束辐照度，从红色(高辐照度)到蓝色(低辐照度)。结果显示在x和y维度上均具有出色的圆形高斯轮廓，如图12a所示。图12a中的轮廓用于圆形孔隙。图12b示出了系统的等效光束轮廓研究，所述系统与图12a中使用的系统相同，不同之处在于使用平行反射镜而不是圆形孔隙来执行激光脉冲的分离。从图12b可以看出，非圆形孔隙会导致叠加脉冲的质量下降。因此，优选用于分离单激光脉冲的圆形孔隙。在图12a和12b中的每一个中，为了帮助可视化，图表示出了彼此叠加的两个脉冲，而不管它们中的每一个击中目标所需的时间。
104.在图13中，描绘了一个双脉冲激光诱导击穿光谱系统，所述系统根据前面描述的原理进行操作。图13的libs系统使用双脉冲激光系统，如图11a至11d所描绘。图13的系统包含多通道单元1300，其可为先前描述的任何多通道单元，并且其包含第一反射器布置1305，所述第一反射器布置1305包含两个棱镜1305a和1305b以及限定腔1315的球面镜1307。
105.系统包含能够发射单激光脉冲1314的激光源1310。该统还包含光学布置1312，其包含用于将光引导到单元1300然后从单元1300到样品1316的多个光学元件1312b-d。光学布置还被配置成通过分光装置1312a从单激光脉冲1314产生第一和第二激光脉冲，分光装置1312a是在单元1300的第一反射器布置1305上具有孔隙的反射表面。分光装置1312a与单元1300的第一反射器布置1305一体形成。光学布置1312还包含用于将激光脉冲从单元1300引导和聚焦到样品1316的可旋转反射镜1312c和透镜1312d。
106.在图13中可以看出，当激光源1310发射激光脉冲1314时，它被光学布置1312b的反射镜引导到单元1300。如前所述，单脉冲1314的一部分被分光装置1312a反射以形成第一激光脉冲，并且单脉冲1314的一部分进入单元1300的腔1315以相对于第一脉冲被延迟，从而形成第二激光脉冲。
107.一旦第一和第二脉冲分别从分离装置1312a反射并从单元1300出射，它们就被光学布置1312b的其它反射镜引导到可旋转反射镜1312c，旋转反射镜可以微调脉冲的方向，使得它们指向透镜1312d。然后，透镜1312d聚焦脉冲，使得它们影响样品1316上的一个点。
108.第一激光脉冲撞击样品1316并从样品1316的表面产生等离子体1317，然后第二激光脉冲撞击等离子体1317以增加其温度并且另外撞击表面以产生更多等离子体。因此，第一和第二脉冲导致等离子体1317的产生和随后从等离子体1317发射等离子体光1318。等离子体光被位于样品附近的反射镜1312e反射。反射镜1312e将等离子体光引导到检测器(例如光谱仪)1319以分析发射。反射镜1317可以被认为是光学布置1312的一部分或可为单独的光学布置。
109.在图13中描绘的具体实例中，反射镜1312c是振镜(例如，电动双轴振镜系统，其允许在二维上扫描激光脉冲在表面上的位置，例如以实现样品)和镜头1312d是f-theta镜头。
然而，可以使用其它类型的可调整反射镜和聚焦元件。此外，可以在光学布置1312内使用任意数量的反射镜和/或透镜，并且可以使用额外的等离子反射镜1312e(例如，将发射的光1318从等离子引导到一个或多个另外的检测器，所述检测器可为与检测器1319不同类型的)。此外，光学布置1312的分光装置1312a可以由分束器布置代替，如图2中描绘的布置。
110.因此，可以看出，第一和第二激光脉冲可以使用分束器或通过机械分束产生。因此，概括地说，本公开的光学布置可包含用于通过分离单激光脉冲来产生第一和第二激光脉冲的分光装置(例如，机械分束器而不是传统的分束器)。分光装置可以附接到多通道单元或与多通道单元成一体。举例来说，分光装置可以在多通道单元的外表面上。多通道单元可包含限定光学腔的第一和第二反射器布置，并且分光装置可以在第一和第二反射器布置中的一个的外表面上。
111.分光装置可包含具有孔隙的反射表面，激光脉冲的至少一部分可以通过所述孔隙。分光装置的反射表面可为基本上平面的。当棱镜用于第一反射器布置时，将反射表面固定到后侧是直接的，从而有助于容易地制造本文公开的有利装置。分光装置的孔隙可居中或基本上居中(例如，比边缘更靠近中心)定位在反射表面上。反射表面的中心可以与孔隙重合。因此，当使用棱镜时，分光装置可以允许一半的光通过棱镜之间的狭缝并进入单元，同时将另一半的光转向远离单元。分光装置的孔隙优选为圆形。圆形孔隙允许随后的激光脉冲表现出高度的空间相干性。分光装置的孔隙优选地与多通道单元的孔隙(例如，用于允许光进入单元的孔隙)对准。
112.因此，一般来说，光学布置优选地被配置成将单激光脉冲朝向分光装置的孔隙引导，使得单激光脉冲的一部分穿过分光装置的孔隙并进入多通道单元，从而产生第二激光脉冲，单激光脉冲的一部分被分光器件的反射表面反射，从而产生第一激光脉冲。这允许保存大部分的光能量，因为当光从反射表面反射或当光通过孔时损失最小的能量。因此，这种布置是高效的。此外，产生两个脉冲，并且可以容易地将脉冲之间的时间延迟应用(其可为可调整的)到进入单元的脉冲。光学布置可以被配置成将单激光脉冲引向孔的边缘，使得一半的光通过其中。
113.本公开的光学布置可包含：用于通过分离单激光脉冲来产生第一和第二激光脉冲的分光装置；和/或一个或多个非偏振分束器，其用于产生第一和第二激光脉冲；和/或一个或多个偏振分束器，其用于产生第一和第二激光脉冲。
114.如前所述，光进入本公开的多通道单元的角度可用于控制光穿过单元的反射器布置的次数，从而控制光学路径长度。因此，在所描述的实施例中，光源可以能够改变光进入单元的方向(例如通过可旋转或通过可旋转安装)。替代地，可以提供另外的光学元件(例如可调整的反射镜)以允许改变进入单元的光的角度。光学布置可以被配置成将第一和第二激光脉冲沿共线路径引导至样品。检测器可为任何类型的检测器，包括光谱仪、光电二极管、电荷耦合装置(ccd)、互补金属氧化物半导体(cmos)照相机、增强电荷耦合装置(iccd)、电子倍增器ccd，或一个或多个微通道板检测器。检测器优选地允许检测作为其波长的函数的光。
115.因此，概括地说，本公开的系统还可包含：前面描述的任何多通道单元；其中光学布置被配置成使得光被引导到多通道单元中的角度是可调整的。角度可以相对于由多通道单元限定的轴线(例如纵向轴线，诸如在第一和第二反射器布置的中心/中点之间延伸的轴
线)限定。光被引导到多通道单元中的方向与由多通道单元限定的纵向轴线之间的角度可为：0
°
至20
°
；1
°
至15
°
；或2
°
至10
°
。如果单元的孔隙垂直于由单元定义的轴，那么可以将光进入单元的角度表示为相对于孔隙的法线，因为在这种情况下，孔隙的法线将是平行于单元的纵向轴线。
116.提供可调整的角度允许控制光学路径长度，同时保持稳定的配置和与这种稳定性相关的优点。这类光学布置可以独立于检测器或光源来提供。换句话说，本公开的光学布置和多通道单元可以一起提供，以与任何检测器和/或光源一起使用。光学元件可附接到多通道单元(例如附接到单元的外部)或与单元外壳一体形成。
117.如前所述，各种光源可以与本文公开的光学系统一起使用。概括地说，本公开提供了一种用于从空间相干光(例如，来自相干光源的光)产生第一和第二光分量的光学系统，其包含被布置成相对于第一光分量延迟第二光分量的多通道单元，其中多通道单元包含限定光学腔的第一和第二反射器布置，其中延迟的第二光分量在第一和第二反射器布置之间来回反射多次，以在第一和第二光分量之间提供1ns或更大的时间延迟。多通道单元可为本文所述的任何单元。第一和第二光分量可以使用本文描述的任何分束技术产生，并且第一和第二光分量可为例如光脉冲。适用于这类光学系统的相干光源的实例包括激光，或部分相干光源，例如led光或某些x射线束。在某些情况下，也可以通过使光(例如，来自汞灯发射线的单色光)通过针孔空间滤光片来产生相干光。
118.本公开还提供了用于制造本文所述的系统、装置、多通道单元和光学布置的方法。举例来说，一种用于制造多通道单元的方法可包含提供：第一反射器布置；第二反射器布置；其中第一反射器布置被配置成使得入射在第一反射器布置上的光至少部分地朝向第二反射器布置回射。制造方法还可包含提供本文所述的多通道单元的任何特征(例如任何结构特征)。用于制造系统和装置的方法可包含提供本文所述的任何结构特征。
119.使用孔隙分离光束或光脉冲的原理独立于其在本文所述的双脉冲系统中的使用是有利的。如前所述，这类系统不会导致对要分离的光能量的显著吸收。以下编号的条款提供了包含这类机械分束器的光学系统的说明性实例。编号条款中的光可为连续光(例如光束)，或可为脉冲光(例如激光脉冲)。
120.1.一种用于将光分成第一和第二光分量的光学系统，所述光学系统包含：
121.分光装置，其包含具有光可通过的孔隙的反射表面；和
122.光学布置，其被配置成朝向分光装置的孔隙引导光，使得一部分光穿过孔隙，从而产生第二光分量，并且一部分光被反射表面反射，从而产生第一光分量。
123.2根据条款1所述的光学系统，其中所述反射表面是基本上平面的。
124.3根据条款1或条款2所述的光学系统，其中所述孔隙基本上居中定位在所述反射表面上。
125.4.根据前述条款中任一项所述的光学系统，其中所述孔隙是圆形的。
126.5.根据前述条款中任一项所述的光学系统，其中所述光学布置包含一个或多个反射表面，用于将光朝向所述分光装置引导。
127.6.根据前述条款中任一项所述的光学系统，其中光学布置包含一个或多个聚焦元件，用于将光朝向分光装置聚焦。
128.7.根据前述条款中任一项所述的光学系统，其中所述光学布置被配置成将所述光
朝向所述孔隙的边缘引导，使得所述光的一半穿过其中。
129.8.根据前述条款中任一项所述的光学系统，其中所述光学布置被配置成使得光朝向所述孔隙引导的角度是可调整的。
130.9.根据前述条款中任一项所述的光学系统，其中孔隙的大小是可调整的。
131.10.根据前述条款中任一项所述的光学系统，其还包含光源，所述光源被配置成朝向所述光学布置引导光。
132.11.根据条款10所述的光学系统，其中所述光源是激光。
133.12.根据条款11所述的光学系统，其中所述激光是脉冲激光。
134.用于将光分成第一和第二光分量的光学系统可以如例如图11a至11d、图12a和12b以及图13中所述。
135.应当理解，可对上述设备和方法进行许多变化，同时保留前面提到的优点。举例来说，虽然在提供回射或部分回射表面的背景下主要参考平面反射表面描述了上述实施例，但是应当理解，可使用表现出回射性的任何材料。此外，本公开中的任何反射表面可为完全反射的或部分反射的。
136.已经参照通用激光描述了本公开，并且应当理解，任何激光都可与本文所述的系统和单元一起使用。举例来说，虽然优选可调谐二极管激光，但可使用任何固态、气体、液体、化学、金属蒸汽、染料或半导体激光。其它优选的实例包括nd:yag激光、co2激光、准分子激光和红宝石激光。
137.还将理解，尽管已参考特定类型的装置和应用描述了本公开，并且尽管本公开在这种情况下提供了特定优点，但如本文所论述，本公开可应用于其它类型的装置和应用。举例来说，本公开的多通道单元可用于需要对光的光学路径长度进行精确控制的任何情况。
138.除非另外说明，否则本说明书中所公开的每个特征都可以替换为用于相同、同等或类似目的的替代特征。因此，除非另外说明，否则所公开的每个特征仅是一系列的等价或相似的属性特征的一个实例。
139.如本文所使用(包括在权利要求书中)，除非上下文另有指示，否则本文中的术语的单数形式应被理解为包括复数形式，且当上下文允许时，反之亦然。举例来说，除非上下文另有指示，否则在本文中，包括权利要求书中的单数参考，如“一(a/an)”(如一个激光脉冲或反射器)意指“一个或多个”(例如，一或多个激光脉冲或一个或多个反射器)。在本公开的描述和权利要求书中，词语“包含(comprise)”、“包括(including)”、“具有”和“含有”以及这些词语的变型，例如，“包含(comprising)”和“包含(comprises)”或类似词语表示“包括但不限于”，且并不意图(且并不)排除其它部件。
140.本文提供的任何和所有实例或示例性语言(“例如(for instance)”、“如”、“例如(for example)”以及类似语言)的使用旨在仅更好地说明本公开，并且除非另外要求，否则并不指示对本公开范围的限制。本说明书中的任何语言都不应被解释为指示实践本公开所必需的任何未要求的要素。
141.除非另有说明或上下文另外要求，否则本说明书中描述的任何步骤可以以任何顺序或同时执行。此外，在一个步骤被描述为在一个步骤之后执行的情况下，这并不排除正在执行的中间步骤。举例来说，如果激光脉冲被描述为从第一表面反射到第二表面，这并不排除激光脉冲在到达第二表面之前被其它表面反射。
142.本说明书中公开的所有方面和/或特征可以任何组合进行组合，此类特征和/或步骤中的至少一些互斥的组合除外。具体地，本公开的优选特征适用于本公开的所有方面和实施例并且可以以任何组合使用。同样，以非必需组合形式所述的特征可单独(不以组合形式)使用。
技术特征：1.一种用于产生第一和第二激光脉冲的双脉冲激光系统，其包含被布置成相对于所述第一激光脉冲延迟所述第二激光脉冲的多通道单元，其中所述多通道单元包含限定光学腔的第一和第二反射器布置，其中延迟的第二激光脉冲在所述第一和第二反射器布置之间来回反射多次，以在所述第一和第二脉冲之间提供1ns或更大的时间延迟。2.根据权利要求1所述的双脉冲激光系统，其还包含被配置成将所述第二激光脉冲引导到所述多通道单元中的光学布置。3.根据权利要求2所述的双脉冲激光系统，其中所述光学布置被配置成从单激光脉冲产生所述第一和第二激光脉冲。4.根据权利要求2或权利要求3所述的双脉冲激光系统，其中所述光学布置包含用于通过分离单激光脉冲来产生所述第一和第二激光脉冲的分光装置。5.根据权利要求4所述的双脉冲激光系统，其中所述分光装置附接到所述多通道单元或与所述多通道单元成一体。6.根据权利要求4或权利要求5所述的双脉冲激光系统，其中所述分光装置在所述多通道单元的外表面上。7.根据权利要求4至6中任一项所述的双脉冲激光系统，其中所述分光装置在所述第一和第二反射器布置中的一个的外表面上。8.根据权利要求4至7中任一项所述的双脉冲激光系统，其中所述分光装置包含具有激光脉冲的至少一部分能够通过的孔隙的反射表面。9.根据权利要求8所述的双脉冲激光系统，其中所述分光装置的所述孔隙为圆形。10.根据权利要求8或权利要求9所述的双脉冲激光系统，其中所述分光装置的所述孔隙与所述多通道单元的孔隙对准，以允许光进入和/或离开所述多通道单元。11.根据权利要求8至10中任一项所述的双脉冲激光系统，其中所述光学布置被配置成将单激光脉冲朝向所述分光装置的所述孔隙引导，使得所述单激光脉冲的一部分穿过所述分光装置的所述孔隙并进入所述多通道单元，从而产生所述第二激光脉冲，并且所述单激光脉冲的一部分被所述分光装置的所述反射表面反射，从而产生所述第一激光脉冲。12.根据权利要求2至11中任一项所述的双脉冲激光系统，其中所述光学布置包含：一个或多个非偏振分束器，其用于产生所述第一和第二激光脉冲；和/或一个或多个偏振分束器，其用于产生所述第一和第二激光脉冲。13.根据权利要求2至12中任一项所述的双脉冲激光系统，其中所述光学布置被配置成使得所述第二激光脉冲被引导到所述多通道单元中的角度是可调整的。14.根据权利要求2至13中任一项所述的双脉冲激光系统，其中所述多通道单元具有纵向轴线，其中所述光学布置被配置成将所述第二激光脉冲以与所述纵向轴线成以下的角度引导到所述多通道单元中：0
°
至20
°
；1
°
至15
°
；或2
°
至10
°
。15.根据前述权利要求中任一项所述的双脉冲激光系统，其中所述第一反射器布置被配置成使得入射在所述第一反射器布置上的光至少部分地朝向所述第二反射器布置回射。16.根据权利要求15所述的双脉冲激光系统，其中所述第一反射器布置包含具有反射
性的第一和第二表面。17.根据权利要求16所述的双脉冲激光系统，其中所述第一反射器布置被配置成使得入射在其上的光从所述第一表面反射到所述第二表面，并且反射到所述第二反射器布置。18.根据权利要求16或权利要求17所述的双脉冲激光系统，其中所述第一和第二表面基本上垂直。19.根据权利要求16至18中任一项所述的双脉冲激光系统，其中所述第一和第二表面是基本上平面的。20.根据权利要求19所述的双脉冲激光系统，其中：所述第一和第二表面的平面限定公共轴线；并且所述第一反射器布置对于垂直于所述公共轴线入射的光是回射的。21.根据权利要求16至20中任一项所述的双脉冲激光系统，其中所述第一反射器布置包含第一和第二棱镜，并且所述第一和第二表面分别为所述第一和第二棱镜的面，优选地其中所述棱镜的横截面为直角等腰三角形。22.根据权利要求21所述的双脉冲激光系统，其中所述第一反射器布置包含安装结构，所述安装结构被配置成安装所述第一和第二棱镜，使得所述第一和第二表面基本上垂直。23.根据权利要求16至22中任一项所述的双脉冲激光系统，其中所述第一反射器布置包含具有反射性的第三表面，其中所述第一、第二和第三表面基本上相互垂直。24.根据前述权利要求中任一项所述的双脉冲激光系统，其中所述第二反射器布置被配置成使得入射在其上的光朝向所述第一反射器布置反射。25.根据前述权利要求中任一项所述的双脉冲激光系统，其中所述第二反射器布置被配置成使得入射在其上的光朝向所述第一反射器布置聚焦。26.根据前述权利要求中任一项所述的双脉冲激光系统，其中所述第二反射器布置包含具有反射性的凹表面。27.根据权利要求26所述的双脉冲激光系统，其中所述凹表面为椭球形表面、球形表面或球表面。28.根据前述权利要求中任一项所述的双脉冲激光系统，其中所述第一和第二反射器布置中的至少一个包含用于允许光进入和/或离开所述光学腔的孔隙。29.根据权利要求28所述的双脉冲激光系统，其中所述第一和/或第二反射器布置的所述孔隙的大小是可调整的。30.根据权利要求28或权利要求29所述的双脉冲激光系统，其中所述第一反射器布置包含第一和第二棱镜，并且在所述第一和第二棱镜的边缘之间的狭缝限定所述第一反射器布置的孔隙。31.根据权利要求28或权利要求29所述的双脉冲激光系统，其中所述第一反射器布置包含第一、第二和第三表面，并且在所述第一、第二和第三表面的拐角处的开口限定所述第一反射器布置的孔隙。32.根据权利要求28至31中任一项所述的双脉冲激光系统，其中在所述第二反射器布置的中心处的开口限定所述第二反射器布置的孔隙。33.根据前述权利要求中任一项所述的双脉冲激光系统，其中所述第一和第二反射器布置之间的间隔是可调整的。
34.根据前述权利要求中任一项所述的双脉冲激光系统，其中所述多通道单元被配置成使得光穿过的光学路径长度是可调整的。35.一种用于通过使第一和第二激光脉冲撞击样品来分析所述样品的双脉冲激光诱导击穿光谱仪，所述光谱仪包含根据前述权利要求中任一项所述的双脉冲激光系统，所述双脉冲激光系统用于产生所述第一和第二激光脉冲。36.根据权利要求35所述的双脉冲激光诱导击穿光谱仪，其包含用于将所述第一和第二激光脉冲引导到所述样品的一个或多个光学元件。37.根据权利要求36所述的双脉冲激光诱导击穿光谱仪，其中所述一个或多个光学元件被配置成将所述第一和第二激光脉冲沿共线路径引导到所述样品。38.根据权利要求35至37中任一项所述的双脉冲激光诱导击穿光谱仪，其还包含用于检测由所述样品发射的光的检测器。
技术总结本发明公开了一种用于产生第一和第二激光脉冲的双脉冲激光系统，其包含被布置成相对于所述第一激光脉冲延迟所述第二激光脉冲的多通道单元(300)，其中所述多通道单元包含限定光学腔(315)的第一(305A、305B)和第二(307)反射器布置，其中延迟的第二激光脉冲在所述第一(305A、305B)和第二(307)反射器布置之间来回反射多次，以在所述第一和第二脉冲之间提供1ns或更大的时间延迟。1ns或更大的时间延迟。1ns或更大的时间延迟。
技术研发人员：P
受保护的技术使用者：塞莫费雪科学(埃居布朗)有限公司
技术研发日：2021.03.18
技术公布日：2022/11/1
