CN109521000B - 光栅分光式同时多点激光诱导击穿光谱测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光栅分光式同时多点激光诱导击穿光谱测量系统及方法，该系统包括高能脉冲激光发射器、衍射光栅、中孔反射镜、第一球面透镜、第二球面透镜、光纤束、光谱仪和控制装置，衍射光栅、中孔反射镜和第一球面透镜依次设置在高能脉冲激光发射器发射的激光的光路上，待测样品表面形成的等离子体阵列发光的光路上依次设置有第一球面透镜、中孔反射镜、第二球面透镜、光纤束和光谱仪，控制装置控制高能脉冲激光发射器和光谱仪之间的时间同步及待测样品的空间位置。本发明对阵列焦斑位置等离子体发射光谱进行同时分析，实现了单次多点的激光诱导击穿光谱测量，同时本发明是一种紧凑型同时多点激光诱导击穿光谱测量系统。

Description

光栅分光式同时多点激光诱导击穿光谱测量系统及方法

技术领域

本发明涉及光谱测量领域，尤其涉及一种光栅分光式同时多点激光诱导击穿光谱测量系统及方法。

背景技术

激光诱导击穿光谱技术是一种原子光谱技术用于元素的检测，主要是基于高能脉冲激光烧蚀样品，获得激光等离子的发光光谱中谱线的强度、位置等信息，分析样品所含元素以及各元素成分之间的比例，具有简便、快速、无需样品预处理、多元素同时测量、复杂环境原位实时检测等优点，其在环境检测、工业控制、生物安全、矿产勘探等方面具有巨大的应用前景。

受制于激光能量以及光学系统设计限制，目前激光诱导击穿光谱技术采用单点激发的方式，准直激光直接被聚焦透镜聚焦成一个百um量级大小的光斑，一次仅仅能够获得该区域的样品成分。为了获取样品整体元素分布，需要采用逐点扫描的方式，据此研究人员获取了火焰、贝壳等的元素分布图。然而逐渐扫描的方式耗时较长，而且对于爆轰，尾气排放等快速演变过程，无法采用逐点扫描获得的元素分布图像，必须是同一时刻获取的成分图像才能对该物理过程有更加清晰的认识。

因此，发展激光诱导击穿光谱测量新方法，充分利用激光脉冲能量，实现样品的多点同时元素测量，对激光诱导击穿光谱技术的发展与应用将具有重要意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术存在的问题，本发明提出了一种光栅分光式同时多点激光诱导击穿光谱测量系统及方法，采用特制光栅的多级衍射，结合透镜将准直激光聚焦成多个间距相等、能量一致、焦斑大小相同的阵列焦斑。阵列焦斑烧蚀样品表面形成多个等离子体点，并采用成像光谱系统，对阵列焦斑位置等离子体发射光谱进行同时分析，实现了单次多点的激光诱导击穿光谱测量。同时本发明采用共线激发收集方式，是一种紧凑型同时多点激光诱导击穿光谱测量系统。

本发明提供的一种光栅分光式同时多点激光诱导击穿光谱测量系统，包括高能脉冲激光发射器、衍射光栅、中孔反射镜、第一球面透镜、第二球面透镜、光纤束、光谱仪和控制装置，衍射光栅、中孔反射镜和第一球面透镜依次设置在高能脉冲激光发射器发射的激光的光路上，待测样品放置在第一球面透镜的焦点位置，衍射光栅用于将激光分束为多个激光子束，所有激光子束透过中孔反射镜后被第一球面透镜聚焦在待测样品表面，待测样品表面形成等离子体阵列；

等离子体阵列发光的光路上依次设置有第一球面透镜、中孔反射镜、第二球面透镜、光纤束和光谱仪，第一球面透镜用于收集等离子体阵列发光；中孔反射镜用于将等离子体阵列发光折向光纤束方向；第二球面透镜用于将等离子体阵列发光成像到光纤束表面；光纤束用于将等离子体阵列发光像传输到光谱仪入射狭缝；光谱仪用于对等离子体阵列发光进行光谱分析，得到等离子体阵列发光中不同波长的发光强度；

控制装置与高能脉冲激光发射器和光谱仪连接，用于控制高能脉冲激光发射器和光谱仪之间的时间同步及待测样品的空间位置。

进一步，高能脉冲激光发射器发射的激光为纳秒激光、皮秒激光或者飞秒激光。

进一步，衍射光栅分束的每束激光子束的能量一致，相邻光束间夹角相等。

进一步，被第一球面透镜聚焦成的焦斑为间距相等、能量一致、且焦斑大小相同的阵列焦斑。

进一步，待测样品表面形成的等离子体阵列为多个，多个等离子体阵列的间隔相等，且排布在一条线上。

进一步，待测样品为固体、液体、气体、气溶胶、粉尘或火焰。

本发明另一方面提供的一种光栅分光式同时多点激光诱导击穿光谱测量方法，包括：

控制装置对高能脉冲激光发射器和光谱仪之间的时间进行同步，并将待测样品移动到第一球面透镜的焦点位置；

衍射光栅将高能脉冲激光发射器发射的激光分束为多个激光子束，所有激光子束透过中孔反射镜后被第一球面透镜聚焦在待测样品表面，待测样品表面形成等离子体阵列；

第一球面透镜收集等离子体阵列发光后，中孔反射镜将等离子体阵列发光折向光纤束方向，然后利用第二球面透镜将等离子体阵列发光成像到光纤束表面，光纤束再将等离子体阵列发光像传输到光谱仪入射狭缝，光谱仪对等离子体阵列发光进行光谱分析，得到等离子体阵列发光中不同波长的发光强度。

进一步，衍射光栅将高能脉冲激光发射器发射的激光进行均匀分束，每束激光子束的能量一致，相邻光束间夹角相等。

进一步，第一球面透镜将激光束聚焦成间距相等、能量一致、且焦斑大小相同的阵列焦斑。

进一步，待测样品表面形成的等离子体阵列为多个，多个等离子体阵列的间距相等，且排布在一条线上。

与现有技术相比，本发明能够多点同时测量样品元素成分，不需要多台激光器、光谱仪等设备，也不需扫描方式，诊断效率更高。测量时相邻探测点之间没有相互干扰，同时多点激光诱导击穿光谱测量效果与进行多次单点激光诱导击穿光谱测量效果一致，而在同一时刻测量不同空间点元素成分，有利于全面准确认识样品物理状态。本发明采用共线激光激发与收集，使光谱系统更加紧凑，不需严格聚焦，对样品形态，位置无要求，能够对固体、液体、气体、气溶胶等实时测量，使用方便、灵活。一次性测量样品尺寸、间隔可根据不同测量需求进行光学设计，适用于激光诱导击穿光谱技术在不同测量领域中的应用。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1为本发明实施例的激光诱导击穿光谱测量系统结构示意图；

图2为本发明实施例的待测样品表面的激光烧蚀坑示意图；

图3为本发明实施例的光谱测量得到的谱图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

如图1所示，光栅分光式同时多点激光诱导击穿光谱测量系统包括高能脉冲激光发射器1、衍射光栅2、中孔反射镜3、第一球面透镜4、第二球面透镜6、光纤束7、光谱仪8、以及控制装置(图中未画出)，衍射光栅2、中孔反射镜3和第一球面透镜4依次设置在高能脉冲激光发射器1发射的激光的光路上，待测样品5表面形成的等离子体阵列发光的光路上依次设置有第一球面透镜4、中孔反射镜3、第二球面透镜6、光纤束7和光谱仪8。优选地，高能脉冲激光发射器1发射的激光可以是纳秒激光、皮秒激光或飞秒激光。

本实施例中，高能脉冲激光发射器1发射的激光经过衍射光栅2被均匀分束为多个激光子束，每束激光的能量一致，相邻光束间夹角相等，所有激光子束透过中孔反射镜3后被第一球面透镜4聚焦在待测样品5表面，待测样品5表面形成多个间隔相等、排布在一条线上的等离子体阵列，在一个具体实施例中，待测样品表面形成有5个均匀排列的激光烧蚀坑，相邻点之间的聚类为2.7mm，如图2所示，第一球面透镜4收集等离子体阵列发光，并被中孔反射镜3折向光纤束7方向，第二球面透镜6将等离子体阵列发光成像到光纤束7表面。

等离子体阵列发光被成像到光纤束7表面后，光纤束7将等离子体阵列发光像传输到光谱仪入射狭缝；光谱仪8对等离子体阵列发光进行光谱分析，得到等离子体阵列发光中不同波长的发光强度。

控制装置与高能脉冲激光发射器和光谱仪连接，用于控制高能脉冲激光发射器和光谱仪之间的时间同步及待测样品的空间位置。

待测样品可以为固体、液体、气体、气溶胶、粉尘或火焰等。

本发明系统的测量过程与传统的激光诱导击穿光谱类似，首先，控制装置输出控制信号，通过软件控制待测样品5的空间位置，保证待测样品处于第一球面透镜4的焦点位置；高能脉冲激光发射器1接收到控制装置的TTL信号后输出一个激光脉冲，激光脉冲经过衍射光栅2被被均匀分束为多个激光子束，然后被第一球面透镜4聚焦成平行排列、间距相等、能量一致、焦斑大小相同的阵列焦斑；在焦点附近的待测样品5被阵列焦斑烧蚀，形成等离子体阵列，第一球面透镜4收集等离子体阵列发光，并被中孔反射镜3折向光纤束方向，第二球面透镜6将等离子体阵列发光成像到光纤束7表面，等离子体阵列发光被成像到光纤束7表面后，光纤束7将等离子体阵列发光像传输到光谱仪入射狭缝，光谱仪8对等离子体阵列发光进行光谱分析，得到等离子体阵列发光中不同波长的发光强度。

与传统激光诱导击穿光谱系统所不同的是：传统激光诱导击穿光谱系统一次仅能测量一个点的光谱，而本发明采用衍射光栅分光聚焦的方式可以实现多点的同时测量。本发明采用传像光纤束，能够将等离子体发光像传输到光谱仪上，实现了样品元素测量的空间分辨，通过提取ICCD的各个像素光强度、并与等离子体发光位置一一对应，实现对样品元素诊断的空间分辨。

在一个具体实施例中，待测样品为铜，采用上述的测量系统对待测样品进行光谱分析，获得的谱图如图3所示。分析结果表明，该系统能够实现不同空间位置的同时元素测量，并且光谱图中不同位置的光谱分辨明显，没有相互干扰，保证了不同空间位置的激光诱导击穿光谱的同时测量，并且可以通过优化设计光路系统，实现不同空间分辨率、不同探测点数的测量。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (4)

1.一种光栅分光式同时多点激光诱导击穿光谱测量方法，其特征在于，包括：

控制装置对高能脉冲激光发射器和光谱仪之间的时间进行同步，并将待测样品移动到第一球面透镜的焦点位置；

衍射光栅将高能脉冲激光发射器发射的激光分束为多个激光子束，所有激光子束透过中孔反射镜后被第一球面透镜聚焦在待测样品表面，待测样品表面形成等离子体阵列；

第一球面透镜收集等离子体阵列发光后，中孔反射镜将等离子体阵列发光折向光纤束方向，第二球面透镜将等离子体阵列发光成像到光纤束表面，光纤束再将等离子体阵列发光像传输到光谱仪入射狭缝，光谱仪对等离子体阵列发光进行光谱分析，得到等离子体阵列发光中不同波长的发光强度。

2.根据权利要求1所述的一种光栅分光式同时多点激光诱导击穿光谱测量方法，其特征在于，衍射光栅将高能脉冲激光发射器发射的激光进行均匀分束，每束激光子束的能量一致，相邻光束间夹角相等。

3.根据权利要求1所述的一种光栅分光式同时多点激光诱导击穿光谱测量方法，其特征在于，第一球面透镜将激光束聚焦成间距相等、能量一致、且焦斑大小相同的阵列焦斑。

4.根据权利要求1所述的一种光栅分光式同时多点激光诱导击穿光谱测量方法，其特征在于，待测样品表面形成的等离子体阵列为多个，多个等离子体阵列的间距相等，且排布在一条线上。