CN100593712C - 时间分辨的激光诱导原子发射光谱探测系统及方法 - Google Patents

时间分辨的激光诱导原子发射光谱探测系统及方法 Download PDF

Info

Publication number
CN100593712C
CN100593712C CN200710043529A CN200710043529A CN100593712C CN 100593712 C CN100593712 C CN 100593712C CN 200710043529 A CN200710043529 A CN 200710043529A CN 200710043529 A CN200710043529 A CN 200710043529A CN 100593712 C CN100593712 C CN 100593712C
Authority
CN
China
Prior art keywords
laser
time
shared
convergence
optical system
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN200710043529A
Other languages
English (en)
Other versions
CN101089612A (zh
Inventor
王建宇
马德敏
舒嵘
何志平
亓洪兴
吕刚
忻松筠
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shanghai Institute of Technical Physics of CAS
Original Assignee
Shanghai Institute of Technical Physics of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shanghai Institute of Technical Physics of CAS filed Critical Shanghai Institute of Technical Physics of CAS
Priority to CN200710043529A priority Critical patent/CN100593712C/zh
Publication of CN101089612A publication Critical patent/CN101089612A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN100593712C publication Critical patent/CN100593712C/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Spectrometry And Color Measurement (AREA)
  • Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)

Abstract

本发明公开了一种用于探测具有时间分辨特性的激光诱导发射光谱的系统，属于光谱检测分析技术领域。该探测系统简单的光学结构和控制方法使之具有被应用于深空探测或恶劣环境下无人参与的光谱探测应用潜力。系统包括：脉冲激光器、会聚/接收共用光学系统、光谱检测处理系统、同步信号发生装置、上位机系统，其特征在于：会聚/接收共用光学系统简化了系统结构和系统调焦环节；以激光出射脉冲为基准同步信号的时间精确度高；利用带溢出沟道结构的CCD图像传感器实现了微秒级积分时间可调的时间分辨功能；由上位机通过USB控制器实现系统参数控制和数据的通讯。因此本系统的显著特点在于系统结构简单、时间同步性能好、时间分辨率高，并且操作简单，具备深空探测或恶劣环境探测的应用潜力。

Description

时间分辨的激光诱导原子发射光谱探测系统及方法
技术领域：
本发明涉及一种具有时间分辨特性的激光诱导原子发射光谱的探测系统，属于光谱检测、光电探测技术领域。
背景技术：
激光诱导原子发射光谱技术诞生于20世纪中后期，根据激光与物质相互作用的原理，利用激光脉冲使物质表面在高温下电离产生等离子发射光谱，将此光谱转化为电信号，根据建立的电信号值与光谱辐射强度之间的对应关系，可定性、定量分析物质中的含量，是一种能够实现多元素同时检测、成分含量定量化测量分析的技术手段，具有非破坏和非接触、无须取样和进行样品预处理、多元素的同时性、可现场分析，测量对象形态可以是固体、液体、气体，具有较高的探测效率，这种技术已被成功地应用于多个领域。
最新文献所报道的激光诱导原子发射光谱的探测系统，其与传统探测系统的结构原理基本一致，包括激光系统、光谱收集系统、光谱仪系统，或加上数据预处理部分。在这些系统中，首先激光会聚系统和光谱收集系统分离，且一般光谱收集系统光路与激光入射光路的光轴呈大于0°夹角收集等离子光谱；光谱仪系统的时间延迟一般采样高精度的延迟控制器，其同步工作信号由激光器输出的电同步信号充当；在系统的积分之前的延迟时间内对光信号的屏蔽一般使用外加的类似快门的设备联合延时控制器共同完成。这样的装置能够有效地采集到光谱信号，并且能通过延迟控制器来调节延迟时间，能实现较高时间分辨的光谱属性的研究。
现有的探测系统虽然能完成实验室或野外人工操作条件下的光谱探测工作，但是系统中分立的会聚/接收光学系统在无人参与的情况下，无接触的对目标物体探测时两套光学系统的协调对焦过程复杂且精度不高，降低了工作效率；同步信号一般取自激光系统输出电信号，与激光出射脉冲间有时间差；外部时间延迟控制设备增加了系统的体积和成本，其需要人工参与操作，这些缺点使得现有的设备难以在未来的深空探测等无人参与、自动化程度要求高的应用中发挥应用的作用。
发明内容：
本发明的目的在于：针对上述现有探测系统在未来深空或恶劣环境的探测中存在的不足，提出了以简化系统结构、减小系统的重量和体积、提高系统的可靠性为主要目标的系统设计和实现方法，同时保持激光诱导光谱探测技术原有的特色。
本发明的技术方案如下：
根据本发明的时间分辨激光诱导离解光谱探测系统，包括：脉冲激光发生系统、激光脉冲和共用的会聚/接收光学系统、同步信号发生装置、光谱仪、信号处理通讯系统以及上位机控制系统。
其中光谱仪包括分光系统、光谱检测处理电路系统，其特征在于：所述激光脉冲出射口与待测样品表面之间安装有带透反射镜的会聚/接收共用光学系统，所述同步信号发生装置从激光出射口通过分束片接收激光出射脉冲，所述光谱检测处理电路系统为基于带有溢出沟道结构的CCD图像传感器，通过可编程控制器件实现探测系统的工作时序状态的控制，包括对具有时间分辨特征的等离子体发射光谱的探测，以及延迟时间、积分时间参数的上位机程控，最小时间分辨参数由传感器的工作频率决定，可达到几百纳秒数量级，使用USB控制芯片实现与上位机的通讯和数据传输。
本发明的时间分辨激光诱导离解光谱探测系统工作流程如下：
S1.上位机控制系统中设置好必须的初始化参数后发出启动命令，激光器产生脉冲激光光束，经分束片产生两路激光光束；
S2.一路激光光束经过透反射镜输入到会聚/接收共用光学系统，而另一路激光光束则输入到同步信号发生装置；
S3.经分束片后入射到同步信号发生装置的激光首先被具有快速响应能力的光电二极管捕捉，产生的电信号顺次经过高速放大器、比较器和电平转换器，之后形成逻辑电平脉冲，输出到光谱检测处理电路系统中，作为时间同步信号；
S4.该透反射镜对波长为1064nm激光光束具有透射作用，对波长为1000nm以下的光具有反射作用，透射过的激光光束输出到会聚/接收共用光学系统之后被聚焦到被测目标物体的表面，从而使其在激光作用下产生等离子体光谱；
S5.会聚/接收共用光学系统是由一组正负镜片系统组成的具有会聚功能的光学系统，激光诱导产生的等离子体发射光谱被会聚/接收共用光学系统收集后输出到透反射镜的反射面后经传输光纤输入到光谱仪中；
S6.输入到光谱仪中的等离子发射光谱经过光栅分光后入射到包括CCD图像传感器组成的光谱检测电路系统完成光电转换和信号处理；
S7.光谱数据通过USB芯片与上位机之间的链路传输到计算机中，数据传输方式采用异步模式，工作频率可在0到探测器极限频率fmax之间任意设置，由上位机对数据进行保存和实时的光谱或图像数据的显示。
与现有探测系统相比，本发明使用了自行设计的激光出射脉冲同步信号发生装置，实现准同步，避免了激光器电信号同步与出射脉冲时刻的不稳定时间间隔因素影响，设计的会聚/接收共用光学系统简化了系统结构、提高了调焦效率、减小了系统的体积和重量，直接利用CCD器件带有的溢出沟道结构实现延迟和积分时间的控制，可以使时间分辨率达到几百纳秒量级，满足探测分析的需求，并且保持了传统激光诱导离解光谱技术的特点。
附图说明：
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1为时间分辨激光诱导原子发射光谱探测系统的结构框图。
图2为同步信号发生装置原理框图。
图3为光谱检测处理电路系统框图，其中701为逻辑控制芯片，702为输入主时钟信号，703为外同步触发信号，704为CCD图像传感器，705为信号处理芯片，706为数字信号缓存芯片，707为USB控制芯片。
具体实施方式：
图1所示的系统中，激光器1为Nd:YAG调Q脉冲激光器，工作波长1064nm，脉宽约7ns，最大脉冲能量200mJ，脉冲能量稳定性±2％，激光束发散角小于1mrad。激光器发出的激光光束用于激发待测样品产生等离子发射光谱。
激光器1输出脉冲首先经过一片与激光光束方面成45°夹角的分束片2，请参阅图2和图1，可从激光脉冲中折射出一小部分激光能量，入射到光电二极管501中，光电二极管501通常选择光导型具有高速响应能力，上升沿一般能达到几个纳秒的Pin光电二极管；推荐使用高带宽的运算放大器502，放大增益一般设为5～10倍，将放大器502的输出与一设定的比较阈值进行比较，产生的逻辑输出信号经过电压转换器504后输出为同步脉冲信号。
可对入射的激光脉冲和收集到的光谱信号进行选择的透反射镜3，共应分别在两面涂膜，使得能够投射过1064nm波长的激光和反射小于1000nm波长的等离子体发射光谱，反射的光谱信号输入到一段传输光纤8的一端，经光纤8传输后输入到光谱仪系统6，该系统6中的光谱仪采用结构简单的平场凹面光栅作为分光器件，不仅有分光的功能，还具有准直和会聚的作用。
分光后得到的光谱入射到光谱检测处理电路系统7中，请参阅图3和图1，产生的对应于等离子体辐射光谱的电信号经过AD转换器705产生的数字信号输入到缓存器706中，根据数据传输指令通过USB控制器707将数字信号传输到上位机9中。
在原理样机的实验系统中，使用PC机作为上位机9，安装好采集系统控制软件后，可直接对系统的光谱检测处理电路系统的工作参数进行设置，软件系统在多线程的工作模式下同时进行采集数据、存储和实时显示。

Claims (6)

1、一种时间分辨的激光诱导原子发射光谱探测系统，包括：脉冲激光器系统、激光出射光束和激光诱导离解发生光共用的会聚/接收共用光学系统、同步信号发生装置、光谱仪、数据通讯采集系统和上位机控制系统，其中光谱仪包括分光系统、光电转换系统、数据处理系统，整个系统的特征在于：所述同步信号发生装置是从激光出射口通过分束镜片对激光出射光束进行分光，分离出的一支光束输入到具有快速响应能力的光电二极管，经过高速放大器、比较器和电平转换器之后产生脉冲信号，作为探测系统工作的同步信号；所述脉冲激光器系统与待测样品表面之间安装有所述的会聚/接收共用光学系统；所述光电转换系统为基于带溢出沟道结构的CCD图像传感器，并结合可编程控制器件实现时间分辨控制功能的控制，所述数据通讯采集系统使用USB控制芯片实现与上位机之间的通讯和数据传输；所述会聚/接收共用光学系统是指，激光出射光束和激光诱导离解发生光共用同一个光学聚焦系统，使用了一组正负镜的组合使得该共用光学系统实现了具有会聚和调焦的功能。
2、根据权利要求1所述的时间分辨的激光诱导原子发射光谱探测系统，其特征在于：激光出射光束透射过一片透反射镜由所述会聚/接收共用光学系统聚焦到被测目标表面，离解出的光谱信号光束经所述会聚/接收共用光学系统收集后经过所述透反射镜反射到光谱仪系统的光输入口。
3、根据权利要求2所述的时间分辨的激光诱导原子发射光谱探测系统，其特征在于：所述透反射镜的透射面涂膜能够透射波长为1064nm的激光光束，反射面涂膜能够反射1000nm波长以下的光。
4、根据权利要求1所述的时间分辨的激光诱导原子发射光谱探测系统，其特征在于：所述的基于带有溢出沟道结构的CCD图像传感器，通过可编程控制器件实现探测系统的工作时序状态的控制，包括对具有时间分辨特征的等离子体发射光谱的探测，以及延迟时间、积分时间参数的上位机程控，最小时间分辨参数由传感器的工作频率决定，可达到几百纳秒数量级。
5、根据权利要求1所述的时间分辨的激光诱导原子发射光谱探测系统，其特征在于：使用USB芯片通过异步方式实现数据的采集和与上位机之间的通讯。
6、一种激光诱导离解光谱探测的时间分辨控制方法，包括步骤：
S1.上位机控制系统中设置好必须的初始化参数后发出启动命令，激光器产生脉冲激光光束，经分束片产生两路激光光束；
S2.一路激光光束经过透反射镜输入到会聚/接收共用光学系统，而另一路激光光束则输入到同步信号发生装置；
S3.经分束片后入射到同步信号发生装置的激光首先被具有快速响应能力的光电二极管捕捉，产生的电信号顺次经过高速放大器、比较器和电平转换器，之后形成逻辑电平脉冲，输出到光谱检测处理电路系统中，作为时间同步信号；
S4.该透反射镜对波长为1064nm激光光束具有透射作用，对波长为1000nm以下的光具有反射作用，透射过的激光光束输出到会聚/接收共用光学系统之后被聚焦到被测目标物体的表面，从而使其在激光作用下产生等离子体光谱；
S5.会聚/接收共用光学系统是由一组正负镜片系统组成的具有会聚功能的光学系统，激光诱导产生的等离子体发射光谱被会聚/接收共用光学系统收集后输出到透反射镜的反射面后经传输光纤输入到光谱仪中；
S6.输入到光谱仪中的等离子发射光谱经过光栅分光后入射到包括CCD图像传感器组成的光谱检测电路系统完成光电转换和信号处理；
S7.光谱数据通过USB芯片与上位机之间的链路传输到计算机中，数据传输方式采用异步模式，工作频率可在0到探测器极限频率fmax之间任意设置，由上位机对数据进行保存和实时的光谱或图像数据的显示。
CN200710043529A 2007-07-06 2007-07-06 时间分辨的激光诱导原子发射光谱探测系统及方法 Active CN100593712C (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN200710043529A CN100593712C (zh) 2007-07-06 2007-07-06 时间分辨的激光诱导原子发射光谱探测系统及方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN200710043529A CN100593712C (zh) 2007-07-06 2007-07-06 时间分辨的激光诱导原子发射光谱探测系统及方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN101089612A CN101089612A (zh) 2007-12-19
CN100593712C true CN100593712C (zh) 2010-03-10

Family

ID=38943042

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN200710043529A Active CN100593712C (zh) 2007-07-06 2007-07-06 时间分辨的激光诱导原子发射光谱探测系统及方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN100593712C (zh)

Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101696936B (zh) * 2009-10-22 2011-07-20 浙江师范大学 激光诱导放电增强等离子体光谱检测装置
CN102364329A (zh) * 2011-09-19 2012-02-29 华东师范大学 激光诱导击穿光谱自动采集系统
CN102735658A (zh) * 2012-07-17 2012-10-17 中国科学技术大学 时间分辨激光诱导击穿光谱测量方法
CN102967563A (zh) * 2012-11-26 2013-03-13 东莞博莱特生物科技有限公司 一种二噁英类毒素信号采集装置和方法
CN104062269B (zh) * 2013-03-18 2016-08-10 中国科学院大连化学物理研究所 纳秒时间分辨的吸收和发射光谱测量装置和测量方法
CN104198450B (zh) * 2014-08-27 2017-05-03 江苏锐汗德医疗科技有限公司 一种用于全自动时间分辨检测仪的光路检测装置
CN105445228A (zh) * 2015-12-11 2016-03-30 中国科学院等离子体物理研究所 一种超高时间分辨率激光汤姆逊散射诊断系统
CN107817239B (zh) * 2016-09-13 2019-06-18 中国科学院沈阳自动化研究所 一种基于等离子体位置信息的libs光谱校正方法
CN108680559A (zh) * 2018-04-29 2018-10-19 天津大学 激光诱导击穿光谱iccd时间分辨测量方法和系统
CN109000795B (zh) * 2018-06-25 2024-03-12 西北核技术研究所 一种脉冲激光光谱时间分辨测量系统和测量方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030174325A1 (en) * 2002-03-18 2003-09-18 Hansheng Zhang Fiber optic laser-induced breakdown spectroscopy sensor for molten material analysis
CN1480722A (zh) * 2003-07-18 2004-03-10 华中科技大学 激光感生击穿光谱煤质分析仪
CN2869853Y (zh) * 2006-02-14 2007-02-14 南京中地仪器有限公司 激光诱导等离子光谱分析仪
US20070076200A1 (en) * 2005-09-30 2007-04-05 Martin Rodger C Dual fiber microprobe for mapping elemental distributions in biological cells

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030174325A1 (en) * 2002-03-18 2003-09-18 Hansheng Zhang Fiber optic laser-induced breakdown spectroscopy sensor for molten material analysis
CN1480722A (zh) * 2003-07-18 2004-03-10 华中科技大学 激光感生击穿光谱煤质分析仪
US20070076200A1 (en) * 2005-09-30 2007-04-05 Martin Rodger C Dual fiber microprobe for mapping elemental distributions in biological cells
CN2869853Y (zh) * 2006-02-14 2007-02-14 南京中地仪器有限公司 激光诱导等离子光谱分析仪

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
一种用于激光诱导离解光谱的时间分辨探测技术. 马德敏等.半导体光电，第28卷第1期. 2007 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN101089612A (zh) 2007-12-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN100593712C (zh) 时间分辨的激光诱导原子发射光谱探测系统及方法
CN107402193B (zh) 一种基于libs的激光选区熔化成形过程在线检测设备
CN101666745B (zh) 具有自调整校准功能的激光感生光谱测量装置及控制方法
CN103175808B (zh) 激光诱导击穿光谱分析系统及其方法
CN103512868B (zh) 一种基于光纤波导的微区激光探针成分分析仪
CN103033488B (zh) 可实时观察监测z扫描光学非线性测量装置和方法
CN105067568A (zh) 自动聚焦式激光诱导击穿光谱检测系统及其检测方法
CN202522516U (zh) 一种光学透过率测试装置
CN104865576B (zh) 一种紧凑的超短脉冲激光远程测距系统及其测距方法
CN103616164A (zh) 一种基于脉冲激光光源的反射率/透过率综合测量方法
CN105445228A (zh) 一种超高时间分辨率激光汤姆逊散射诊断系统
CN104316506A (zh) 拉曼探头和可自动对焦的拉曼信号探测系统以及方法
CN102661795B (zh) 泵浦光与信号光同步斩波、信号光分区记录的泵浦-探测光谱的方法及实现装置
CN104316507A (zh) 拉曼信号探测系统以及方法
CN104007090A (zh) 基于激光诱导击穿光谱技术的便携式元素成分分析装置
CN102507596A (zh) 一种基于激光束主动扫描的光学元件表面疵病检测系统
CN105203222A (zh) 一种基于菲涅耳透镜和cars光谱对火焰一维扫描测温的装置
CN102589848B (zh) 光学薄膜损伤阈值的测试系统
CN104897625A (zh) 用于火星物质成份探测的联合激光诱导光谱系统
CN204679420U (zh) 一种用于火星物质成份探测的联合激光诱导光谱系统
CN103900895A (zh) 用于激光等离子体质谱仪的激光剥蚀系统
CN105203223A (zh) 一种基于cars光谱测量一维扫描火焰温度的装置
CN203414408U (zh) 激光诱导击穿光谱分析系统
CN102426306B (zh) 超快电子器件测试系统及方法
CN117571687A (zh) 三脉冲激光诱导击穿光谱系统及信号增强方法

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant