CN103335986B - 基于波分复用及时域交叠的激光诱导击穿光谱系统及方法 - Google Patents

Abstract

本专利公开了一种基于波分复用及时域交叠的激光诱导击穿光谱系统及方法，它采用多片比例分光镜、多组延时光学组件、多组倍频晶体或光学参量振荡器把一束激光脉冲分为若干束具有不同波长、不同时序的激光脉冲并进行合束，这些不同波长的激光脉冲依次经过一定的延时激发样品同一个点。由于不同波长的激光脉冲对不同类型原子的激发效果不同，本专利提出的波分复用LIBS方法可明显提高探测效果，同时，由于各激光脉冲在时域的延时与交叠，在前一个激光脉冲诱导产生的等离体即将冷却时注入后一个激光脉冲，可显著提高探测信噪比。

Description

基于波分复用及时域交叠的激光诱导击穿光谱系统及方法

技术领域

本专利涉及一种激光光谱探测方法，尤其涉及一种基于波分复用及时域交叠的激光诱导击穿光谱(Laser-induced breakdown spectroscopy，简称LIBS)系统及探测方法。

背景技术

激光诱导击穿光谱(LIBS)探测技术是利用脉冲激光器发出的激光脉冲，经过聚焦透镜聚焦到样品，在聚焦点上获得高能量的激光脉冲，使样品烧蚀、蒸发、激发和电离化后形成高温、高压、高电子密度的等离子体火花，辐射出包含原子和离子特征谱线的光谱，可用于探测物质的元素组成。

传统的LIBS探测方法利用低重频单脉冲激光作为激励源，单脉冲LIBS探测时，样品靶材表面产生的冲击波使得受激产生的等离子发射光谱信号衰减较大，因此测得的信号较弱，信噪比较小。此外，由于单脉冲激光中心波长单一，只针对部分元素具有较高的激发效率，因此无法较全面地得到待测样品的元素组成。

为提高LIBS探测的信噪比及全面获取待测样品的元素组成，本专利提出一种基于波分复用及时域交叠的LIBS系统及探测方法，该方法把一束激光脉冲分解为若干束具有不同波长、不同时序的激光脉冲并进行合束，这些不同波长的激光脉冲依次经过一定的延时及时域交叠激发样品同一个点。可选择不同的倍频晶体及OPO，得到一组合适的波分复用波长分布λ₁、λ₂、λ₃、...、λ_n-1、λ_n(n代表波分复用波长总数)，通过具有这些波长分布的激光脉冲所激发的LIBS光谱分析全面地得到待测样品的元素组成。同时，由于各激光脉冲在时域的延时与交叠，在前一个激光脉冲诱导产生的等离体即将冷却时注入后一个激光脉冲，可显著提高探测信噪比。

发明内容

本专利的目的在于提供一种基于波分复用及时域交叠的LIBS系统及探测方法，克服传统单脉冲LIBS的不足，提高LIBS探测的信噪比及全面获取待测样品的元素组成。

基于波分复用及时域交叠的激光诱导击穿光谱系统包括比例分光镜、高能量固体脉冲激光器、延时光学组件、光学延迟线、倍频晶体或光学参量振荡器、全反镜、半反半透镜、双色镜、多色镜、带孔反射镜、光纤ICCD光谱仪、计算机和聚焦透镜。

由高能量固体脉冲激光器2发出一束波长为λ₁的纳秒级脉冲激光，经过1比n-1比例分光镜1分成两路，透过1比n-1比例分光镜1的波长为λ₁占激光总能量的n分之一的第一个激光脉冲经过多色镜B20首先到达聚焦透镜19,经聚焦后穿过带孔反射镜18中心的小孔,到达样品靶材16表面，样品靶材经激光脉冲诱导产生等离子体；激光脉冲诱导产生的LIBS信号,经带孔反射镜18反射，透镜17聚焦至光纤ICCD光谱仪14附带的光纤探头端面上，光纤ICCD光谱仪14将接受的由波长为λ₁的激光诱导产生的LIBS信号数据传送至计算机15；

经1比n-1比例分光镜1反射的波长为λ₁占激光总能量的n分之n-1的激光脉冲进入第一组延时光学组件3并透过第一组倍频晶体或光学参量振荡器6转变为波长为λ₂的激光脉冲，经n-2比1比例分光镜9分成反射及透射两路，其中通过反射获得的波长为λ₂能量为激光总量的n之一的第二个激光脉冲通过多色镜A12及多色镜B20反射后被透镜19聚焦，聚焦后的激光脉冲穿过带孔反射镜8中心的小孔,到达样品靶材16表面，样品靶材经激光脉冲诱导产生等离子体；激光脉冲诱导产生的LIBS信号,经带孔反射镜18反射，透镜17聚焦至光纤ICCD光谱仪14附带的光纤探头端面上，光纤ICCD光谱仪14将接受的由波长为λ₂的激光诱导产生的LIBS信号数据传送至计算机15；此时因为激光脉冲经过了延时τ，保证样品靶材在第一个激光脉冲诱导产生的等离子体即将冷却时被注入第二个激光脉冲；

经n-2比1比例分光镜9透射的波长为λ₂能量为激光总量的n分之n-2的激光脉冲经第二组延时光学组件3并透过第二组倍频晶体或光学参量振荡器6转变为波长为λ₃激光脉冲，比例分光镜将其分成反射及透射两路，其中通过反射获得的波长为λ₃能量为激光总量的n之一的第三个激光脉冲用于诱导样品靶材产生LIBS信号，透射光部分则由第三组延时光学组件3并透过第三组倍频晶体或光学参量振荡器6转变为波长为λ₄的激光脉冲并再次分光去激发样品靶材；按如此方式工作直至系统完成波长为λ_n-2激光脉冲转换，经第n-2组延时光学组件3及第n-2组倍频晶体或光学参量振荡器6转换为波长为λ_n-1的激光脉冲经半反半透镜11分成二路，反射的一路用激发样品以提供对应波长为λ_n-1的激光的LIBS信号，透射的一路由第n-1组延时光学组件3及第n-1组倍频晶体或光学参量振荡器6处理为波长为λ_n的激光脉冲，经全反镜10反射后用来诱导样品靶材产生-LIBS信号；这样，系统获得了一组用于诱导样品靶材产生LIBS信号的波长分别为λ₁、λ₂、λ₃、...、λ_n-1、λ_n的激光脉冲，其中n为系统选择的波分复用波长总个数。

所述的延时光学组件3由入射反射镜3.1、三棱镜3.2和出射反射镜3.3组成,所有的n-1组延时光学组件3中的n-1个三棱镜3.2都通过同一个支架5安装在唯一的光学延迟线4上，光学延迟线4精细调节所有延时光学组件3中三棱镜3.2与入射反射镜3.1和出射反射镜3.3的距离,来通过改变光程实现对所有相邻激光脉冲相同的延时。

由具有n个波长的n个激光脉冲诱导产生的LIBS信号，经带孔反射镜反射，透镜聚焦至光纤ICCD光谱仪附带的光纤探头端面上，光纤探头安装在光纤支架上，可方便调节用于准确聚焦。由与光纤ICCD光谱仪联接的计算机上的软件进行ICCD的开启及闭合时刻的准确控制，可采集、存储由具有n个波长的n个激光脉冲诱导产生的LIBS信号，以进行样品靶材的组成元素的准确分析。

由于不同波长的激光脉冲对不同类型原子的激发效果不同，可选择不同的倍频晶体及OPO，得到一组合适的波分复用波长分布λ₁、λ₂、λ₃、...、λ_n-1、λ_n(n代表波分复用波长总数)，通过具有这些波长分布的激光脉冲所激发的LIBS光谱分析全面地得到待测样品的元素组成。

本专利提出的波分复用LIBS方法可明显提高探测效果，同时，由于各激光脉冲在时域的延时与交叠，在前一个激光脉冲诱导产生的等离体即将冷却时注入后一个激光脉冲，可显著探测信噪比。

附图说明

图1、2为本专利的原理图，图中：1——1比n-1比例分光镜；2——高能量固体脉冲激光器；3——延时光学组件；3.1——入射反射镜；3.2——三棱镜;3.3——出射反射镜；4——光学延迟线；5——支架；6——倍频晶体(或光学参量振荡器OPO)；7——全反镜A；8——半反半透镜；9——n-2比1比例分光镜；10——全反镜B；11——双色镜A；12——多色镜A；13——光纤支架；14——光纤ICCD光谱仪；15——计算机；16——样品靶材；17——透镜；18——带孔反射镜；19——聚焦透镜；20——多色镜B。

注:n代表波分复用的波长总个数，ICCD代表增强型电荷耦合器件。τ代表相邻激光脉冲之间的延时。

具体实施方式

本专利的原理如图1、2所示，在该具体实施例中选择n=4，即波分复用波长总个数为4。

由高能量固体脉冲激光器2发出一束波长为λ₁=1064nm的纳秒级脉冲激光，经过1比3比例分光镜1分成两路:

透过1比3比例分光镜1的波长为λ₁第一个激光脉冲(占激光总能量的四分之一)经过多色镜B20首先到达聚焦透镜19，经聚焦且穿过带孔反射镜18中心的小孔，到达样品靶材16表面，要求样品靶材16表面到聚焦透镜19的距离等于聚焦透镜19的焦距(即合焦)，诱导产生等离子体;

经1比3比例分光镜1反射的激光脉冲(占激光总能量的四分之三)进入第一组延时光学组件3，延时光学组件3由入射反射镜3.1、三棱镜3.2、出射反射镜3.3组成，所有各组延时光学组件3的三棱镜3.2都通过同一个支架5安装在光学延迟线4，可通过光学延迟线4同时精细调节每组三棱镜3.2与入射反射镜3.1和出射反射镜3.3的距离，达到改变光程实现延时的目的。该激光脉冲通过第一组延时光学组件3后，透过第一组倍频晶体(或光学参量振荡器OPO)6转变为波长为λ₂的激光脉冲，经2比1比例分光镜9反射及透射:其中通过反射获得的第二个激光脉冲(能量变为激光总量的四分之一，波长为λ₂)，通过多色镜A12反射，再经多色镜B20反射后，与第一个激光脉冲类似地，到达聚焦透镜19，经聚焦且穿过带孔反射镜18中心的小孔，到达样品靶材16表面，因为经过了延时，所以这个波长为λ₂的激光脉冲比波长为λ₁第一个激光脉冲晚到达，可通过调节光学延迟线4精确调节两个脉冲间的延时τ(如图2)，即在时域产生一定的交叠，使得第一个激光脉冲诱导产生的等离体即将冷却时注入第二个脉冲；

经2比1比例分光镜9透射产生的激光脉冲，其能量为激光总能量的二分之一，经由第二组延时组件3延时后，透过第二组倍频晶体(或光学参量振荡器OPO)6转变为波长为λ₃的激光脉冲，经半反半透镜8反射及透射:其中通过反射获得的第三个激光脉冲(能量变为激光总量的四分之一，波长为λ₃)，通过双色镜A11反射、多色镜A12透射，再经多色镜B20反射后，与第二个激光脉冲类似地，到达聚焦透镜19，经聚焦且穿过带孔反射镜18中心的小孔，到达样品靶材16表面，因为经过了延时，所以这个波长为λ₃的激光脉冲比波长为λ₂的第二个激光脉冲晚到达，由于系统是用一个支架5把所有延时光学组件3中的三棱镜3.2都安装固定在一个光学延迟线4上且由于光路结构的对称性，所以实现了对所有相邻激光脉冲相同的延时τ(如图2)，类似地使得第二个激光脉冲诱导产生的等离体即将冷却时注入第三个激光脉冲;

经半反半透镜8透射所产生的激光脉冲，其能量为激光总能量的四分之一，经由第三组延时组件3延时后，透过第三组倍频晶体(或光学参量振荡器OPO)6转变为波长为λ₄的激光脉冲，经全反镜A7与全反镜B10反射，透射通过双色镜A11与多色镜A12，再经多色镜B20反射后，与第三个激光脉冲类似地，到达聚焦透镜19，经聚焦且穿过带孔反射镜18中心的小孔，到达样品靶材16表面，因为经过了延时τ，所以这个波长为λ₄的激光脉冲比波长为λ₃的第三个激光脉冲晚到达，在时域产生一定的交叠，且第三个激光脉冲诱导产生的等离体即将冷却时该第四个脉冲正好到达。

由具有多波长的多激光脉冲诱导产生的LIBS信号，经带孔反射镜18反射，透镜17聚焦至光纤ICCD光谱仪14附带的光纤探头端面上，光纤探头安装在光纤支架13上，可方便调节用于准确聚焦。由与光纤ICCD光谱仪14联接的计算机15上的软件进行ICCD的开启及闭合时刻的准确控制，可采集、存储由具有多波长的多激光脉冲诱导产生的LIBS信号，以进行样品靶材16的组成元素的准确分析。

由于不同波长的激光脉冲对不同类型原子的激发效果不同，可选择不同的倍频晶体及OPO，得到一组合适的波分复用波长分布λ₁、λ₂、λ₃、...、λ_n-1、λ_n(n代表波分复用波长总数)，通过具有这些波长分布的激光脉冲所激发的LIBS光谱分析全面地得到待测样品的元素组成。

本专利提出的波分复用LIBS方法可明显提高探测效果，同时，由于各激光脉冲在时域的延时与交叠，在前一个激光脉冲诱导产生的等离体即将冷却时注入后一个激光脉冲，可显著探测信噪比。

Claims (3)

1.一种基于波分复用及时域交叠的激光诱导击穿光谱系统，它包括比例分光镜、高能量固体脉冲激光器、延时光学组件、光学延迟线、倍频晶体或光学参量振荡器、全反镜、半反半透镜、双色镜、多色镜、带孔反射镜、光纤ICCD光谱仪、计算机和聚焦透镜，其特征在于：

由高能量固体脉冲激光器（2）发出一束波长为λ₁的纳秒级脉冲激光，经过1比n-1比例分光镜（1）分成两路，透过1比n-1比例分光镜（1）的波长为λ₁占激光总能量的n分之一的第一个激光脉冲经过多色镜B（20）首先到达聚焦透镜（19）,经聚焦后穿过带孔反射镜（18）中心的小孔,到达样品靶材（16）表面，样品靶材经激光脉冲诱导产生等离子体；激光脉冲诱导产生的LIBS信号,经带孔反射镜（18）反射，透镜（17）聚焦至光纤ICCD光谱仪（14）附带的光纤探头端面上，光纤ICCD光谱仪（14）将接受的由波长为λ₁的激光诱导产生的LIBS信号数据传送至计算机（15）；

经1比n-1比例分光镜（1）反射的波长为λ₁占激光总能量的n分之n-1的激光脉冲进入第一组延时光学组件（3）并透过第一组倍频晶体或光学参量振荡器（6）转变为波长为λ₂的激光脉冲，经n-2比1比例分光镜（9）分成反射及透射两路，其中通过反射获得的波长为λ₂能量为激光总量的n之一的第二个激光脉冲通过多色镜A（12）及多色镜B（20）反射后被透镜（19）聚焦，聚焦后的激光脉冲穿过带孔反射镜（8）中心的小孔,到达样品靶材（16）表面，样品靶材经激光脉冲诱导产生等离子体；激光脉冲诱导产生的LIBS信号,经带孔反射镜（18）反射，透镜（17）聚焦至光纤ICCD光谱仪（14）附带的光纤探头端面上，光纤ICCD光谱仪（14）将接受的由波长为λ₂的激光诱导产生的LIBS信号数据传送至计算机（15）；此时因为激光脉冲经过了延时τ，保证样品靶材在第一个激光脉冲诱导产生的等离子体即将冷却时被注入第二个激光脉冲；

经n-2比1比例分光镜（9）透射的波长为λ₂能量为激光总量的n分之n-2的激光脉冲经第二组延时光学组件（3）并透过第二组倍频晶体或光学参量振荡器（6）转变为波长为λ₃激光脉冲，比例分光镜将其分成反射及透射两路，其中通过反射获得的波长为λ₃能量为激光总量的n之一的第三个激光脉冲用于诱导样品靶材产生LIBS信号，透射光部分则由第三组延时光学组件（3）并透过第三组倍频晶体或光学参量振荡器（6）转变为波长为λ₄的激光脉冲并再次分光；按如此方式工作直至系统完成波长为λ_n-2激光脉冲转换，经第n-2组延时光学组件（3）及第n-2组倍频晶体或光学参量振荡器（6）转换为波长为λ_n-1的激光脉冲经半反半透镜（11）分成二路，反射的一路用于提供由波长为λ_n-1的激光所诱导产生的LIBS信号，透射的一路由第n-1组延时光学组件（3）及第n-1组倍频晶体或光学参量振荡器（6）处理为波长为λ_n的激光脉冲，经全反镜（10）反射后用来诱导样品靶材产生-LIBS信号；这样，系统获得了一组用于诱导样品靶材产生LIBS信号的波长分别为λ₁、λ₂、λ₃、...、λ_n-1、λ_n的激光脉冲，其中n为系统选择的波分复用波长总个数。

2.根据权利要求1所述的一种基于波分复用及时域交叠的激光诱导击穿光谱系统，其特征在于：所述的延时光学组件（3）由入射反射镜（3.1）、三棱镜（3.2）和出射反射镜（3.3）组成,所有的n-1组延时光学组件（3）中的n-1个三棱镜（3.2）都通过同一个支架（5）安装在唯一的光学延迟线（4）上，光学延迟线（4）精细调节所有延时光学组件（3）中三棱镜（3.2）与入射反射镜（3.1）和出射反射镜（3.3）的距离,来通过改变光程实现对所有相邻激光脉冲相同的延时。

3.一种基于权利要求1所述系统的LIBS测试方法，其特征在于：

1）.将激光通过所述的一种基于波分复用及时域交叠的激光诱导击穿光谱系统分成若干束具有不同波长、不同时序的激光脉冲并进行合束，这些不同波长的激光脉冲依次经过一定的延时及时域交叠激发样品同一个点；

2）.通过不同的倍频晶体或OPO，得到一组合适的波分复用波长分布λ₁、λ₂、λ₃、...、λ_n-1、λ_n，n表波分复用波长总数，通过具有这些波长分布的激光脉冲所激发的LIBS光谱分析全面地得到待测样品的元素组成。