CN104034703A - 改进的高信噪比低检出限的libs物质成分探测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种改进的高信噪比低检出限的LIBS物质成分探测系统及方法，该系统结合了飞秒预烧蚀双脉冲LIBS和偏振分辨LIBS，包括一个固定波长的飞秒脉冲激光器、一个超连续谱飞秒脉冲激光器、一个滤光片、一个45°放置的反射镜、一个合束镜、一个扩束镜、一个望远镜、一个45°放置的分束镜、一个偏振角可调的偏振镜、一个光纤耦合镜、一个光纤接口、一个ICCD光谱仪、一个计算机组成，该系统使用双脉冲激发LIBS，并将接收光信号通过偏振镜接入光谱仪，该系统可以有效降低元素的检出限，提高信号的信噪比，提高探测的精度和稳定度，还可以同时探测分子光谱和原子光谱，提供更准确的物质组成信息。
Description
技术领域
本发明涉及一种激光光谱探测系统，尤其涉及一种结合飞秒预烧蚀双脉冲激光诱导击穿光谱(Femtosecond Pre-Ablative Double-Pulse Laser-InducedBreakdown Spectroscopy，简称fs-PA-DP-LIBS)和偏振分辨激光诱导击穿光谱(Polarization Resolved Laser-Induced Breakdown Spectroscopy，简称PR-LIBS)的探测系统及方法。
背景技术
激光诱导击穿光谱(LIBS)探测技术是利用高能量短脉宽的脉冲激光，经过聚焦照射到被测物体表面，在焦点上获得极高能量密度的激光脉冲，使照射目标表面烧蚀、蒸发、电离，形成高温、高压、高电子密度的等离子体火花，辐射出包括特征原子和离子谱线的光谱，可以用于探测物质组成。
将LIBS的脉冲激光脉宽缩减到飞秒量级的技术成为飞秒激光诱导击穿光谱(fs-LIBS)，相比常规LIBS，fs-LIBS脉宽更小，光强更高，作用在被测物体表面的热效应范围更小，能使被测物体表面在保持一定分子结构的同时发生电离，辐射出包含特征原子、离子及分子谱线的光谱，能够获得更多关于被测物质组成的信息。
单脉冲LIBS容易受到被测物体表面附着物和被测物体的基体效应的影响，测量结果有一定的随机性，重复性差，检测限高，改进的方法是采用双脉冲LIBS，双脉冲LIBS分为再加热双脉冲LIBS和预烧蚀双脉冲LIBS，相比再加热双脉冲LIBS，采用预烧蚀双脉冲LIBS，可以去除被测物表面杂质的影响，增强特征光强度，降低检测限，提高信噪比，减小相对标准偏差。
LIBS激发出的光谱不仅包含了特征原子、离子和分子的谱线，还包括了一个连续谱，该连续谱和物质的特征线谱的偏振状态不同，通过滤除连续谱，可以提高探测的灵敏度，降低检出限，提高信噪比。
在已公开的基于双脉冲和偏振分辨的激光诱导击穿光谱测量技术的专利文献(申请号：201210246338)中，采取了再加热双脉冲LIBS，可用于提高探测精度，但是采用再加热双脉冲LIBS不能去除被测物质表面杂质对LIBS光谱信号的影响，难以将测量精度进一步提高，同时采用传统的LIBS不能进一步测量物质的分子构成，为了进一步提高LIBS的探测准确度，本专利提出了一种结合飞秒预烧蚀双脉冲LIBS和偏振分辨LIBS的物质成分探测系统和探测方法，该方法结合了飞秒预烧蚀双脉冲LIBS和偏振分辨LIBS，通过计算机控制，调整双脉冲的时间间隔和偏振片的偏振角，通过改变特定波长带通滤光片的通带范围，改变其中一束激光的波长，实现了降低检出限、提高探测精度、提高信噪比、提高稳定度的目的，同时应用飞秒激光脉冲，可以将分子光谱和原子光谱同时探测，能够获得更准确的物质组成信息。
发明内容
本专利的目的在于提供一种改进的高信噪比低检出限的LIBS物质成分探测系统及方法，该系统结合了飞秒预烧蚀双脉冲LIBS和偏振分辨LIBS的优点，利用改变其中一束激光的波长、控制双脉冲之间时间间隔、控制偏振片偏振角的方法，来降低LIBS探测的检出限，提高信噪比，提高稳定度，同时应用飞秒激光脉冲，可以将分子光谱和原子光谱同时探测，能够获得更准确的物质组成信息。
改进的高信噪比低检出限的LIBS物质成分探测系统包括近红外飞秒脉冲激光器1，近红外超连续谱飞秒脉冲激光器2，特定波长带通滤光片3，45°放置的反射镜4，合束镜5，扩束镜6，45°放置的分束镜7，光路复用的望远镜8，偏振角可调的偏振镜10，光纤耦合镜11，光纤接口12，ICCD光谱仪14，计算机19。
近红外飞秒脉冲激光器1与近红外超连续谱飞秒脉冲激光器2平行放置，近红外超连续谱飞秒脉冲激光器前有特定波长带通滤光片滤光片3，特定波长带通滤光片3前有45°放置的反射镜4，45°放置的反射镜4旁边有合束镜5，合束镜5与近红外飞秒脉冲激光器1共线，合束镜5前有扩束镜6，扩束镜6前有45°放置的分束镜7，45°放置的分束镜7前有光路复用的望远镜8，光路复用的望远镜8焦点处放置被测物体，45°放置的分束镜7旁边有偏振角可调的偏振镜10，偏振角可调的偏振镜10旁边是光纤耦合镜11，光纤耦合镜11旁边是光纤接口12，使用光纤将光纤接口12和ICCD光谱仪14相连，使用线缆将近红外飞秒脉冲激光器1、近红外超连续谱飞秒脉冲激光器2、偏振角可调的偏振镜10、ICCD光谱仪14和计算机19相连。
装置中：45°放置的反射镜(4)镀有近红外波段的高反膜；合束镜(5)和扩束镜(6)镀有近红外波段的高透膜；45°放置的分束镜(7)镀有近红外波段的高透膜和可见光波段的高反膜；偏振角可调的偏振镜(10)和光纤耦合镜(11)镀有可见光波段的高透膜；光路复用的望远镜(8)工作波段为可见波段和近红外波段。
本专利是这样来实现的，其方法步骤为：
先由近红外飞秒脉冲激光器1产生一束近红外的飞秒激光脉冲，经由合束镜5、扩束镜6、光路复用的望远镜8照射到被测物体9表面；间隔很短一段时间后，由近红外超连续谱飞秒脉冲激光器2产生一束全光谱脉冲，经由特定臂长带通滤光片3选择特定波长、45°放置的反射镜4反射、合束镜5、扩束镜6、光路复用的望远镜8照射到被测物体9表面。
被测物体9表面经双脉冲强激光照射后，激发出等离子体，等离子体发出的光谱主要有可见光波段组成，经光路复用的望远镜8、45°放置的分束镜7、偏振角可调的偏振镜10、光纤耦合镜11进入ICCD光谱仪14，由ICCD光谱仪14采集光谱传至计算机19。
由于各种目标物体产生LIBS的光谱特性不同，可以根据计算机19接收到的光谱信息，调整双脉冲激光束的时间间隔、偏振角可调的偏振镜10的角度和ICCD光谱仪14的采样延迟。
本发明的优点在于：该方法实现了将飞秒预烧蚀双脉冲LIBS和偏振分辨LIBS相结合，通过计算机控制参数，达到降低检出限、提高探测精度、提高信噪比、提高稳定度的目的，同时应用飞秒激光脉冲，可以将分子光谱和原子光谱同时探测，能够获得更准确的物质组成信息。
附图说明
图1为本专利的原理图，图中：1——近红外飞秒脉冲激光器；2——近红外超连续谱脉冲激光器；3——特定波长带通滤光片；4——反射镜；5——合束镜；6——扩束镜；7——分束镜；8——望远镜；9——被测物体；10——偏振镜；11——光纤耦合镜；12——光纤接口；13——光纤；14——ICCD光谱仪；15——ICCD光谱仪数据及控制线缆；16——偏振镜角度控制线缆；17——近红外飞秒脉冲激光器控制线缆；18——近红外超连续谱脉冲激光器控制线缆；19——计算机。
具体实施方式
本专利的原理如图1所示，改进的高信噪比低检出限的LIBS物质成分探测系统包括：近红外飞秒脉冲激光器1，近红外超连续谱飞秒脉冲激光器2，特定波长带通滤光片3，45°放置的反射镜4，合束镜5，扩束镜6，45°放置的分束镜7，光路复用的望远镜8，偏振角可调的偏振镜10，光纤耦合镜11，光纤接口12，光纤13，ICCD光谱仪14，ICCD光谱仪数据及控制电缆15，偏振镜角度控制线缆16，近红外飞秒脉冲激光器控制线缆17，近红外超连续谱脉冲激光器控制线缆18，计算机19组成。
先由近红外飞秒脉冲激光器1产生一束近红外的飞秒激光脉冲，经由合束镜5、扩束镜6、45°放置的分束镜7、光路复用的望远镜8照射到被测物体9表面，进行预烧蚀；间隔很短一段时间后，由近红外超连续谱飞秒脉冲激光器2产生一束全光谱脉冲，经由特定波长带通滤光片3选择特定波长、45°放置的反射镜4反射、合束镜5、扩束镜6、分束镜7、光路复用的望远镜8照射到被测物体9表面，激发出等离子体光谱。
被测物体9表面经双脉冲强激光照射后，激发出等离子体，等离子体发出的光谱主要有可见光波段组成，经光路复用的望远镜8、45°放置的分束镜7、偏振角可调的偏振镜10、光纤耦合镜11、光纤接口12进入光纤13，接入ICCD光谱仪14，由ICCD光谱仪14采集光谱并通过线缆15传至计算机19。
通过计算机19控制近红外飞秒脉冲激光器1和近红外超连续谱飞秒脉冲激光器2发射脉冲激光的时间间隔和偏振角可调的偏振镜10的偏振角，以及ICCD光谱仪14采集光谱的延时，可以取得信噪比高，灵敏度高、精度高、稳定性好、包含分子及原子信息的LIBS光谱信号。
Claims (7)
1.一种改进的高信噪比低检出限的LIBS物质成分探测系统，它包括近红外飞秒脉冲激光器(1)，近红外超连续谱飞秒脉冲激光器(2)，特定波长带通滤光片(3)，45°放置的反射镜(4)，合束镜(5)，扩束镜(6)，45°放置的分束镜(7)，光路复用的望远镜(8)，偏振角可调的偏振镜(10)，光纤耦合镜(11)，光纤接口(12)，ICCD光谱仪(14)，计算机(19)，其特征在于：
近红外飞秒脉冲激光器(1)与近红外超连续谱飞秒脉冲激光器(2)平行放置，近红外超连续谱飞秒脉冲激光器前有特定波长带通滤光片滤光片(3)，特定波长带通滤光片(3)前有45°放置的反射镜(4)，45°放置的反射镜(4)旁边有合束镜(5)，合束镜(5)与近红外飞秒脉冲激光器(1)共线，合束镜(5)前有扩束镜(6)，扩束镜(6)前有45°放置的分束镜(7)，45°放置的分束镜(7)前有光路复用的望远镜(8)，光路复用的望远镜(8)焦点处放置被测物体，45°放置的分束镜(7)旁边有偏振角可调的偏振镜(10)，偏振角可调的偏振镜(10)旁边是光纤耦合镜(11)，光纤耦合镜(11)旁边是光纤接口(12)，使用光纤将光纤接口(12)和ICCD光谱仪(14)相连，使用线缆将近红外飞秒脉冲激光器(1)、近红外超连续谱飞秒脉冲激光器(2)、偏振角可调的偏振镜(10)、ICCD光谱仪(14)和计算机(19)相连。
2.根据权利要求1所述的一种改进的高信噪比低检出限的LIBS物质成分探测系统，其特征在于：所述的45°放置的反射镜(4)镀有近红外波段的高反膜。
3.根据权利要求1所述的一种改进的高信噪比低检出限的LIBS物质成分探测系统，其特征在于：所述的合束镜(5)和扩束镜(6)镀有近红外波段的高透膜。
4.根据权利要求1所述的一种改进的高信噪比低检出限的LIBS物质成分探测系统，其特征在于：所述的光路复用的望远镜(8)工作波段为可见波段和近红外波段。
5.根据权利要求1所述的一种改进的高信噪比低检出限的LIBS物质成分探测系统，其特征在于：所述的45°放置的分束镜(7)镀有近红外波段的高透膜和可见光波段的高反膜。
6.根据权利要求1所述的一种改进的高信噪比低检出限的LIBS物质成分探测系统，其特征在于：所述的偏振角可调的偏振镜(10)和光纤耦合镜(11)镀有可见光波段的高透膜。
7.一种基于权利要求1所述改进的高信噪比低检出限的LIBS物质成分探测系统的物质成分探测方法，其特征在于方法如下：
先由近红外飞秒脉冲激光器(1)产生一束近红外的飞秒激光脉冲，经由合束镜(5)、扩束镜(6)、45°放置的分束镜(7)、光路复用的望远镜(8)照射到目标被测物体表面，对被测物体表面进行预烧蚀；间隔很短一段时间后，由近红外超连续谱飞秒脉冲激光器(2)产生一束全光谱脉冲，经由特定波长带通滤光片(3)选择特定波长、45°放置的反射镜(4)反射、合束镜(5)、扩束镜(6)、分束镜(7)、光路复用的望远镜(8)照射到目标被测物体表面，激发出等离子体，激发出的LIBS光谱信号反向通过光路复用的望远镜(8)，经过45°放置的分束镜(9)反射后，依次通过偏振角可调的偏振镜(10)，光纤耦合镜(11)，光纤接口(12)，接入ICCD光谱仪(14)，ICCD光谱仪(14)延迟一段时间开始采集，根据测量结果，经由计算机(19)分析，调整偏振角可调的偏振镜(10)的角度、近红外飞秒脉冲激光器(1)和近红外超连续谱飞秒脉冲激光器(2)产生的脉冲间隔和ICCD光谱仪(14)的采集延迟到合适数值，重复以上过程，直至接收到的光谱信号连续谱强度最小，最后由计算机(19)分析所得光谱信号。
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