CN104062270B - 一种激光诱导元素分析装置 - Google Patents

Abstract

一种激光诱导元素分析装置，包括初激发脉冲激光器、再激发脉冲激光器、信号接收单元、数据分析单元以及控制单元，其特征在于：还包括一空心球形约束装置，该球形约束装置的内部竖直设置有一支撑杆，且该支撑杆的高度可调；所述初激发脉冲激光器所发射的脉冲激光束可垂直入射至待测样品上表面中心位置；所述再激发脉冲激光器包括若干台，各台再激发脉冲激光器分别周向均匀间隔分布设置，且各台再激发脉冲激光器所发射的脉冲激光束与待测样品上表面处于同一水平面上水平入射至待测样品上表面中心位置，以从空间上均匀地对等离子体进行谐振再激发。本发明具有更强的等离子体光谱信号强度、更低的元素检出限和更高的检测灵敏度。

Description

一种激光诱导元素分析装置

技术领域：

本发明涉及一种元素分析装置，尤其是一种对固态待测样品的激光诱导元素分析装置。

背景技术：

激光诱导光谱击穿技术(laser-inducedbreakdownspectroscopy,简称LIBS)是一种新兴的原子发射光谱分析技术，它将脉冲激光束聚焦到样品表面，使样品表面微量物质气化、电离、激发，形成高温等离子体；通过光学系统收集等离子体发射的元素谱线，经光纤耦合到光谱仪；光谱仪再将光谱数据传输到计算机中进行处理。LIBS技术具有快速、实时、无需样品准备、微损耗、多元素同时分析等特点。目前，LIBS技术应用领域广泛，包括传统的化学分析还有环境监测、工业在线测量、生物技术、文物保护、核工业、海洋科学、表面分析等。

但在实际应用中，LIBS检测存在灵敏度低、检出限过高的不足，限制了该技术更深入的发展和更广泛的应用。为了充分发挥LIBS的技术优势，增强信号强度和降低LIBS检出限是LIBS技术的重要发展方向。从提高LIBS光谱信号强度出发，国内外报道的主要有电-磁场信号增强装置、双脉冲激光激发装置。

电-磁场信号增强装置对于提高纯金属样品的LIBS光谱信号强度效果明显，但对于原子晶体材料不起作用。因为原子晶体通过共价键形成空间网状结构，具有很高的熔沸点和不导电的晶体特性，即原子晶体材料等离子体电离度很低，一般小于0.1％，因此，外加均匀电-磁场装置对其光谱信号增强不起作用。

双脉冲激光激发是指相隔数纳秒至数十微秒的相继两个激光脉冲作用到被测样品的同一位置上，第一束激光脉冲形成稀薄的泡沫状等离子体，第二束激光脉冲将等离子体进行加热，不断膨胀，谱线强度增强，从而降低光谱分析的检出限。但是，双脉冲技术存在空间上尚不能充分均匀激发等离子体的不足，不能让等离子体内的粒子得到充分的撞击和压缩。另外，单纯的双脉冲技术，缺少机械约束装置，等离子体很容易向外逃逸，无法形成谐振加强效果，其等离子体辐射光谱信号的增强效果也是不够理想的。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种激光诱导元素分析装置，其可从空间上均匀地对等离子体进行谐振再激发，可形成谐振加强效果，具有更强的等离子体光谱信号强度、更低的元素检出限和更高的检测灵敏度。

一种激光诱导元素分析装置，包括

初激发脉冲激光器，用于发射高能量的脉冲激光束来激发出待测样品的等离子体；

再激发脉冲激光器，用于发射高能量的脉冲激光束对由初激发脉冲激光器激发出的等离子体进行谐振再激发；

信号接收单元，用于接收采集所述经过谐振再激发后的等离子体的光谱信号；

数据分析单元，与信号接收单元的输出端连接，用于对信号接收单元采集到的光谱信号进行分析比对，以确定待测样品中所含元素的成分和/或含量；以及

控制单元，与所述初激发脉冲激光器、再激发脉冲激光器、以及信号接收单元电连接，用于控制所述初激发脉冲激光器和再激发脉冲激光器的开启顺序、以及控制信号接收单元对等离子体信号的采集时间；

其特征在于：还包括一用于谐振增强等离子体信号的空心球形约束装置，该球形约束装置的内部竖直设置有一与其球心相对的顶部用于水平放置待测样品的支撑杆，且该支撑杆的高度可调，以使待测样品的上表面刚好位于过球形约束装置球心处的水平面上；

所述初激发脉冲激光器所发射的脉冲激光束穿过球形约束装置后垂直入射至待测样品上表面中心位置，以激发出待测样品的等离子体；

所述再激发脉冲激光器包括若干台，各台再激发脉冲激光器分别周向均匀间隔分布设置于过球形约束装置球心处的水平面上，且各台再激发脉冲激光器所发射的脉冲激光束穿过球形约束装置后与待测样品上表面处于同一水平面上水平入射至待测样品上表面中心位置，以从空间上均匀地对等离子体进行谐振再激发。

本发明之激光诱导元素分析装置，具有如下有益效果：在检测分析过程中，待测样品表面先由初激发脉冲激光器所发射高能量的脉冲激光束激发出等离子体，然后由多台再激发脉冲激光器同时发射激光束从空间上均匀地对等离子体进行谐振再激发，从而产生等离子体波，等离子体波呈球形急速向外膨胀；等粒子体波与球形约束装置的内壁发生激烈碰撞后会反射回来压缩等离子体，导致压缩后的等离子体中的粒子碰撞几率大大增加，从而将低能级轨道上的粒子激发至高能级，使得高能级轨道上的受激原子数增加，辐射强度随之增加；球形约束装置与等离子体向外膨胀的波形基本匹配，因而可大大提高等离子体的压缩效率，进而提高等离子体光谱增强效应，具有更强的等离子体光谱信号强度、更低的元素检出限和更高的检测灵敏度。

本发明可通过如下方案进行改进：

所述再激发脉冲激光器包括三台，各再激发脉冲激光器所发射的激光束间的夹角为120度。即三束激光束的发射方向是以待测样品为中心呈中心对称结构的，因此可以从空间上均匀地再次激发等离子体，使等离子体内的粒子得到充分的撞击和压缩，等离子体内所包含的各元素原子福射光谱的增强效果也会大大提高。

所述球形约束装置的顶部开设有与其球心竖直正对的小孔，所述初激发脉冲激光器所发射的脉冲激光束穿过该小孔后垂直入射至待测样品上表面中心位置；而球形约束装置上与过其球心的水平面相交位置处则绕周向均匀间隔开设有另外三个小孔，所述三台再激发脉冲激光器与该三个小孔一一对应，且三台再激发脉冲激光器所发射的脉冲激光束分别穿过对应小孔后与待测样品上表面处于同一水平面上水平入射至待测样品上表面中心位置。结构简单，各脉冲激光器所发射的脉冲激光束可方便入射至球形约束装置内部形成等离子体波。

所述信号接收单元包括探头、光谱仪、以及增强型CCD；所述探头和光谱仪通过光纤相互连接，且探头位于所述开设于球形约束装置顶部的小孔的上方，用于通过该小孔采集等离子体光谱信号并将采集到的光谱信号通过光纤传输到光谱仪；所述光谱仪用于采集等离子体光谱信号中的光谱线信号；而所述增强型CCD，连接于光谱仪与数据分析单元之间，用于对光谱线信号进行放大处理并转化为电信号传输到所述数据分析单元，且该增强型CCD还与所述控制单元连接，用于控制对等离子体信号的采集时间。结构简单，等离子体光谱信号采集精度高且分析处理快捷。

所述球形约束装置由两个大小相同的可拆卸的半球形铝壳组装而成。结构简单，可方便放置待测样品。

所述球形约束装置的下方还设有一固定基座，所述支撑杆的底部穿过所述球形约束装置的下方并与固定基座连接。结构简单，可使球形约束装置在对待测样品的元素测试分析过程中保持稳定状态。

所述球形约束装置的直径为10mm～20mm，厚度小于1mm。

所述小孔的直径各为2mm。

所述光谱仪为光栅光谱仪，其光谱范围为200nm～1000nm，分辨率为0.1nm。

所述初激发脉冲激光器和再激发脉冲激光器均采用Nd:YAG调Q激光器，其发射激光的波长为1064nm，脉宽为6ns，脉冲能量为10～300mJ范围内可调。

附图说明：

图1为本发明结构示意图。

图2为图1的A—A剖视图。

具体实施方式：

如图1、图2所示，一种激光诱导元素分析装置，包括初激发脉冲激光器1、再激发脉冲激光器2、信号接收单元、数据分析单元4、控制单元5、以及空心球形约束装置6。

所述初激发脉冲激光器1，用于发射高能量的脉冲激光束来激发出待测样品7的等离子体。

所述再激发脉冲激光器2，用于发射高能量的脉冲激光束对由初激发脉冲激光器激发出的等离子体进行谐振再激发。

所述信号接收单元，用于接收采集所述经过谐振再激发后的等离子体的光谱信号。

所述数据分析单元4，与信号接收单元的输出端连接，用于对信号接收单元采集到的光谱信号进行分析比对，以确定待测样品中所含元素的成分和/或含量。

所述控制单元5，与所述初激发脉冲激光器1、再激发脉冲激光器2、以及信号接收单元电连接，用于控制所述初激发脉冲激光器1和再激发脉冲激光器2的开启顺序、以及控制信号接收单元对等离子体信号的采集时间。

所述空心球形约束装置6，用于谐振增强等离子体信号，该球形约束装置的内部竖直设置有一与其球心相对的顶部用于水平放置待测样品7的支撑杆8，且该支撑杆8的高度可调，以使待测样品7的上表面刚好位于过球形约束装置6球心处的水平面上。

所述初激发脉冲激光器1所发射的脉冲激光束穿过球形约束装置6后垂直入射至待测样品7上表面中心位置，以激发出待测样品7的等离子体。

所述再激发脉冲激光器2包括若干台，各台再激发脉冲激光器2分别周向均匀间隔分布设置于过球形约束装置6球心处的水平面上，且各台再激发脉冲激光器2所发射的脉冲激光束穿过球形约束装置6后与待测样品7上表面处于同一水平面上水平入射至待测样品7上表面中心位置，以从空间上均匀地对等离子体进行谐振再激发，使等离子体内的粒子得到充分的撞击和压缩，可大大增强等离子体内所包含的各元素原子辐射光谱信号强度。

进一步地，所述再激发脉冲激光器2包括三台，各再激发脉冲激光器2所发射的激光束间的夹角为120度。

再进一步地，所述球形约束装置6的顶部开设有与其球心竖直正对的小孔61，所述初激发脉冲激光器1所发射的脉冲激光束经一反射镜及一透镜后穿过该小孔61并垂直入射至待测样品7上表面中心位置；而球形约束装置6上与过其球心的水平面相交位置处则绕周向均匀间隔开设有另外三个小孔62、63、64，所述三台再激发脉冲激光器2与该三个小孔一一对应，且三台再激发脉冲激光器2所发射的脉冲激光束经对应的透镜聚集后分别穿过对应小孔并与待测样品7上表面处于同一水平面上水平入射至待测样品7上表面中心位置。

更进一步地，所述信号接收单元包括探头31、光谱仪32、以及增强型CCD33；所述探头31和光谱仪32通过光纤34相互连接，且探头31位于所述开设于球形约束装置6顶部的小孔61的上方，用于通过该小孔61采集等离子体光谱信号并将采集到的光谱信号通过光纤34传输到光谱仪32；所述光谱仪32用于采集等离子体光谱信号中的光谱线信号；而所述增强型CCD33，连接于光谱仪32与数据分析单元4之间，用于对光谱线信号进行放大处理并转化为电信号传输到所述数据分析单元4，且该增强型CCD33还与所述控制单元5连接，用于控制对等离子体信号的采集时间。

具体地，所述球形约束装置6由两个大小相同的可拆卸的半球形铝壳组装而成。

再进一步地，所述球形约束装置6的下方还设有一固定基座9，所述支撑杆8的底部穿过所述球形约束装置6的下方并与固定基座9连接。

又进一步地，所述球形约束装置6的直径为10mm～20mm，厚度小于1mm。

再进一步地，所述小孔61、62、63、64的直径各为2mm。

再进一步地，所述光谱仪32为光栅光谱仪，其光谱范围为200nm～1000nm，分辨率为0.1nm。

再进一步地，所述控制单元5为数字延时发生器，所述数据分析单元4为计算机。

再进一步地，所述初激发脉冲激光器1和再激发脉冲激光器2均采用Nd:YAG调Q激光器，其发射激光的波长为1064nm，脉宽为6ns，脉冲能量为10～300mJ范围内可调。

再进一步地，所述支撑杆8为铝质圆柱形支撑杆，其直径为2mm。

为了便于利用本发明的装置来检测样品元素，在检测前可对待测样品进行预处理，用切割机、打磨机将待测样品处理成直径为2～5mm的薄圆片。

运用本发明装置对待测样品7进行样品元素检测分析的过程如下：

首先：在控制单元5的控制下，初激发脉冲激光器1所发射的激光束通过球形约束装置6顶部小孔61后垂直入射至待测样品7上表面，激发出等离子体。

其次，在控制单元5的控制下，三台再激发脉冲激光器2同时发射激光束从空间上均匀地对等离子体进行谐振再激发，三台再激发脉冲激光器2的激光束间的夹角各为120度，三束激光束的发射方向是以待测样品7为中心呈中心对称结构的，因此可以从空间上均匀地再次激发等离子体，使等离子体内的粒子得到充分的撞击和压缩，等离子体内所包含的各元素原子福射光谱的增强效果也会大大提高。

再次，在控制单元5的控制下，所述信号接收单元中的探头31通过位于球形约束装置6顶部的小孔61采集等离子体光谱信号，并通过光纤34传输到光谱仪32后至增强型CCD33，增强型CCD33对光谱线信号进行放大处理并转化为电信号传输到所述数据分析单元4，数据分析单元4将接收的信号与光谱数据库中各元素的光谱波长进行对比分析，可确定样品中所含元素的成分和含量。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明实施的范围，凡依本发明专利范围所做的同等变化与修饰，皆落入本发明专利涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种激光诱导元素分析装置，包括

初激发脉冲激光器，用于发射高能量的脉冲激光束来激发出待测样品的等离子体；

再激发脉冲激光器，用于发射高能量的脉冲激光束对由初激发脉冲激光器激发出的等离子体进行谐振再激发；

信号接收单元，用于接收采集所述经过谐振再激发后的等离子体的光谱信号；

数据分析单元，与信号接收单元的输出端连接，用于对信号接收单元采集到的光谱信号进行分析比对，以确定待测样品中所含元素的成分和/或含量；以及

控制单元，与所述初激发脉冲激光器、再激发脉冲激光器、以及信号接收单元电连接，用于控制所述初激发脉冲激光器和再激发脉冲激光器的开启顺序、以及控制信号接收单元对等离子体信号的采集时间；

其特征在于：还包括一用于谐振增强等离子体信号的空心球形约束装置，该球形约束装置的内部竖直设置有一与其球心相对的顶部用于水平放置待测样品的支撑杆，且该支撑杆的高度可调，以使待测样品的上表面刚好位于过球形约束装置球心处的水平面上；

所述初激发脉冲激光器所发射的脉冲激光束穿过球形约束装置后垂直入射至待测样品上表面中心位置，以激发出待测样品的等离子体；

所述再激发脉冲激光器包括若干台，各台再激发脉冲激光器分别周向均匀间隔分布设置于过球形约束装置球心处的水平面上，且各台再激发脉冲激光器所发射的脉冲激光束穿过球形约束装置后与待测样品上表面处于同一水平面上水平入射至待测样品上表面中心位置，以从空间上均匀地对等离子体进行谐振再激发。

2.根据权利要求1所述的一种激光诱导元素分析装置，其特征在于：所述再激发脉冲激光器包括三台，各再激发脉冲激光器所发射的激光束间的夹角为120度。

3.根据权利要求2所述的一种激光诱导元素分析装置，其特征在于：所述球形约束装置的顶部开设有与其球心竖直正对的小孔，所述初激发脉冲激光器所发射的脉冲激光束穿过该小孔后垂直入射至待测样品上表面中心位置；而球形约束装置上与过其球心的水平面相交位置处则绕周向均匀间隔开设有另外三个小孔，所述三台再激发脉冲激光器与该三个小孔一一对应，且三台再激发脉冲激光器所发射的脉冲激光束分别穿过对应小孔后与待测样品上表面处于同一水平面上水平入射至待测样品上表面中心位置。

4.根据权利要求3所述的一种激光诱导元素分析装置，其特征在于：所述信号接收单元包括探头、光谱仪、以及增强型CCD；所述探头和光谱仪通过光纤相互连接，且探头位于所述开设于球形约束装置顶部的小孔的上方，用于通过该小孔采集等离子体光谱信号并将采集到的光谱信号通过光纤传输到光谱仪；所述光谱仪用于采集等离子体光谱信号中的光谱线信号；而所述增强型CCD，连接于光谱仪与数据分析单元之间，用于对光谱线信号进行放大处理并转化为电信号传输到所述数据分析单元，且该增强型CCD还与所述控制单元连接，用于控制对等离子体信号的采集时间。

5.根据权利要求1、2、3或4所述的一种激光诱导元素分析装置，其特征在于：所述球形约束装置由两个大小相同的可拆卸的半球形铝壳组装而成。

6.根据权利要求1、2、3或4所述的一种激光诱导元素分析装置，其特征在于：所述球形约束装置的下方还设有一固定基座，所述支撑杆的底部穿过所述球形约束装置的下方并与固定基座连接。

7.根据权利要求1、2、3或4所述的一种激光诱导元素分析装置，其特征在于：所述球形约束装置的直径为10mm～20mm，厚度小于1mm。

8.根据权利要求3或4所述的一种激光诱导元素分析装置，其特征在于：所述小孔的直径各为2mm。

9.根据权利要求4所述的一种激光诱导元素分析装置，其特征在于：所述光谱仪为光栅光谱仪，其光谱范围为200nm～1000nm，分辨率为0.1nm。

10.根据权利要求1、2、3或4所述的一种激光诱导元素分析装置，其特征在于：所述初激发脉冲激光器和再激发脉冲激光器均采用Nd:YAG调Q激光器，其发射激光的波长为1064nm，脉宽为6ns，脉冲能量为10～300mJ范围内可调。