CN104849244A - 一种多脉冲激光诱导击穿光谱测量方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多脉冲激光诱导击穿光谱测量方法及系统，利用脉冲发生器控制时序，对激光脉冲和光谱采集进行外触发；同时，通过采用单台激光器实现了多脉冲输出，降低了双脉冲或多脉冲激光诱导击穿光谱测量系统搭建成本，提高了激光诱导击穿光谱信号测量质量，另外，且输出激光脉冲为共线多脉冲，无须进行额外的光路准直和调焦。

Description

一种多脉冲激光诱导击穿光谱测量方法及系统

技术领域

本发明涉及激光技术领域，尤其涉及一种多脉冲激光诱导击穿光谱测量方法及系统。

背景技术

多脉冲激光诱导击穿光谱技术是在激光诱导产生等离子体时输出两个及以上的激光脉冲对样品进行烧蚀。与单脉冲技术相比，多脉冲激光诱导击穿光谱技术不仅能够增强特征光谱信号强度、提高探测灵敏度及光谱的信背比，降低了检测极限，同时产生的特征光谱具有较小的相对标准偏差，这使其获得了更高的准确性及可重复性。

现有的应用于LIBS技术的基于单台激光器的多脉冲输出方法有主要有两种。一种是采用分束镜进行分束结合光路转折延时获得双脉冲输出效果，装置采用分束镜将出射激光分为两束，其中一束激光由直路光学传输装置直接聚焦到样品表面，另一束激光经过旁路光学传输装置调整激光聚焦方向达到与第一束激光聚焦位置相同，二者共同激发样品产生等离子体信号。两束激光延迟时间间隔由二者光程差决定。另一种是采用单台激光器的倍频模块结合光纤延时，利用Nd:YAG激光器的多波长输出特点，通过倍频晶体获得基频1064nm和二倍频532nm的混合光输出。输出的532nm激光垂直样品表面入射用于烧蚀样品，利用1064nm激光从平行样品表面方向入射，形成正交双脉冲激光诱导击穿光谱检测系统，其脉冲间延时通过大口径石英玻璃光纤传输1064nm激光来实现。但是，这两种方法均需要对输出激光进行分束，降低了单个激光脉冲能量，同时还需要额外的光路布置，增加了激光光源系统复杂度。

发明内容

本发明的目的是提供一种多脉冲激光诱导击穿光谱测量方法及系统，降低了系统搭建成本，提高了光谱质量，且输出激光脉冲为共线多脉冲，无须进行额外的光路准直和调焦。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种多脉冲激光诱导击穿光谱测量方法，该方法包括：

设置脉冲发生器输出脉冲个数、脉宽与时序参数，由脉冲发生器发出相应脉冲信号，来触发高压脉冲模块和光谱仪开始工作；当所述高压脉冲模块接收到脉冲发生器发出的脉冲信号后，所述高压脉冲模块输出一个氙灯触发信号触发氙灯，产生单个灯泵浦信号；再根据设置的脉冲个数、脉宽与时序参数给调Q晶体施加高压脉冲信号，实现在一个氙灯泵浦周期内，依次输出所设置脉冲个数的激光脉冲；当所述光谱仪接收到脉冲发生器发出的脉冲信号后，光谱仪对产生的所设置脉冲个数的激光诱导等离子体光信号进行采集，获得相应的多脉冲激光诱导击穿光谱信号。

所述设置的时序包括：氙灯触发信号频率及触发时间、氙灯触发信号和第一个高压脉冲信号之间延时、高压脉冲信号之间时间间隔，以及脉冲发生器发送至高压脉冲模块的脉冲信号与发送至光谱仪的脉冲信号之间的时间间隔；

所述高压脉冲个数为一个或多个。

包含所述调Q晶体的激光器为纳秒调Q固体激光器，输出激光为纳秒调Q脉冲激光。

由计算机预先设置脉冲发生器输出脉冲个数、脉宽与时序参数；

或者将输出脉冲个数与脉宽参数，以及触发光谱仪开始工作的时序参数直接固化在脉冲发生器，将高压脉冲模块工作相关的时序参数固化在高压脉冲模块中。

一种多脉冲激光诱导击穿光谱测量系统，该系统用于实现权利要求1-4任一项所述的方法，其包括：脉冲发生器、高压脉冲模块、激光器、激光脉冲处理模块与光谱仪；

所述脉冲发生器分别与高压脉冲模块及光谱仪相连，所述高压脉冲模块与激光器相连，所述激光脉冲处理模块一端与所述激光器相连，另一端与所述光谱仪相连。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，通过采用多高压脉冲调Q实现单台激光器的多脉冲输出，降低了多脉冲激光诱导击穿光谱系统搭建成本，提高了激光诱导击穿光谱信号测量质量，另外，且输出激光脉冲为共线多脉冲，无须进行额外的光路准直和调焦。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例一提供的一种多脉冲激光诱导击穿光谱测量方法的流程图；

图2为本发明实施例一提供的一种多脉冲激光诱导击穿光谱测量方法的原理图；

图3为本发明实施例一提供的基于本发明的方法测量到的双脉冲输出波形图；

图4为本发明实施例一提供的碳钢样品单脉冲和双脉冲激光诱导击穿光谱光谱段对比图；

图5为本发明实施例二提供的一种多脉冲激光诱导击穿光谱测量系统的结构示意图；

图6为本发明实施例二提供的高压脉冲模块原理图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

实施例一

图1为本发明实施例一提供的一种基于单台激光器的多脉冲激光诱导击穿光谱测量方法的流程图。如图1所示，该方法主要包括如下步骤：

步骤11、设置脉冲发生器输出脉冲个数、脉宽与时序参数，由脉冲发生器发出相应脉冲信号，来触发高压脉冲模块和光谱仪开始工作。

所述设置的时序包括：氙灯触发信号频率及触发时间、氙灯触发信号和第一个高压脉冲信号之间延时、高压脉冲信号之间时间间隔，以及光谱仪积分延迟时间(脉冲发生器发送至高压脉冲模块的脉冲信号与发送至光谱仪的脉冲信号之间的时间间隔)；

所述脉冲个数为一个或多个。

步骤12、当所述高压脉冲模块接收到脉冲发生器发出的脉冲信号后，所述高压脉冲模块输出一个氙灯触发信号触发氙灯，产生单个灯泵浦信号；再根据设置的脉冲个数、脉宽与时序参数给调Q晶体施加高压脉冲信号，实现在一个氙灯泵浦周期内，依次输出所设置脉冲个数的激光脉冲。

步骤13、当所述光谱仪接收到脉冲发生器发出的脉冲信号后，光谱仪对产生的所设置脉冲个数的激光诱导等离子体光信号进行采集，获得相应的多脉冲激光诱导击穿光谱信号。

具体来说，输出的激光脉冲经过反射镜转折光路后由聚焦透镜聚焦至样品表面，所产生的等离子体信号光通过采集透镜聚焦；所述脉冲发生器输出包含有预设的时序、脉冲个数与脉宽参数的脉冲信号后，延迟一段时间，输出脉冲信号至光谱仪，触发光谱仪进行光谱信号采集。

另外，本发明实施例中由计算机预先设置脉冲发生器输出脉冲个数、脉宽与时序参数；或者将输出脉冲个数与脉宽参数，以及触发光谱仪开始工作的时序参数直接固化在脉冲发生器，将高压脉冲模块工作相关的时序参数固化在高压脉冲模块中。

需要强调的是，本发明实施例中，高压脉冲电压、高压脉冲宽度、高压脉冲之间时间间隔，以及氙灯触发信号和第一个高压脉冲信号之间延时可根据不同的激光器进行优化，具体的数值可根据实际情况进行设定。

为了便于理解，下面结合一具体示例对上述步骤11～步骤13的过程做详细的说明。

本示例中，如图2所示，氙灯触发时间为T_Q，氙灯触发信号和第一个高压脉冲信号之间延时记为T_Q,Trig，高压脉冲信号之间时间间隔记为T_Trig，光谱仪积分时间为T_SpecInt，积分延迟时间为t_Spectrometer，具体的流程如下：

1、计算机控制脉冲发生器发出包含有预设的时序、脉冲个数与脉宽参数的脉冲信号至高压脉冲模块；

2、高压脉冲模块输出一个脉冲信号T_Q触发氙灯，产生单个灯泵浦周期；

3、经过所设定的延迟时间T_Q,Trig后，高压模块发出3500V高压信号V_Threshlod进行调Q输出，即产生激光脉冲Laser1；

4、再经过设定的时间间隔T_Trig后，高压模块再次发出3500V高压信号V_Threshlod进行第二次调Q输出，即产生第二个激光脉冲Laser2；

5、在调Q输出的同时，激光脉冲经过反射镜转折光路后由聚焦透镜聚焦至样品表面，所产生的等离子体信号光通过采集透镜聚焦。在t_Spectrometer时刻脉冲发生器发出脉冲触发光谱仪进行光谱信号采集，积分时间为T_SpecInt，所测得光谱信号传输至电脑进行后续分析和处理。

6、重复步骤2-步骤5即可实现连续的双脉冲激光诱导击穿光谱测量。

本示例中，可利用PIN光电探测器和示波器结合进行激光器双脉冲输出测试，图3所示为采用本发明实施例所提供的方法输出的激光脉冲波形。LIPS光谱测试时激光脉冲频率为1Hz，振荡级电压900V，放大级电压500V，光谱仪积分时间20ms，无积分延迟时间。图4为碳钢样品单脉冲和双脉冲激光诱导击穿光谱光谱段对比，其中，具有较高峰值的曲线为双脉冲激光曲线，具有较低峰值的曲线为单脉冲激光曲线。

本发明实施例的上述方案，利用脉冲发生器控制时序，对激光脉冲和光谱采集进行外触发；同时，通过采用单台激光器实现了多脉冲输出，降低了多脉冲激光诱导击穿光谱系统搭建成本，提高了激光诱导击穿光谱信号测量质量，另外，且输出激光脉冲为共线多脉冲，无须进行额外的光路准直和调焦。

实施例二

本发明实施例提供一种多脉冲激光诱导击穿光谱测量系统，该系统用于前述实施例一所述的方法，如图5所示，其包括：脉冲发生器(Pulse Generator)、高压脉冲模块(HVP Module)、激光器(Laser)、激光脉冲处理模块与光谱仪(Spectrometer)；

所述脉冲发生器分别与高压脉冲模块及光谱仪相连，所述高压脉冲模块与激光器相连，所述激光脉冲处理模块一端与所述激光器相连，另一端与所述光谱仪相连。

所述激光脉冲处理模块包括：反射镜(Mirror)、聚焦透镜(Focus lens)与采集透镜(Collection)；

激光器输出的激光脉冲经过反射镜转折光路后由聚焦透镜聚焦至样品(Sample)表面，所产生的等离子体信号光通过采集透镜聚焦。

该系统，还包括：分别与所述脉冲发生器及光谱仪相连的计算机(Computer)。

示例性的，本发明实施例中，所述采用研制的脉冲发生器可使用脉冲发生器ZKG027实现，由该脉冲发生器ZKG027进行时序控制，对激光脉冲和光谱采集进行外触发。氙灯触发信号电压12V，脉冲宽度500ns，上升沿触发；高压脉冲信号输出3个，电压5V，脉冲间隔20μs，脉冲宽度分别为200ns和500ns；第一个高压脉冲信号距氙灯触发信号键位为280μs。光谱仪型号可以为Avaspec-USB2，其触发信号1个，电压5V，脉宽500ns，上升沿触发。

本发明实施例中，用于输出脉冲高压的高压脉冲模块原理图如图6所示。首先，接收脉冲发生器发出的包含时序脉冲信号，然后，进行信号隔离并组合时序脉冲信号，再将组合后的时序脉冲放大并输出相应的高压脉冲。

需要说明的是，上述系统中包含的各个模块所实现的功能的具体实现方式在前面的各个实施例中已经有详细描述，故在这里不再赘述。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，仅以上述各模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将系统的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种多脉冲激光诱导击穿光谱测量方法，其特征在于，该方法包括：

设置脉冲发生器输出脉冲个数、脉宽与时序参数，由脉冲发生器发出相应脉冲信号，来触发高压脉冲模块和光谱仪开始工作；

当所述高压脉冲模块接收到脉冲发生器发出的脉冲信号后，所述高压脉冲模块输出一个氙灯触发信号触发氙灯，产生单个灯泵浦信号；再根据设置的脉冲个数、脉宽与时序参数给调Q晶体施加高压脉冲信号，实现在一个氙灯泵浦周期内，依次输出所设置脉冲个数的激光脉冲；

当所述光谱仪接收到脉冲发生器发出的脉冲信号后，光谱仪对产生的所设置脉冲个数的激光诱导等离子体光信号进行采集，获得相应的多脉冲激光诱导击穿光谱信号。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述设置的时序包括：氙灯触发信号频率及触发时间、氙灯触发信号和第一个高压脉冲信号之间延时、高压脉冲信号之间时间间隔，以及脉冲发生器发送至高压脉冲模块的脉冲信号与发送至光谱仪的脉冲信号之间的时间间隔；

所述高压脉冲个数为一个或多个。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，包含所述调Q晶体的激光器为纳秒调Q固体激光器，输出激光为纳秒调Q脉冲激光。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，

由计算机预先设置脉冲发生器输出脉冲个数、脉宽与时序参数；

或者将输出脉冲个数与脉宽参数，以及触发光谱仪开始工作的时序参数直接固化在脉冲发生器，将高压脉冲模块工作相关的时序参数固化在高压脉冲模块中。

5.一种多脉冲激光诱导击穿光谱测量系统，其特征在于，该系统用于实现权利要求1-4任一项所述的方法，其包括：脉冲发生器、高压脉冲模块、激光器、激光脉冲处理模块与光谱仪；

所述脉冲发生器分别与高压脉冲模块及光谱仪相连，所述高压脉冲模块与激光器相连，所述激光脉冲处理模块一端与所述激光器相连，另一端与所述光谱仪相连。