CN104897624B - 激光诱导击穿光谱与拉曼光谱联用系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种激光诱导击穿光谱与拉曼光谱联用系统，包括激光诱导击穿光谱仪、拉曼光谱仪，光电管，第一激光器、第二激光器，光路模块，上位机控制模块，硬件测控模块，电源模块，样品室。本发明实现了激光诱导击穿光谱技术和拉曼光谱仪的工作时序、自动定位和聚焦样品受激发的位置以及完成对激光诱导击穿光谱信号和拉曼散射光谱信号的自动采集和自动分析处理，可反馈被分析物质的元素成份和分子结构信息。

Description

激光诱导击穿光谱与拉曼光谱联用系统

技术领域

本发明涉及光电技术领域，尤其涉及一种激光诱导击穿光谱与拉曼光谱联用系统。

背景技术

激光诱导击穿光谱(Laser Induced Breakdown Spectroscopy,简称LIBS)是一种原子发射光谱技术，该技术将高能激光聚焦于样品表面，样品受激发产生激光诱导等离子体，通过光谱仪采集等离子体的发射光谱并且经过特定的光谱数据分析与处理实现对测试样品元素的定性和定量分析。相对于其他的分析技术，LIBS技术具有十分特殊的技术优势，包括实时检测样品、无需繁琐的样品处理过程、适用于各种形态的样品、可进行多元素测定、检测损耗小以及具备远距离探测能力等。LIBS技术作为一种新兴的元素分析技术将为分析领域带来众多的创新应用。它不仅弥补了传统分析方法的不足，特别是在微小区域材料分析、镀层或者薄膜分析、缺陷检测、珠宝鉴定、法医证据鉴定、粉末材料分析、合金分析等应用领域优势明显，而且LIBS技术还可以广泛应用于地质、煤炭、冶金、制药、环境、科研等不同领域。

拉曼散射技术(Raman)是一种非破坏性的分子光谱分析技术。拉曼散射效应是指一定频率的激光照射到样品表面时，物质中的分子吸收了部分能量，发生不同方式和程度的振动，比如原子的摆动和扭动、化学键的摆动和振动，然后散射出较低频率的光。频率的变化决定于散射物质的特性，不同原子团振动的方式是惟一的，因此可以产生特定频率的散射光，其光谱就称为“指纹光谱”，拉曼光谱反映了分子振动能级(点阵振动能级)与转动能级结构的相关特性，因此可以照此原理鉴别出构成物质的分子结构的信息。拉曼光谱技术提供快速、简单、可重复、无损伤的定性定量分析，它无需样品准备，样品可直接通过光纤探头或者通过玻璃、石英、和光纤测量。此外，拉曼技术一次可以同时覆盖50-4000波数的区间，可对有机物及无机物进行分析，是一种应用于物质分子结构研究的分析方法。

缺乏一种将激光诱导击穿光谱技术与拉曼散射光谱技术的联用的装置及适合的控制系统，不能实现在同一平台上对物质元素信息和分子结构的同时测定。

发明内容

本发明旨在提供一种激光诱导击穿光谱与拉曼光谱联用装置及其测控系统，实现了激光诱导击穿光谱技术和拉曼光谱仪的工作时序、自动定位和聚焦样品受激发的位置以及完成对激光诱导击穿光谱信号和拉曼散射光谱信号的自动采集和自动分析处理，可反馈被分析物质的元素成份和分子结构信息。

为达到上述目的，本发明是采用以下技术方案实现的：

本发明公开的激光诱导击穿光谱与拉曼光谱联用系统，包括激光诱导击穿光谱仪、拉曼光谱仪，光电管，第一激光器、第二激光器，光路模块，上位机控制模块，硬件测控模块，电源模块，样品室；所述硬件测控模块包括微处理器、接口电路、光电管信号处理电路、激光器触发电路、延时电路电性连接、光谱仪外触发电路；所述接口电路、光电管信号处理电路、延时电路、光谱仪外触发电路与微处理器电性连接，所述上位机控制模块与接口电路电性连接，所述激光器触发电路与延时电路电性连接，所述激光器触发电路与第一激光器、第二激光器电性连接，所述光谱仪外触发电路与激光诱导击穿光谱仪、拉曼光谱仪电性连接，所述光电管信号处理电路与光电管电性连接；所述光路模块与LIBS光谱仪、拉曼光谱仪连接。

光路模块完成对激光的反射和聚焦以及对光谱信号的收集；光电管用于检测第一激光器的激发时刻，其作用在于：光电管在第一激光器激发时将光信号转变为电信号，该电信号经过光电管信号处理电路处理后作为光谱仪的外触发信号采集光谱信息，这样激光器激发与光谱仪信号采集之间有一个时序间隔，避开激光器激发初期的噪声，提高光谱信号的信噪比，避免了测试结果中的背景噪声。

进一步的，所述样品室置于三维样品台上，所述三维样品台为电动三维样品台，所述硬件测控模块还包括电机驱动电路，所述电机驱动电路与微处理器电性连接，所述电动三维样品台的驱动电机与电机驱动电路电性连接。三维样品台可自动调整样品位置实现自动聚焦和激光烧蚀位置的变换。

优选的，所述光路模块包括第一扩束准直镜、第一二向色镜、第二扩束准直镜、第二二向色镜、第三二向色镜、双合聚焦镜、LIBS探头、拉曼探头；所述第一扩束准直镜、第二扩束准直镜的镜面相互垂直，所述第一二向色镜的两侧镜面分别与第一扩束准直镜、第二扩束准直镜的出射面成45度夹角，第一二向色镜的中心位于第一扩束准直镜、第二扩束准直镜轴线的交汇处；所述第二二向色镜、第三二向色镜的镜面平行、轴线重合，第二二向色镜、第三二向色镜的镜面与双合聚焦镜的轴线成45度夹角，第二二向色镜、第三二向色镜的中心位于双合聚焦镜的轴线上，第三二向色镜位于第三二向色镜和双合聚焦镜之间，所述第三二向色镜的中心位于第一扩束准直镜的轴线上，第一二向色镜位于第一扩束准直镜、第三二向色镜之间；第二扩束准直镜、双合聚焦镜位于第一扩束准直镜的轴线的同一侧；所述LIBS探头位于双合聚焦镜的侧面，所述拉曼探头与第三二向色镜分居第二二向色镜的两侧，拉曼探头位于双合聚焦镜的轴线上。

进一步的，本发明还包括CCD相机模块，所述上位机控制模块与CCD相机模块电性连接，所述样品室中设置有LED照明灯，所述硬件测控模块还包括LED驱动电路，所述LED驱动电路与微处理器电性连接，所述LED照明灯与LED驱动电路电性连接。

CCD相机模块完成对样品表面图像信息的采集。其中CCD相机焦点与激光光路焦点位于同一水平面上，根据相机采集的图像清晰程度可以定位三维样品台位置同时可以实时观测到激光在样品表面的烧蚀结果。

优选的，所述电源模块为开关电源模块。

优选的，所述第一激光器为1064nm脉冲激光器、第二激光器为532nm连续激光器。

优选的，所述驱动电机为步进电机。

优选的，所述上位机控制模块为包含控制软件的工控机。

本发明的工作原理如下：

上位机控制模块为搭载了控制软件的工控机，其中上位机控制软件以图形化的界面集合了对底层硬件系统的控制命令窗口和光谱数据结果显示窗口，包括激光器控制窗口、LIBS光谱显示窗口、拉曼光谱显示窗口、CCD相机图像显示及控制窗口、物质元素成份信息和分子结构信息显示窗口。

电源模块采用开关稳压方式，其输入为220V/50Hz交流电压，控制输出四路分别为+24V、+12V、-12V、+5V的直流电压，相对应的最大电流输出能力分别为3A、4A、0.7A、15A，满足了LIBS和Raman联用光谱系统各个功能部件的电源需求。

硬件测控模块包含光电管信号处理模块、激光器触发电路、延时电路、通信接口电路、样品室LED灯控制电路和样品室电机驱动控制电路，保证了整个系统中激光器、光谱仪、样品室照明和样品台的时序控制以及上位机和检测设备间光谱数据的传输要求。

光电管的作用是在1064nm激光器激发时将光信号转变为电触发信号，该电触发信号经过硬件测控模块处理后作为光谱仪的外触发信号采集光谱信息，这样激光器激发与光谱仪信号采集之间有一个时序间隔，提高了光谱信号的信噪比，避免了测试结果中的背景噪声。

CCD相机模块完成对样品表面图像信息的采集。其中CCD相机焦点与激光光路焦点位于同一水平面上，根据相机采集的图像清晰程度可以定位三维样品台位置同时可以实时观测到激光在样品表面的烧蚀结果。

第一激光器为1064nm脉冲激光器，第二激光器为532nm连续激光器，每个激光器都由低电压转高电压电路和激光生成光路，两种类型的激光器各自在样品表面激发并产生激光诱导击穿光谱和拉曼光谱。

激光诱导击穿光谱仪和拉曼光谱仪实现了对激光诱导击穿光谱和拉曼光谱的采集。

光路模块包含了若干反射镜、聚焦镜和光纤准直镜，其功能是对光路的改变和聚焦。光路系统完成了对1064nm激光反射和聚焦以及对532nm激光的聚焦。同时激光诱导击穿等离子体光谱信号经光纤准直镜聚合于接收光纤中，而拉曼光谱信号采用同轴原位接收方式，经双合聚焦镜收集准直、陷波滤波片过滤散射激光后进入接收光纤。

样品室是一个封闭的样品测试环境，其中的三维样品台模块包含了空间三个方向的步进电机及相应的驱动电路，实现了激光在样品表面的聚焦和激光烧蚀位置的自动改变。

本发明实现了激光诱导击穿光谱技术和拉曼光谱仪的工作时序、自动定位和聚焦样品受激发的位置以及完成对激光诱导击穿光谱信号和拉曼散射光谱信号的自动采集和自动分析处理，可反馈被分析物质的元素成份和分子结构信息。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为硬件测控模块的结构框图图；

图3为上位机测控软件结构示意图；

图4为光路系统结构示意图；

图中：1-工控机、2-电源模块、3-硬件测控模块、4-激光器、5-光谱仪模块、6-光路模块、7-光电管、8-CCD相机模块、9-样品室、10-微控制器、11-1064nm激光器触发电路、12-532nm激光器触发电路、13-串口通信电路、14-电机驱动电路、15-LED控制电路、16-延时电路、17-光电管信号处理电路、18-上位机测控软件、19-界面包括开关控制窗口、20-软件参数设置下拉菜单窗口、21-激光器参数设置窗口、22-光谱仪参数设置窗口、23-延时参数设置窗口、24-电机动作参数设置窗口、25-CCD图像显示窗口、26-状态参数显示窗口、27-拉曼光谱显示窗口、28-激光诱导击穿光谱显示窗口、29-光谱数据分析结果显示窗口、30-第一扩束准直镜、31-第一二向色镜、32-第二扩束准直镜、33-第二二向色镜、34-第三二向色镜、35-双合聚焦镜、36-LIBS探头、37-拉曼探头、38-第一激光器、39-第二激光器、40-样品台、41-LIBS光谱仪、42-拉曼光谱仪。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。

如图1所示，本发明公开的激光诱导击穿光谱与拉曼光谱联用系统，主体结构包括工控机1、电源模块2、硬件测控模块3、激光器模块4、光谱仪模块5、光路模块6、光电管7、CCD相机模块8、样品室9。

电源模块2为工控机1、硬件测控模块3、激光器模块4、光谱仪模块5提供直流低压工作电压。

工控机1与电源模块2连接获得稳态工作电压，同时分别以USB接口和串口与底层设备光谱仪模块5、CCD相机模块8和硬件测控模块3连接，进行信号通讯和数据传输。

硬件测控模块3与电源模块2连接获得稳态工作电压，与工控机连接进行控制指令传输，与激光器模块4连接来控制激光器触发，与光谱仪模块5连接来控制LIBS光谱仪采样触发，与光电管7连接接受来自光电管7的脉冲信号。

激光器模块4与电源模块2连接获得稳态工作电压，与硬件测控模块3连接获得激光触发脉冲指令，与光路模块6连接输出激光。

光谱仪模块5与电源模块2连接获得稳态工作电压，与工控机模块连接传输光谱数据，与样品室9连接采集光谱数据。

光路模块6与激光器模块4连接接受来自激光器模块4的激光，与样品室9连接向样品室9输出光路处理后的激光.

光电管7与光路模块6连接响应激光触发信号，与硬件测控模块3连接输出激光触发电信号。

CCD相机模块8与样品室9连接采集样品表面图像信息，与工控机1连接输出样品表面图像信息数据。

样品室9与硬件测控模块3连接接受电机控制指令，与光谱仪模块连接输出光谱信息，与光路模块6连接接受激发激光，与CCD相机模块8连接输出样品表面图像信息。

如图2所示，硬件测控模块3内部结构包括微控制器10、1064nm激光器触发电路11、532nm激光器触发电路12、串口通信电路13、电机驱动电路14、LED控制电路15、延时电路16、光电管放大电路17。

微控制器10与1064nm激光器触发电路11输出1064nm激光器触发脉冲，与532nm激光器12连接输出532nm激光器开关命令，与串口通信电路13连接接受串口命令，与电机驱动电路14连接输出电机步进命令，与LED控制电路连接输出LED开关命令，与延时电路连接输出延时参数命令。

1064nm激光器触发电路11与微控制器10连接接收1064nm激光器触发命令。

532nm激光器12与微控制器10连接接收532nm激光器开关命令。

串口通信电路13与微控制器10连接传输系统串口控制命令。

电机驱动电路14与微控制器10连接接收电机步进命令。

LED控制电路15与微控制器10连接接收LED开关命令。

延时电路16与微控制器10连接接收延时参数命令。

光电管信号处理电路17与延时电路16连接输出触发脉冲信号。

如图3所示，上位机测控软件18界面包括开关控制窗口19、软件参数设置下拉菜单窗口20、激光器参数设置窗口21、光谱仪参数设置窗口22、延时参数设置窗口23、电机动作参数设置窗口24、CCD图像显示窗口25、状态参数显示窗口26、拉曼光谱显示窗口27、激光诱导击穿光谱显示窗口28、光谱数据分析结果显示窗口29。

如图4所示，光路模块6包括第一扩束准直镜30、第一二向色镜31、第二扩束准直镜32、第二二向色镜33、第三二向色镜34、双合聚焦镜35、LIBS探头36、拉曼探头37；第一扩束准直镜30、第二扩束准直镜32的镜面相互垂直，第一二向色镜31的两侧镜面分别与第一扩束准直镜30、第二扩束准直镜32的出射面成45度夹角，第一二向色镜31的中心位于第一扩束准直镜30、第二扩束准直镜32轴线的交汇处；第二二向色镜33、第三二向色镜34的镜面平行、轴线重合，第二二向色镜33、第三二向色镜34的镜面与双合聚焦镜35的轴线成45度夹角，第二二向色镜33、第三二向色镜34的中心位于双合聚焦镜35的轴线上，第三二向色镜33位于第三二向色镜34和双合聚焦镜35之间，第三二向色镜34的中心位于第一扩束准直镜30的轴线上，第一二向色镜31位于第一扩束准直镜30、第三二向色镜之间34；第二扩束准直镜32、双合聚焦镜35位于第一扩束准直镜30的轴线的同一侧；LIBS探头36位于双合聚焦镜35的侧面，拉曼探头37与第三二向色镜34分居第二二向色镜的两侧33，拉曼探头37位于双合聚焦镜35的轴线上；样品台40置于双合聚焦镜35的正下方。

本发明的工作原理如下：

电源模块2采用开关稳压模式，以220V交流电压作为输入电压，输出四种低稳态电压为工控机1、硬件测控模块3、激光器模块4、光谱仪模块5提供工作电压。工控机1采用基于X86的windows 7系统，集成了自主开发的LIBRAS测控软件，该软件以图形化的方式完成了对底层硬件参数的设置和光谱信息的显示。首先根据CCD图像显示窗口25里摄取的样品表面图像在电机动作参数设置窗口24中向硬件测控模块3输出电机动作命令，硬件测控模块3里的微控制器10通过串口通信电路13接收该命令后向电机驱动电路14输出信号控制电机动作从而捕捉光路在样品表面的焦点位置，继而分别在激光器参数设置窗口21、光谱仪参数设置窗口22、延时参数设置窗口23中输入相应命令，系统软件将命令传给底层硬件。其中光谱仪模块5根据系统命令确定光谱仪相关系数，而硬件测控模块3里的微控制器10通过串口通信电路13接收到系统命令后向1064nm激光器触发电路11或者532nm激光器触发电路12输出激光器触发脉冲，以及控制延时电路16的延时时间。当在开关控制窗口19中触发LIBS模式时，硬件测控模块3接到该上位机命令，微控制器10首先向LED控制电路15发出关闭LED命令，然后控制1064nm激光器触发电路11发出激光器脉冲触发信号，激光器模块4中的1064nm激光器接到该触发信号发出脉冲激光，脉冲激光进入光路模块6中的扩束准直镜30，同时第一二向色镜31具有1064nm激光透射能力，而第二二向色镜34具有1064nm激光高反射能力，最终1064nm激光进入双合聚焦镜35将光斑聚焦于样品表面激发产生激光诱导等离子体。在1064nm激光器发射激光的同时，光电管7检测到1064nm激光信号后转换成电信号，该电信号经过光电管信号处理电路17后触发延时电路16，延时电路16根据设定的延时时间参数将触发信号经过一定的延时以及脉宽处理作为触发光谱仪模块5中的LIBS光谱仪41的信号，激光诱导击穿光谱仪收到该触发信号后即通过LIBS探头38对样品表面的激光诱导等离子体进行光谱信号采集，最终光谱信息传输给工控机1后在上位机测控软件18中的激光诱导击穿光谱显示窗口28中显示，整个过程结束后微控制器10向LED控制电路15发出开启LED命令。当在开关控制窗口19中触发拉曼模式时，硬件测控模块3接到该上位机命令，微控制器10首先向LED控制电路15发出关闭LED命令，然后控制532nm激光器触发电路12发出激光器触发信号，激光器模块4中的532nm激光器接到该触发信号发出连续激光，连续激光进入光路模块6中的扩束准直镜32，同时第一二向色镜31具有532nm激光高反射能力，而第二二向色镜34具有532nm激光透射能力，最终532nm激光进入双合聚焦镜35将光斑聚焦于样品表面激发产生拉曼光谱。此时光谱仪模块5中的拉曼光谱仪42通过拉曼探头37采集拉曼信号后最终光谱信息传输给工控机1后在位机测控软件18中的拉曼光谱显示窗口27中显示，整个过程结束后微控制器10向LED控制电路15发出开启LED命令。软件参数设置下拉菜单窗口20对上位机测控软件18中的软件参数进行设置。上位机测控软件18对激光诱导击穿光谱和拉曼光谱进行数据分析后的样品元素信息以及样品分析结构信息会在光谱数据分析结果显示窗口29中显示。状态参数显示窗口26将在整个测量过程中显示软件工作参数信息。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种激光诱导击穿光谱与拉曼光谱联用系统，其特征在于：包括激光诱导击穿光谱仪、拉曼光谱仪，光电管，第一激光器、第二激光器，光路模块，上位机控制模块，硬件测控模块，电源模块，样品室；所述硬件测控模块包括微处理器、接口电路、光电管信号处理电路、激光器触发电路、延时电路电性连接、光谱仪外触发电路；所述接口电路、光电管信号处理电路、延时电路、光谱仪外触发电路与微处理器电性连接，所述上位机控制模块与接口电路电性连接，所述激光器触发电路与延时电路电性连接，所述激光器触发电路与第一激光器、第二激光器电性连接，所述光谱仪外触发电路与激光诱导击穿光谱仪、拉曼光谱仪电性连接，所述光电管信号处理电路与光电管电性连接；所述光路模块与LIBS光谱仪、拉曼光谱仪连接；所述光电管将激光信号转换成电信号，所述电信号经过所述光电管信号处理电路后触发所述延时电路，所述延时电路根据设定的延时时间参数将触发信号经过延时及脉宽处理后作为触发所述激光诱导击穿光谱仪的信号 ；

所述光路模块包括第一扩束准直镜、第一二向色镜、第二扩束准直镜、第二二向色镜、第三二向色镜、双合聚焦镜、LIBS探头、拉曼探头；所述第一扩束准直镜、第二扩束准直镜的镜面相互垂直，所述第一二向色镜的两侧镜面分别与第一扩束准直镜、第二扩束准直镜的出射面成45度夹角，第一二向色镜的中心位 于第一扩束准直镜、第二扩束准直镜轴线的交汇处；所述第二二向色镜、第三二向色镜的镜面平行、轴线重合，第二二向色镜、第三二向色镜的镜面与双合聚焦镜的轴线成45度夹角，第二二向色镜、第三二向色镜的中心位于双合聚焦镜的轴线上，第三二向色镜位于第三二向色镜和双合聚焦镜之间，所述第三二向色镜的中心位于第一扩束准直镜的轴线上，第一二向色镜位于第一扩束准直镜、第三二向色镜之间；第二扩束准直镜、双合聚焦镜位于第一扩束准直镜的轴线的同一侧；所述LIBS探头位于双合聚焦镜的侧面，所述拉曼探头与第三二向色镜分居第二二向色镜的两侧，拉曼探头位于双合聚焦镜的轴线上。

2.根据权利要求1所述的激光诱导击穿光谱与拉曼光谱联用系统，其特征在于：所述样品室置于三维样品台上，所述三维样品台为电动三维样品台，所述硬件测控模块还包括电机驱动电路，所述电机驱动电路与微处理器电性连接，所述电动三维样品台的驱动电机与电机驱动电路电性连接。

3.根据权利要求1所述的激光诱导击穿光谱与拉曼光谱联用系统，其特征在于：还包括CCD相机模块，所述上位机控制模块与CCD相机模块电性连接，所述样品室中设置有LED照明灯，所述硬件测控模块还包括LED驱动电路，所述LED驱动电路与微处理器电性连接，所述LED照明灯与LED驱动电路电性连接。

4.根据权利要求1所述的激光诱导击穿光谱与拉曼光谱联用系统，其特征在于：所述电源模块为开关电源模块。

5.根据权利要求1所述的激光诱导击穿光谱与拉曼光谱联用系统，其特征在于：所述第一激光器为1064nm脉冲激光器、第二激光器为532nm连续激光器。

6.根据权利要求2所述的激光诱导击穿光谱与拉曼光谱联用系统，其特征在于：所述驱动电机为步进电机。

7.根据权利要求1所述的激光诱导击穿光谱与拉曼光谱联用系统，其特征在于：所述上位机控制模块为包含控制软件的工控机。