CN104914076B - 一种光声式激光击穿检测装置 - Google Patents
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Abstract
一种光声式激光击穿检测装置，包括检测光路系统和电学系统；其中检测光路系统包括光声吸收腔、激发光源和检测光源，所述光声吸收腔内设置样品池和微音探测器；工作时，在样品池中放置待测物质，激发光聚焦入射到待测物质上，待测物质由于吸热而形成纳米粒子云团并扩散到腔中，检测光入射到光声池中被纳米粒子云团中的成分吸收而产生光声效应，通过微音探测器探测到的声波强度而推算云团中物质的含量，进而推算待测物质中某一成分的含量。因工作时先将光声吸收腔中被抽真空，被激发的纳米粒子云团在腔中扩散且气压很小，所以谱线加宽效应很小，被探测的谱线容易和其他谱线区分，且低气压状态下的噪声很小，具有高灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及光谱测量技术领域，特别是一种使用光声光谱法的激光诱导击穿检测装置，适用于物质浓度定量分析。
背景技术
激光诱导击穿光谱法是一种激光烧灼式光谱分析方法，激光经过透镜聚焦到待测物质上(可以是固体、液体或气体)，当激光的能量密度大于待测样品击穿阈值时，先会产生纳米粒子云团，激光继续照射就会产生等离子体，这种等离子体的局部能量密度及温度非常高，用光谱仪收集待测样品等离子体表面产生的发射谱线的信号，就可以根据发射谱线的强度而定量分析里面物质的浓度。
光声光谱法一种基于光声效应发展起来的光谱技术。用一束强度可调制的单色光照射到密封于光声池中的样品上，样品吸收光能，并以释放热能的方式退激，释放的热能使样品和周围介质按光的调制频率产生周期性加热，从而导致介质产生周期性压力波动，这种压力波动可用灵敏的微音器检测，并通过放大得到光声信号，这就是光声效应。若入射单色光波长可变，则可测到随波长而变的光声信号图谱，即为光声光谱。
目前的使用激光诱导击穿光谱法的检测极限为ppm量级，存在检测灵敏度较低的问题。而使用光声光谱法检测气体其检测灵敏度可以达到ppb甚至ppt量级，但如果直接检测固体物质，则由于存在谱线加宽而导致检测灵敏度下降以及谱线难以区分。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种适用性广并具有高检测极限的光声式激光击穿检测装置。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：
一种光声式激光击穿检测装置，包括检测光路系统和电学系统，所述检测光路系统包括光声吸收腔、激发光源和检测光源，其中：
所述光声吸收腔包括腔体、入射窗口、激发聚光窗口、样品池以及气口，腔体可以是圆柱状，也可以是球状等其它适合的形状；腔体上设置可关闭的气口，前端设置入射窗口供检测光入射，关闭气口后形成密闭腔；腔体中段上方留有激发聚光窗口，样品池位于腔体中，与激发聚光窗口相对，待测物质置于样品池中；所述激发光源出射的激发光后对准样品池；所述检测光源出射的检测光经过检测光聚焦透镜后自入射窗口入射光声吸收腔。
所述电学系统包括激发光源控制器、检测光源控制器、微音探测器、信号放大单元和主机，其中：所述激发光源控制器连接控制激发光源；检测光源控制器连接控制检测光源，所述主机连接控制激发光源控制器和检测光源控制器；所述微音探测器嵌置于所述光声吸收腔的腔体中，微音探测器通过信号放大单元连接主机信号输入端。
优选的，所述激发光源使用脉冲激光光源。激发光源可以是紫外光源、可见光源或者红外光源，波段不受限制；可以是固体激光器，半导体激光器，气体激光器；可以是连续光源，也可以是脉冲光源，但以脉冲光源为佳。
优选的，所述检测光源为激光器、空心阴极灯或氙灯，也可以使其他光源，波段不受限制。
优选的，所述光声吸收腔在激发光入射前为真空状态。
优选的，所述样品池为可升降的移动样品池，可调整待测物质位置。
优选的，在检测光聚焦透镜和入射窗口间设置有斩波器。斩波器的作用是提供调制信号给检测光源，周期性调制检测光源的输出光频率。
进一步优选的，信号放大单元包括前置放大器和锁相放大器，所述微音探测器连接前置放大器，所述锁相放大器输入端连接前置放大器和斩波器，输出端连接主机；斩波器对检测光进行斩波，使得检测光有一定的规律，然后该信号由斩波器输入到锁相放大器的参考信号输入端，另外一路的微音探测器检测到的信号通过前置放大器把信号放大并输入到锁相放大器中，锁相放大器根据斩波器输入的信号规律对由前置放大器输入的信号进行提取，这样信噪比就得到提高，探测灵敏度更高。
本发明采用的技术方案原理为：在一个光声池中放置待测物质，激发光聚焦入射到待测物质上，待测物质由于吸热而形成纳米粒子云团并扩散到腔中，检测光入射到光声池中被纳米粒子云团中的成分吸收而产生光声效应，通过微音探测器探测到的声波强度而推算云团中物质的含量，进而推算待测物质中某一成分的含量。
本发明技术方案的有益效果为：利用光声效应提高了激光诱导击穿检测极限，且克服了现有光声光谱法不适用于固体检测的问题，保证了检测的灵敏度。
附图说明
图1a为本发明检测装置光声吸收腔结构正视图；
图1b为本发明检测装置光声吸收腔结构仰视图；
图2为本发明光声式激光击穿检测装置系统结构示意图。
其中：
1：光声吸收腔；1-0：腔体；1-1：入射窗口；1-2：出射窗口；1-3：激发聚光窗口；1-4：移动样品池；1-5：气口；2：激发光源；2-1：激发光源控制器；3：检测光源；3-1：检测光源控制器；3-2：检测光聚焦透镜；4：斩波器；5：微音探测器；6：信号放大单元；6-1：前置放大器；6-2：锁相放大器；7：主机；8：待测物质；
A：激发光；B：检测光。
具体实施方式
以下结合附图通过实施例对本发明做进一步说明，以便更好地理解本发明。
实施例1
图2所示为检测装置整体结构，微音探测器5检测到的信号通过前置放大器6-1把信号放大，斩波器4的作用是提供调制信号给检测光源3，周期性调制检测光源3的输出光频率。前置放大器6-1和斩波器4的信号同时输入到锁相放大器6-2中，锁相放大器6-2的信号输出到主机7中进行数据采集，同时主机7还与光源控制器1和光源控制器2相连，通过光源控制器可以控制两个光源的开关时间。
图1a和1b所示为光声吸收腔1的具体结构，其中光声吸收腔1两端嵌置相对的入射窗口1-1和出射窗口1-2以供检测光穿过，本发明采用光声吸收方式，因此也可省去出射窗口1-2。待测物质8放置于腔体1-0内的移动样品池1-4中，工作前光声吸收腔1被抽真空以防止空气中其它成分的干扰；激发光A通过腔体1-0中段上部的激发聚光窗口1-3而聚焦到标准样品上，激光的照射时间t1以刚好使得物质产生纳米粒子云团为准，经过时间t2，纳米粒子云团在光声吸收腔1内得到一定扩散；此时打开检测光源3，检测光B通过检测光聚焦透镜3-2入射入射窗口1-1，在腔内穿过纳米粒子云团，云团中的某些成分吸收检测光B而产生光声效应，声波被腔体1-0侧壁嵌置的微音探测器5探测而产生信号。
测量待测物质前，先测量标准样品，标准样品中的某一成分含量已知，设为a1，测量过程如待测物质，由微音探测器探测到的信号强度为A1；然后放置待测物质8，如微音探测器5探测到的信号强度为A2。通过公式：
可以推算出待测物质8中某一物质的浓度a2。
微音探测器5探测到的光声电压信号S可以表示为：
S＝SmPCɑ
其中C(Pa·cm/W)是光声腔常数，P(W)是入射的光功率，ɑ(cm-1)是吸收系数，Sm(V/Pa)是微音探测器的灵敏度。光声腔常数C与光声池的结构，测试条件和调制频率有关，具体关系是：
C＝(γ-1)LQ/f0V
其中L是腔长，γ是热容比，Q是品质因子，f0是谐振频率。如果调制频率和光声吸收腔1的谐振频率一致，光声信号就可以产生谐振增强效应，品质因子Q定义为：
Q＝f0/Δf
其中△f是谐振半峰宽，小半径纵向谐振腔的Q值通常在10-50。
本实施例中，激发光源2选择调Q的Nd:YAG激光器，波长为1064nm，激光能量为300mJ，激发光A光束激发聚光窗口1-3聚焦到很小的一个点，在激光照射的光斑区域，待测物质8中的材料被烧蚀剥离，并在样品上方形成纳米粒子云团；然后通过激发光源控制器2-1关闭激发光源2，通过检测光源控制器3-1打开检测光源3；检测光源3使用空心阴极灯。如检测的是Cu的含量，Cu的吸收谱线为324.7nm，空心阴极灯发射324.7nm波长的紫外光，被纳米粒子云团中的Cu分子吸收而产生光声效应，产生的声波被微音探测器5接收被转换为电信号，并被主机7中的数据采集装置采集。
实施例2
装置基本结构与实施例1相同，当需要检测Fe的含量时，因为Fe的吸收谱线为248.7nm，可以把检测光源3由空心阴极灯换为可调谐的紫翠宝石激光器(Cr3+:BeAl2O4)，紫翠宝石激光器的三次谐波波段为240-270nm，紫翠宝石激光器所发射的激光(三次谐波)被纳米粒子云团中的Fe分子吸收而产生光声效应。
应理解，上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于供本领域技术人员了解本发明的内容并据以实施，并非具体实施方式的穷举，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。
Claims (7)
1.一种光声式激光击穿检测装置，包括检测光路系统和电学系统，其特征在于：
所述检测光路系统包括光声吸收腔(1)、激发光源(2)和检测光源(3)，其中：
所述光声吸收腔(1)包括腔体(1-0)、入射窗口(1-1)、激发聚光窗口(1-3)、样品池以及气口(1-5)；腔体(1-0)上设置可关闭的气口(1-5)，前端设置入射窗口(1-1)，关闭气口(1-5)后形成密闭腔；腔体(1-0)中段上方留有激发聚光窗口(1-3)，样品池位于腔体(1-0)中，与激发聚光窗口(1-3)相对，待测物质(8)置于样品池中；
所述激发光源(2)出射的激发光(A)光路穿过所述激发聚光窗口(1-3)后对准所述样品池；所述检测光源(3)出射的检测光(B)光路经过检测光聚焦透镜(3-2)后自入射窗口(1-1)入射光声吸收腔(1)；
所述电学系统包括激发光源控制器(2-1)、检测光源控制器(3-1)、微音探测器(5)、信号放大单元(6)和主机(7)，其中：
所述激发光源控制器(2-1)连接控制激发光源(2)；检测光源控制器(3-1)连接控制检测光源(3)；所述主机(7)连接控制激发光源控制器(2-1)和检测光源控制器(3-1)；所述微音探测器(5)嵌置于所述腔体(1-0)中，微音探测器(5)通过信号放大单元(6)连接主机(7)信号输入端。
2.根据权利要求1所述的光声式激光击穿检测装置，其特征在于：所述激发光源(2)使用脉冲激光光源。
3.根据权利要求1所述的光声式激光击穿检测装置，其特征在于：所述检测光源(3)为激光器、空心阴极灯或氙灯。
4.根据权利要求1所述的光声式激光击穿检测装置，其特征在于：所述光声吸收腔(1)在激发光(A)入射前为真空状态。
5.根据权利要求1所述的光声式激光击穿检测装置，其特征在于：所述样品池为可升降的移动样品池(1-4)。
6.根据权利要求1至5任一项所述的光声式激光击穿检测装置，其特征在于：在检测光聚焦透镜(3-2)和入射窗口(1-1)间设置有斩波器(4)。
7.根据权利要求6所述的光声式激光击穿检测装置，其特征在于：所述信号放大单元(6)包括前置放大器(6-1)和锁相放大器(6-2)；所述微音探测器(5)连接前置放大器(6-1)；所述锁相放大器(6-2)输入端连接前置放大器(6-1)和斩波器(4)，输出端连接主机(7)。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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Effective date of registration: 20231127 Address after: 241000 Chungu 3D Printing Industrial Park, Fanchang Economic Development Zone, Wuhu City, Anhui Province Patentee after: Anhui Zhongke Spring Valley Laser Industry Technology Research Institute Co.,Ltd. Address before: No.18, Xinghe Road, Nanjing Economic and Technological Development Zone, Jiangsu Province, 210038 Patentee before: NANJING INSTITUTE OF ADVANCED LASER TECHNOLOGY |
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| TR01 | Transfer of patent right |