CN104964951A - 一种增强型等离子体发光信号收集器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种增强型等离子体发光信号收集器。所述收集器包括一个椭球面反射镜以及一个半圆球面反射镜，所述椭球的通径等于圆球的直径，圆球的半径等于椭球两焦点距离，所述椭球面反射镜的开口边缘和半圆球面反射镜的开口边缘吻合从而构成一个封闭式收集光腔，所述椭球和圆球的交接线垂直于椭球长轴。该装置能提高收集立体角，大幅提高光的收集效率，优化收集光斑，拉远等离子体发光点与收集光纤探头距离，减少探头表面光学污染，延长光纤寿命。封闭式收集光腔隔绝外界环境，可以控制LIPS激发点所处的环境。

Description

一种增强型等离子体发光信号收集器

技术领域

本发明具体涉及一种增强型等离子体发光信号收集器，属于光信号接收器领域。

背景技术

LIPS技术是激光诱导等离子体光谱技术的简称，又称激光诱导击穿光谱技术(LIBS)或激光激发光谱技术(LSS)，将激光聚焦到一定高能量密度从而电离样品，产生激光诱导等离子体，在等离子体冷却过程中电子能级跃迁从而发射特征光谱，通过分析特征光谱可对样品所含元素进行定性和定量分析。LIPS不受样品外观的限制，可检测各种处于固态、液体、气溶胶形态的样品。此外，LIPS技术还有检测极限高(可以达到ppb量级)，测量速度快(短于一秒)、可远程非接触测量等优点。

LIBS技术的关键点在于提高获得的信号强度，一般情况下科研人员从三方面提高：富集样品(液体或者气体固态化等)，提高等离子体温度或者密度(提高激光能量，采用双脉冲技术，外加电场，加约束场等)，采用ICCD等。本装置拟利用提高收集立体角的方法提高探测信号强度。一般提高收集立体角的方法是拉近收集距离或者用F数较大的聚焦透镜来收集等离子体发光。在LIBS中加入椭圆和半圆球组合成的反射镜来提高收集立体角的方法作者在文献和专利中尚未找到。卡尔海因茨·施特罗布尔等人在其专利(利用椭球面反射镜的光学会聚和收集系统，申请号：94192947)中提到了利用椭球面反射镜收集点光源发射出的电磁辐射，如图1所示，该方法同样利用了椭圆的光学性质，将点光源放置在椭圆的一个焦点上，部分圆球面反射镜将光源发射出的光反射到椭圆反射镜上，反射镜将点光源发出的光以及圆面反射镜反射过去的光会聚到另一个焦点上，用光纤进行收集，半圆球球面和椭球面平行于椭球的长轴线，属于开放式收集腔。

发明内容

激光诱导等离子体光谱技术(LIPS)中探测灵敏度和收集到的信号强度相关，本发明旨在增强探测器收集到的信号，同时优化收集到的光斑形状(等离子体发光为彗星状，不利于收集)，增长光纤探头与等离子体的距离从而减小光学表面污染，延长寿命。

本发明利用椭球面反射镜和球面反射镜组合的方式增加光收集立体角。提供一种增强型等离子体发光信号收集器，所述收集器包括一个椭球面反射镜以及一个半圆球面反射镜，所述椭球的通径等于圆球的直径，圆球的半径等于椭球两焦点距离，所述椭球面反射镜的开口边缘和半圆球面反射镜的开口边缘吻合从而构成一个封闭式收集光腔，所述椭球和圆球的交接线垂直于椭球长轴。

进一步地，如上所述的增强型等离子体发光信号收集器，所述椭球面的剖面椭圆的两个焦点分别是所述半圆球面的球心和顶点。

进一步地，如上所述的增强型等离子体发光信号收集器，所述椭球长径，短径和圆球半径比例为： $a:b:r=\left(1+\sqrt{2}\right):\sqrt{2+2\sqrt{2}}:2.$

进一步地，如上所述的增强型等离子体发光信号收集器，所述顶点处设置光纤探头。

进一步地，如上所述的增强型等离子体发光信号收集器，所述椭球和圆球的交接处，一边放置一个凸透镜，另一边放置窗口或者光收集器。

本发明具有如下有益效果：

1：该装置能提高收集立体角，通过理论计算该装置对光的收集效率约为96％，相对于用透镜收集光斑(最大不超过28％)要高很多。

2：可以优化收集光斑，对于一个非特定光斑经过该装置收集后光斑形状改变成圆形，对于不要求成像质量的光路系统，这样的光斑更有利于光线收集。

3：拉远等离子体发光点与收集光纤探头距离，减少探头表面光学污染，延长光纤寿命。

4：封闭式收集光腔隔绝外界环境，可以控制LIPS激发点所处的环境。

附图说明

图1为现有技术中的等离子体发光信号收集器的结构示意图。

图2为本发明增强型等离子体发光信号收集器的剖面示意图。

图3为现有技术中的光斑通过凸透镜收集成像的示意图。

图4为本发明的光斑收集装置后成像的软件模拟示意图。

图5为本发明的LIBS聚焦光路分布图(俯视剖面图)。

图6为本发明的LIBS聚焦光路分布图(正视剖面图)。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图2所示，为本发明设计的收集装置的剖面图，包括一个椭球面反射镜以及一个半圆球面反射镜，所述椭球面反射镜的开口边缘和半圆球反射镜的开口边缘吻合从而构成一个封闭式收集光腔。虚线G左边的曲线为椭圆，右边为半圆，虚线F为椭圆的长轴线所在的直线，A点和B点为左边椭圆的两个焦点，同时A点是右边半圆的圆心，B点是右边半圆的顶点。A点为发光点，A点向左侧发出的光经过椭球面反射镜聚焦到另一个焦点B处(即A-C-B)，而A点向右半边发出的光经过半圆球面反射镜原路返回到A点，之后经过椭球面反射镜再次聚焦到B点(即A-D-A-E-B)，B点处光纤将会聚的光线收集至探测器中。椭球和圆球的交接线垂直于椭球长轴。椭球和圆球有固定的比例关系，椭球的通径等于圆球的直径，圆球的半径等于椭球两焦点距离，椭球长径，短径和圆球半径比例为： $a:b:r=\left(1+\sqrt{2}\right):\sqrt{2+2\sqrt{2}}:2.$

图3为现有技术中的光斑通过凸透镜收集成像的示意图，从左到右依次为原光斑、凸透镜和透镜成像。图4为本发明的光斑收集装置后成像的软件模拟示意图，其中左面的椭圆是图2中A点的光斑，右边的圆形是B点的光斑。如图3、4对比所示，本发明可以优化收集光斑，对于一个非特定光斑经过该装置收集后光斑形状改变成圆形，对于不要求成像质量的光路系统，这样的光斑更有利于光线收集。

以LIBS中检测气体等离子体为例，如图5所示，激光通过C点凸透镜聚焦到A点即图2中A点击穿空气产生等离子体，D处放窗口滤掉剩余激光或者放光收集器将剩余强激光收集掉。B处放置光纤探头(与图2中B点对应)，将聚焦到该点的等离子体发光收集到光纤中传输至探测器中。图6中上下两个管道分别为所测气体样品的进气口和出气口，由于激光聚焦到空气中激发的等离子体火焰为彗星状，故直接用凸透镜成像的形状也是长条的彗星状，而用来收集的光纤探头形状是圆形，降低了收集效率，而本装置利用软件模拟过程中彗星状光源通过椭圆会聚成一极小圆形焦斑，可以增大光纤收集效率。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (5)

1.一种增强型等离子体发光信号收集器，其特征在于：

所述收集器包括一个椭球面反射镜以及一个半圆球面反射镜，所述椭球的通径等于圆球的直径，圆球的半径等于椭球两焦点距离，所述椭球面反射镜的开口边缘和半圆球面反射镜的开口边缘吻合从而构成一个封闭式收集光腔，所述椭球和圆球的交接线垂直于椭球长轴。

2.如权利要求1所述的增强型等离子体发光信号收集器，其特征在于：

所述椭球面的剖面椭圆的两个焦点分别是所述半圆球面的球心和顶点。

3.如权利要求2所述的增强型等离子体发光信号收集器，其特征在于：

所述椭球长径，短径和圆球半径比例为：

4.如权利要求2或3所述的增强型等离子体发光信号收集器，其特征在于：

所述顶点处设置光纤探头。

5.如权利要求4所述的增强型等离子体发光信号收集器，其特征在于：

所述椭球和圆球的交接处，一边放置一个凸透镜，另一边放置窗口或者光收集器。