CN105606571B - 一种非球面反射式激光诱导光谱激发/收集系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种非球面反射式激光诱导光谱激发/收集系统，属于光谱探测技术领域。激光器发射激光脉冲经衰减器衰减后平行入射到抛物面反射镜上，经抛物面反射镜反射后聚焦到放置在其焦点处的置于采样室中的待测样品表面，诱导样品产生光辐射。该辐射光通过抛物面反射镜反射后准直成平行光，入射到离轴抛物面接收聚焦镜上，再经过离轴抛物面接收聚焦镜反射后聚焦到放置在其焦点处的全波段高分辨率光纤束的入射端面上，经全波段高分辨率光纤束传输后输入到光谱仪中。本发明实现了用一块抛物面反射镜进行激光激发和光谱收集，结构简单、安装调试方便，且相互之间不会干扰。

Description

一种非球面反射式激光诱导光谱激发/收集系统
技术领域
本发明涉及一种非球面反射式激光诱导光谱激发/收集系统，属于光谱探测技术领域。
背景技术
激光诱导光谱技术包括激光诱导荧光光谱、激光诱导击穿光谱以及激光诱导拉曼光谱等，是利用激光照射被测样品，诱导样品产生荧光、等离子辐射光或是拉曼频移光，通过光谱仪采集后对样品进行分析。以激光诱导击穿光谱(简称LIBS)为例，LIBS测量系统是将一束激光聚焦到被测样品表面，产生高温、高密度等离子体，通过采集等离子体光谱对被测样品进行分析。与其他传统分析手段相比，LIBS技术有许多显著优势：1)可以分析固态、气态和液态样品；2)无需样品预处理，能实现原位检测；3)对样品的损耗小；4)可实现远距离遥测分析；5)响应时间短，可实时同步检测；6)具有ppm级的检测限。
在激光诱导光谱测量系统中，一般是将激光诱导产生的光信号收集会聚到传导光纤中，利用光纤将其传至光谱仪中进行光谱测量。如何提高激光诱导光谱的激发/收集效率，从而提高光谱信号的强度，是需要解决的关键问题。
现有的激光诱导光谱测量系统的激发/收集系统大体可分以下两大类：
1.激光激发和光谱收集光路分离型：激光激发系统和光谱收集系统分别采用两套不同的光学系统，光路没有复用。其优点是激发系统和光谱收集系统的位置可按不同的目的和要求自由摆放，互不干扰；缺点是结构庞大，光路调整复杂。
2.激光激发和光谱收集光路复用型：激光激发系统和光谱收集系统采用共光路设计，利用镀膜的分束器或在反射镜中心打孔的方法，将用于激发的激光束与产生的光辐射分离。其优点是结构紧凑，光路调整方便；缺点是激光激发光路与光谱收集光路之间相互干扰，影响收集效率。
此外，以上所述的光谱收集系统多是采用透镜聚焦的方式将产生的光辐射收集进光纤中，聚焦透镜的光谱透过率也会对采集的激光诱导光谱造成影响。
发明内容
本发明的目的是为了解决复用型光谱激发/收集系统存在光路之间相互干扰的问题，提供一种非球面反射式激光诱导光谱激发/收集系统。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
一种非球面反射式激光诱导光谱激发/收集系统，包括激光器；衰减器；抛物面反射镜；采样室；离轴抛物面接收聚焦镜；全波段高分辨率光纤束；光谱仪；计算机。
各组成部分的连接关系为：激光器发射激光脉冲经衰减器衰减后平行入射到抛物面反射镜上，经抛物面反射镜反射后聚焦到放置在其焦点F处的置于采样室中的待测样品表面，诱导样品产生光辐射。该辐射光通过抛物面反射镜反射后准直成平行光，入射到离轴抛物面接收聚焦镜上，再经过离轴抛物面接收聚焦镜反射后聚焦到放置在其焦点F’处的全波段高分辨率光纤束的入射端面上，经全波段高分辨率光纤束传输后输入到光谱仪中。光谱仪对光辐射进行分光和采集，产生的光谱数据输入到计算机中进行处理和显示。
所述的激光器负责输出用于激发的激光脉冲，可以是一个输出单一波长激光的激光器，也可以是几个输出不同单一波长激光的激光器，或者是一个输出几种不同波长激光的激光器。输出几种不同波长激光时，可以是几种波长共窗口输出，也可以是分窗口输出；可以是几种波长同时输出，也可以是按照一定的时序关系分时输出。
所述的衰减器采用棱镜或是采用对激光有吸收作用的材料制作，起到连续或分档衰减激光能量的作用。
所述的抛物面反射镜采用玻璃或金属材料制作，并镀高反射率膜，起到反射激光和激光诱导光辐射的作用。
所述的采样室起到安放样品的作用，其中承载样品的平台具有三维精密调节功能。采样室可以是密封或开放式的，若是采用密封方式，需具有透射激光和激光诱导光辐射的窗口。此外，采样室还具有吹送保护气体的功能。
所述的离轴抛物面接收聚焦镜采用玻璃或金属材料制作，并镀高反射率膜，起到反射激光诱导光辐射并将其聚焦到光纤端面的作用。
所述的全波段高分辨率光纤束采用对整个探测光谱波段具有高透过率的材料制成，其作用是将接收到的激光诱导光辐射传送到光谱仪中。
所述具有高透过率的材料为：石英玻璃材料；
所述的光谱仪可以采用中阶梯光栅光谱仪、光纤光谱仪或其他形式光谱仪，其作用是得到所发射的激光诱导光谱。
所述的计算机可以采用任何形式的计算机，其作用是采集光谱仪的输出信号，得到所发射的激光诱导光谱数据。
有益效果
1、本发明的一种非球面反射式激光诱导光谱激发/收集系统，激光激发和光谱收集共用同一个抛物面反射镜，但不共光路，在保证了结构简单、安装调试方便的同时，相互之间也不会干扰；
2、本发明的一种非球面反射式激光诱导光谱激发/收集系统，所采用的抛物面反射镜为非球面反射式系统，无像差和色差，不同波长的激光可经抛物面反射镜聚焦到同一个理想焦点上，因此，对于多波长激光激发时，样品无需调整位置均能得到好的聚焦效果；
3、本发明的一种非球面反射式激光诱导光谱激发/收集系统，利用抛物面反射镜和离轴抛物面接收聚焦镜组合收集激光诱导光辐射，属于无像差和色差的光学系统，不同波段的光辐射都聚焦到同一个理想焦点上与光纤耦合，耦合效率高，大大降低了光谱测量的不确定度；
4、本发明的一种非球面反射式激光诱导光谱激发/收集系统，样品室可放置固体、气体、液体等任何形态样品，且可根据要求吹送保护气体。
5、本发明的一种非球面反射式激光诱导光谱激发/收集系统，显著提高了光谱的接收和检测效率，可广泛用于与激光诱导光谱技术相关的光谱收集、检测和诊断等多个技术领域。
附图说明
图1为本发明的非球面反射式新型多功能光谱激发/收集系统示意图。
其中，1-激光器，2-衰减器，3-抛物面反射镜，4-采样室，5-离轴抛物面接收聚焦镜，6-全波段高分辨率光纤束，7-光谱仪，8-计算机。
具体实施方式
为了更好地说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实施例对本发明内容作进一步说明。
本发明的一种非球面反射式新型多功能光谱激发/收集系统，包括激光器1、衰减器2、抛物面反射镜3、采样室4、离轴抛物面接收聚焦镜5、全波段高分辨率光纤束6、光谱仪7和计算机8，如图1所示。其中，激光器1负责产生用于激发的激光脉冲，可以是一个输出单一波长激光的激光器，也可以是几个输出不同单一波长激光的激光器，或者是一个输出几种不同波长激光的激光器。衰减器2采用棱镜或是采用对激光有吸收作用的材料制作，起到连续或分档衰减激光能量的作用。抛物面反射镜3采用玻璃或金属材料制作，并镀高反射率膜，起到反射激光和激光诱导光辐射的作用。采样室4起到安放样品的作用，其中承载样品的平台具有三维精密调节功能。离轴抛物面接收聚焦镜5采用玻璃或金属材料制作，并镀高反射率膜，起到反射激光诱导光辐射并将其聚焦到光纤端面的作用。全波段高分辨率光纤束6采用对整个探测光谱波段具有高透过率的材料制成，其作用是将接收到的激光诱导光辐射传送到光谱仪7中。光谱仪7可以采用中阶梯光栅光谱仪、光纤光谱仪或其他形式光谱仪，其作用是得到所发射的激光诱导光谱。计算机8可以采用任何形式的计算机，其作用是采集光谱仪的输出信号，得到所发射的激光诱导光谱数据。
激光器1、衰减器2和抛物面反射镜3按前后顺序依次排列，其中激光器1位于抛物面反射镜3的一侧，且发射光轴与抛物面反射镜3的光轴平行，衰减器2位于激光器1和抛物面反射镜3之间，其入射面垂直于激光器1出射光轴；定点采样室4位于抛物面反射镜3的焦点处，且保证其中安放的样品的被分析表面与抛物面反射镜3的光轴垂直；离轴抛物面镜5位于抛物面反射镜3的另一侧，且光轴与抛物面反射镜3的光轴平行；全波段高分辨率光纤束6的入射面位于离轴抛物面镜5的焦点处，另一端连接到光谱仪7的入射狭缝；光谱仪7和计算机8的位置随意摆放，之间通过信号线缆连接。
激光器1发射激光脉冲经衰减器2衰减后平行入射到抛物面反射镜3上，经抛物面反射镜3反射后聚焦到放置在其焦点F处的采样室4中的待测样品表面，诱导样品产生光辐射。该辐射光通过抛物面反射镜3反射后准直成平行光，入射到离轴抛物面反射镜5上，再经过离轴抛物面反射镜5反射后聚焦到放置在其焦点F’处的全波光纤束6的入射端面上，经光纤束传输后输入到光谱仪7中。光谱仪7对激光诱导光辐射进行分光和采集，产生的光谱数据输入到计算机9中进行处理和显示。
本实施例中选用玻璃(或金属)材料镀膜制成抛物面反射镜3，口径焦距f1＇＝100mm，为了便于加工和安装中心留有一个口径为的圆孔。采样室4放置在抛物面反射镜3的焦点附近，距光纤6的输入端面距离为H1＝60mm。离轴抛物面镜5的口径为焦距为f2＇＝168mm，离轴量为H2＝30mm，距抛面反射镜3的距离为H3＝300mm。光纤6的输入端面位于离轴抛物面镜5的焦点处。光纤光学系统图如图1所示。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例，用于解释本发明，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种非球面反射式激光诱导光谱激发/收集系统，其特征在于：包括激光器(1)；衰减器(2)；抛物面反射镜(3)；采样室(4)；离轴抛物面接收聚焦镜(5)；全波段高分辨率光纤束(6)；光谱仪(7)；计算机(8)；
各组成部分的连接关系为：激光器(1)发射激光脉冲经衰减器(2)衰减后平行入射到抛物面反射镜(3)上，经抛物面反射镜(3)反射后聚焦到放置在其焦点F处的置于采样室(4)中的待测样品表面，烧蚀样品产生高温高电子密度的微等离子体光辐射；该辐射光通过抛物面反射镜(3)反射后准直成平行光，入射到离轴抛物面接收聚焦镜(5)上，再经过离轴抛物面接收聚焦镜(5)反射后聚焦到放置在其焦点F’处的全波段高分辨率光纤束(6)的入射端面上，经全波段高分辨率光纤束(6)传输后输入到光谱仪(7)中；光谱仪(7)对等离子体光辐射进行分光和采集，产生的光谱数据输入到计算机(8)中进行处理和显示。
2.如权利要求1所述的一种非球面反射式激光诱导光谱激发/收集系统，其特征在于：所述的激光器(1)负责产生激发等离子体的激光脉冲，是一个输出单一波长激光的激光器、几个输出不同单一波长激光的激光器，或者是一个输出几种不同波长激光的激光器。
3.如权利要求1或2所述的一种非球面反射式激光诱导光谱激发/收集系统，其特征在于：所述的激光器(1)输出几种不同波长激光时，几种波长共窗口输出、或者分窗口输出；所述几种波长同时输出或者按照时序关系分时输出。
4.如权利要求1所述的一种非球面反射式激光诱导光谱激发/收集系统，其特征在于：所述的衰减器(2)采用棱镜或是采用对激光有吸收作用的材料制作，起到连续或分档衰减激光能量的作用。
5.如权利要求1所述的一种非球面反射式激光诱导光谱激发/收集系统，其特征在于：所述的抛物面反射镜(3)采用玻璃或金属材料制作，并镀高反射率膜，起到反射激光和等离子体光辐射的作用。
6.如权利要求1所述的一种非球面反射式激光诱导光谱激发/收集系统，其特征在于：所述的采样室(4)起到安放样品以及吹送保护气体的作用，其中承载样品的平台具有三维精密调节功能；采样室是密封或开放式的，若是采用密封方式，需具有透射激光和等离子体光辐射的窗口。
7.如权利要求1所述的一种非球面反射式激光诱导光谱激发/收集系统，其特征在于：所述的离轴抛物面接收聚焦镜(5)采用玻璃或金属材料制作，并镀高反射率膜，起到反射等离子体光辐射并将其聚焦到光纤端面的作用。
8.如权利要求1所述的一种非球面反射式激光诱导光谱激发/收集系统，其特征在于：所述的全波段高分辨率光纤束(6)采用对整个探测光谱波段具有高透过率的材料制成，其作用是将接收到的等离子体光辐射传送到光谱仪中。
9.如权利要求1所述的一种非球面反射式激光诱导光谱激发/收集系统，其特征在于：所述的光谱仪采用中阶梯光栅光谱仪、光纤光谱仪，其作用是得到所发射的等离子体光谱。
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