CN105758842B - 一种激光诱导击穿光谱分析仪的滤波系统 - Google Patents

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Abstract

一种激光诱导击穿光谱分析仪，能够同时进行至少一个成分的特征谱线的检测与分析，包括一滤波系统，对多波长复合光谱的光线进行分离，滤波系统包括：第一透镜组，衍射光栅和滤波元件，滤波元件至少包括一个入射/出射面和两个具有反射功能的表面，入射光线中的所需波长的光线经过滤波元件后，被与光线收集端子相间隔开的光线分离端子所接收，其余波长的光线被引导出滤波元件且不进入相应的光线分离端子形成干扰。

Description

一种激光诱导击穿光谱分析仪的滤波系统
技术领域
本发明属于光谱测量及成像技术领域，涉及一种激光诱导击穿光谱分析仪，尤其是基于光学元件组合实现多光谱的分离与高分辨成像。
背景技术
激光诱导击穿光谱分析仪需要对激光诱导等离子体产生的复合光谱进行分光，检测不同波段的峰强进行元素定性和定量分析，在全谱检测过程中分光方法大多采用光栅加CCD方式，对全波段光谱进行分光检测，然而在某些特定应用下，无需检测全波段光谱强度，仅需要检测某几个特定波长的光谱强度，在这种情况下大多采用滤波方式去除无效光谱，然而传统的滤波系统采用滤波镜和反射镜进行滤波分束，效果不好，导致激光诱导等离子体产生的光线波段光分离不清，对探测结果造成影响。同时，现有技术中为保证好的波段分离效果，需要采用大量的光学元件，导致成本提高，多个光学元件也对组装制造提出更高的要求。需要注意的是，分离过程中的干扰光线也会对测试结果产生影响，以往的技术中没有提出将待滤除光线引导出采集光路，彻底去除干扰光线的解决方案。
本发明提出的激光诱导击穿光谱分析仪能够克服现有技术中的上述问题。
发明内容
本发明的激光诱导击穿光谱分析仪，能够同时进行至少一个成分的特征谱线的检测与分析，包括：激光光源系统，其发出高能量脉冲激光通过透镜聚焦到样品表面；样品台，承载待测样品，被烧蚀的样品形成激光诱导等离子体，向四周发射多波长复合光谱的光线；光线收集端子，用于收集所述发射的多波长复合光谱的光线，并将其全部引导至滤波系统；光线分离端子，用于采集经所述滤波系统滤波后的所需波长的光线，并将其引导至光电检测器；其特征在于：所述滤波系统，对所述发射的多波长复合光谱的光线进行分离，滤波系统包括：第一透镜组，衍射光栅和滤波元件，滤波元件至少包括一个入射/出射面和两个具有反射功能的表面，入射光线中的所需波长的光线经过滤波元件后，被与光线收集端子相间隔开的光线分离端子所接收，其余波长的光线从不同于所述入射/出射面的表面从滤波元件出射，不进入相应的光线分离端子形成干扰。
优选地，第一透镜组具有负屈光度，至少包括具有正屈光度的第一透镜和具有负屈光度的第二透镜。
优选地，还包括第二透镜组，位于衍射光栅和滤波元件之间，并具有正屈光度和非球面表面，第二透镜组至少包括一复合透镜。
优选地，滤波元件为棱柱体，优选为三棱柱。
优选地，滤波元件至少包括以下表面：第一面为入射/出射面，第二面附有可控制角度的阵镜，第三面附有可控制角度的阵镜。
优选地，入射/出射面附加有滤光器或涂覆有滤光膜。
优选地，光线经第一面进入滤波元件内部，经第二面的阵镜反射至第三面，第三面的阵镜被控制以一定角度接收光线，并将所需波长的光线反射出第一面，所需波长的光线被与光线收集端子相间隔开的光线分离端子所接收。
优选地，入射光线进入滤波元件后，经第二面的阵镜反射至第三面，调整第二、三面的阵镜的角度，使其余波长的光束被反射后在第一面形成全内反射，并从第二面射出滤波元件。
优选地，入射光线进入滤波元件后，经第二面的阵镜反射至第三面，调整第二、三面的阵镜的角度，使其余波长的光线从第二面和/或第三面射出滤波元件。
优选地，所述第一透镜组中的第一透镜物侧面到第一透镜组中的最后一个透镜的像侧面的距离D1，与滤波系统总长度L比值为0.15<D1/L<0.3。
本发明的有益效果：本发明提出的激光诱导击穿光谱分析仪能够克服现有技术中滤波效果不佳、波段分离不清的技术问题。
附图说明
图1为激光诱导击穿光谱分析仪总体结构图。
图2为激光诱导击穿光谱分析仪的滤波系统组成图。
图3为激光诱导击穿光谱分析仪的滤波元件图。
具体实施方式
图1为激光诱导击穿光谱分析仪总体结构图。高能量脉冲激光通过透镜聚焦到样品表面，对样品进行灼烧，被烧蚀的样品形成激光诱导等离子体，向四周发射多波长复合光谱。发射的光线由光纤探测器的光线收集端子进行收集，引导到滤波系统，从而进一步采集所需波长的光线，进行后续的分析。图2为激光诱导击穿光谱分析仪的滤波系统，包括：具有负屈光度的第一透镜组1，第一透镜组1至少包括具有正屈光度的第一透镜L11和具有负屈光度的第二透镜L12；光线收集端子收集的多波长复合光谱光线通过第一透镜组1形成整体的光束整形，其中，具有正屈光度的第一透镜L11将光束整体收拢，再经由具有负屈光度的第二透镜L12整形扩散。光线经第二透镜L12到达衍射光栅2，衍射光栅2对不同波长的光线具有不同的衍射角度，不同波长的光线因此被分散开。由于衍射现象将带来色差等缺陷，造成聚焦及光斑形状缺陷等问题，本发明中在衍射光栅后方优选设计消除色差缺陷的第二透镜组，第二透镜组至少包括一复合透镜3。复合透镜至少具有一面为非球面，由此还能够进一步良好地修正外区像差，与不具有非球面的情况相比，即使光线经过透镜弯折很大，也能够良好的修正歪曲像差，从而能够利用较少的光学透镜实现系统的简化，对LIBS滤波系统进一步实现优化。复合透镜3将不同波长的光线以分散的角度全部引导至后方的滤波元件4。复合透镜3，优选由一凹透镜与一凸透镜组合形成的具有正光焦度的复合透镜。滤波元件4为棱柱形，优选为三角柱，第一面为入射和出射面，第二面部分覆盖有反射镜面7，第三面附有可控制角度的阵镜6。从复合透镜3射出的光线以相同波长为一束入射至滤波元件4。入射光线进入滤波元件4后，经第二面的反射镜面7反射至第三面，此时，阵镜6被控制以一定角度接收所需波长如λ1的光束，并将所需波长光束反射出第一面，被射出的波长为λ1的光束经过光学系统，被与光线收集端子相间隔开的光线分离端子所接收，再被进一步引导至光电检测器。为最大程度地避免滤光元件4中待滤除波长如λ2、λ3的光束被反射进入所需波长的光线分离端子，可调整阵镜的角度，将待滤除波长的光束被反射后在第一面形成全内反射，并从第二面未形成反射镜面的部分射出滤光元件；可选择地，调整第三面的阵镜的角度，使待滤除波长的光束被第三面的阵镜反射后直接从第二面未形成反射镜面的部分射出滤光元件，或者通过控制阵镜的角度，令待滤除波长的光束从第三面直接射出。从而，干扰光线被最大程度的引导出去。优选形成至少一个光线分离端子，对应收集不同波长的光线，入射/出射面上优选附加有滤光器5或涂覆有滤光膜，以滤除不需要的干扰光。
在另一实施方式中，如图3所示，第二面的反射镜面替换为附有可控制角度的阵镜8，从复合透镜3射出的光线以相同波长为一束入射至滤波元件4，入射光线进入滤波元件4后，经第二面的阵镜8反射至第三面，此时，第三面的阵镜被控制以一定角度接收所需波长如λ1的光束，并将所需波长光束反射出第一面，被射出的波长为λ1的光束经过光学系统，被与光线收集端子相间隔开的光线分离端子所接收，再被进一步引导至光电检测器。为最大程度地避免滤光元件中待滤除波长如λ2、λ3的光束被反射进入所需波长的光线分离端子，第二面和第三面的阵镜的角度被分别控制并相互配合，将待滤除波长的光束被第三面的阵镜6反射后在第一面形成全内反射，并从第二面射出滤光元件；可选择地，调整第三面的阵镜的角度，使待滤除波长的光束被第三面的阵镜反射后直接从第二面射出滤光元件，或者通过控制第三面阵镜6的角度，令待滤除波长的光束从第三面直接射出。从而，干扰光线被最大程度的引导出去。优选形成至少一个光线分离端子，对应收集不同波长的光线，入射面上优选附加有滤光器5或涂覆有滤光膜，以滤除不需要的干扰光。
其中，所述第一透镜组1中第一透镜L11物侧面到第二透镜L12的像侧面的距离D1，与滤波系统总长度L比值优选为0.15<D1/L<0.3，如果小于该下限会使滤波系统过大，如果超过该上限值，会造成光线入射到滤波元件入射面的入射角度过小，影响调制范围。同时，所述第一透镜组1的焦距︱F1︱与复合透镜3的焦距︱F2︱的比值，满足：0.65<︱F1︱/︱F2︱<0.72，在该范围内可获得更加良好的入射分布。
以上所述仅为本发明较佳实施例，并非用于限定本发明的实施范围，凡依照本发明专利范围所做出的同等变化与修饰，皆落入本发明专利涵盖的范围。

Claims (9)

1.一种激光诱导击穿光谱分析仪，能够同时进行至少一个成分的特征谱线的检测与分析，包括：激光光源系统，其发出高能量脉冲激光通过透镜聚焦到样品表面；样品台，承载待测样品，被烧蚀的样品形成激光诱导等离子体，向四周发射多波长复合光谱的光线；光线收集端子，用于收集所述发射的多波长复合光谱的光线，并将其全部引导至滤波系统；光线分离端子，用于采集经所述滤波系统滤波后的所需波长的光线，并将其引导至光电检测器；其特征在于：所述滤波系统，对所述发射的多波长复合光谱的光线进行分离，滤波系统包括：第一透镜组，衍射光栅和滤波元件，第一透镜组具有负屈光度，滤波元件至少包括一个入射/出射面和两个具有反射功能的表面，入射光线中的所需波长的光线经过滤波元件后，被与光线收集端子相间隔开的光线分离端子所接收，其余波长的光线从不同于所述入射/出射面的表面从滤波元件出射，且不进入相应的光线分离端子形成干扰。
2.根据权利要求1所述的激光诱导击穿光谱分析仪，还包括第二透镜组，位于衍射光栅和滤波元件之间，并具有正屈光度和非球面表面，第二透镜组至少包括一复合透镜。
3.根据权利要求1所述的激光诱导击穿光谱分析仪，滤波元件为棱柱体。
4.根据权利要求3所述的激光诱导击穿光谱分析仪，滤波元件至少包括以下表面：第一面为入射/出射面，第二面附有可控制角度的阵镜，第三面附有可控制角度的阵镜。
5.根据权利要求4所述的激光诱导击穿光谱分析仪，入射/出射面附加有滤光器或涂覆有滤光膜。
6.根据权利要求4或5所述的激光诱导击穿光谱分析仪，光线经第一面进入滤波元件内部，经第二面的阵镜反射至第三面，第三面的阵镜被控制以一定角度接收光线，并将所需波长的光线反射出第一面，所需波长的光线被与光线收集端子相间隔开的光线分离端子所接收。
7.根据权利要求6所述的激光诱导击穿光谱分析仪，入射光线进入滤波元件后，经第二面的阵镜反射至第三面，调整第三面的阵镜的角度，使其余波长的光束被第三面的阵镜反射后在第一面形成全内反射，并从第二面射出滤波元件。
8.根据权利要求6所述的激光诱导击穿光谱分析仪，入射光线进入滤波元件后，经第二面的阵镜反射至第三面，调整第三面的阵镜的角度，使其余波长的光线从第二面和/或第三面射出滤波元件。
9.根据权利要求1所述的激光诱导击穿光谱分析仪，所述第一透镜组中的第一透镜物侧面到第一透镜组中的最后一个透镜的像侧面的距离D1，与滤波系统总长度L比值为0.15<D1/L<0.3。
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