CN105784682A - 一种激光诱导击穿光谱检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光诱导击穿光谱检测装置及检测方法，包括光谱仪、计算机、激光光源、分光镜、第一透镜和第二透镜、空心光纤、刻度盘、光谱仪耦合探头；计算机控制光谱仪和激光光源的工作；分光镜将激光光源发出的单光束分开成相互垂直的两束激光，一束经过第一透镜聚焦到被测样品上实现预烧蚀，另一束激光经第二透镜聚焦到空心光纤中，从而对被测样品进行再烧蚀；刻度盘对经第一透镜聚焦到被测样品的光束与经第二透镜聚焦到空心光纤中光束的光束夹角进行标定，上述光束夹角能够在预定范围内自由调节；光谱仪耦合探头耦合激光诱导的等离子体光并传输到光谱仪中。通过采用上述技术手段，实现自由角度的探测，提高发射谱线的强度。

Description

一种激光诱导击穿光谱检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及光学设计和材料检测领域，尤其涉及一种激光诱导击穿光谱检测装置及检测方法。

背景技术

激光诱导击穿光谱技术(LaserInducedBreakdownSpectroscopy，简称LIBS)，是一种典型的发射光谱分析方法。由于激光具有良好的光束质量，聚焦到待测材料上的作用点极小，且激光和材料相互作用只发生在材料表面，破坏仅有微米量级，故可视为无损测量；同时激光具有良好的方向性，利用光纤传导或望远系统，可以实现远距离测量和深海探测；工业冶炼现场可以直接定量分析，故无需样品准备。

LIBS技术具有无需进行复杂样品预处理、多元素同时分析、可对固态、液态、气态样品进行测量、可实现远程无接触实时在线分析等优势，自从激光器发明以来，LIBS技术被广泛应用于冶金工业、考古分析、金属回收，生物医学和食品安全等领域。

另外，双脉冲激光诱导击穿光谱技术(DoublePulseLaserInducedBreakdownSpectroscopy，简称DP-LIBS)技术相比于SP-LIBS在光谱强度和检测精度方面有很大提高，但是，传统上激发方式大部分都是采用固定的正交、共轴模式，导致两个激光光束的夹角不易调节。

发明内容

基于上述问题，本发明旨在提供一种激光诱导击穿光谱检测装置及检测方法，基于空心光纤实现自由角度检测涂料中的重金属，操作方便，只需移动空心光纤即可完成检测操作。

首先，本发明提供一种激光诱导击穿光谱检测装置，包括用于获取光谱数据的光谱仪、计算机、用于产生激发击穿光谱的高能量光束的激光光源、分光镜、用于聚焦激光光束的第一透镜和第二透镜、空心光纤、刻度盘、光谱仪耦合探头；

所述计算机与所述光谱仪和所述激光光源分别相连，用于控制所述光谱仪和所述激光光源的工作；

所述分光镜将所述激光光源发出的单光束分开成相互垂直的两束激光，一束经过所述第一透镜聚焦到被测样品上实现预烧蚀，另一束激光经第二透镜聚焦到所述空心光纤中，从而在所述空心光纤中传输高能量光束对被测样品进行再烧蚀；

所述刻度盘对经所述第一透镜聚焦到被测样品的光束与经第二透镜聚焦到所述空心光纤中光束的光束夹角进行标定，上述光束夹角能够在预定范围内自由调节；

所述光谱仪耦合探头用于耦合激光诱导的等离子体光，并传输到所述光谱仪中。

优选地，根据本发明的激光诱导击穿光谱检测装置，所述预定范围为0°<θ<90°的范围。

本发明还提供一种激光诱导击穿光谱检测方法，采用本发明的上述激光诱导击穿光谱检测装置对被测样品中的重金属进行检测，所述被测样品为涂料材料，其包括：

所述计算机向所述激光光源发出工作指令，从激光光源发出一束高能量激光束；

从所述激光光源发出的激光束与分光镜成45°夹角，由所述分光镜将该激光束分成相互垂直的两束激光，从而实现单光束分离；

两束激光的一束激光经第一透镜直接聚焦到被测样品内的预定位置处，实现材料预烧蚀，用所述刻度盘将双脉冲烧蚀的光束夹角设定为规定角度；

另一束激光经过所述第二透镜聚焦到所述空心光纤中，将所述规定角度作为弯曲角度来调整所述空心光纤，所述空心光纤中传输的另一束激光直接激发等离子体，实现对被测样品的再烧蚀；

所述被测样品经过高能量激光预烧蚀和再烧蚀，转化为等离子体，并发射出元素谱线，计算机向光谱仪发出工作指令，开始收集等离子体光；

所述光谱仪耦合探头耦合激光诱导的等离子体光，并传输到光谱仪中形成光谱数据，存储在计算机中；以及

所述计算机对所获取的光谱数据进行在线实时原位处理分析，得到重金属元素检测结果。

优选地，根据本发明的激光诱导击穿光谱检测方法，所述预定位置为被测样品内的2mm位置处。

根据本发明的激光诱导击穿光谱检测方法，所述规定角度在0°<θ<90°范围内。

根据本发明的激光诱导击穿光谱检测方法，所述规定角度为30°。

根据本发明的激光诱导击穿光谱检测方法，所述规定角度为75°。

根据本发明的激光诱导击穿光谱检测装置，所述光谱仪以中阶梯光栅为主色散元件，经低色散元件进行交叉色散后，在焦面处形成二维谱图，该二维谱图被像增强型耦合器件探测、接收、数字化后，采用特定的谱图还原方法可以转换为高分辨率的一维光谱信息，同时可实现对光谱的时间分辨，找到以最优信背比为目标的采集延时时间和积分时间，并将光谱数据存储在所述计算机。

通过采用上述技术方案，本发明与现有技术相比具有如下的优点：

1.相比于普通光纤采用空心光纤可以传输高能量激光光束；

2.空心光纤可以自由调节，实现了0°<θ<90°范围内的单光源双脉冲烧蚀。

附图说明

图1是本发明实施例的激光诱导击穿光谱检测装置的结构图。

图2是本发明实施例的激光诱导击穿光谱检测装置的检测方法流程图。

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，以下结合附图和实施例将对本发明进一步详细说明。

需要说明的是，本发明实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对本发明实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。

本发明提出采用空心光纤传输一路激光，另一路光束固定，能够实现0°<θ<90°范围的自由调整，只需移动空心光纤即可完成操作，能够实现自由角度的探测，提高发射谱线的强度。

空心光纤(HollowFiber)是将光纤做成空心，形成圆筒状空间，由金属包层和空气或惰性气体芯组成。空心光纤主要用于能量传输，对从紫外到红外很宽的光谱范围高度透明，故适用于传输玻璃光纤所不能传输的高功率激光，可供X射线、紫外线和远红外线光能传播。空心光纤结构分为两种：一种是将玻璃做成圆筒状，其纤芯与包层原理与阶跃型光纤相同，利用空气与玻璃之间的全反射传播；另一种是使圆筒内面反射率接近于1，即选择对传输光具有高反射系数的包层材料或在管内形成高反射介质涂层以减少反射损耗，而且为了提高反射率，在筒内设置电介质，工作波长1064nm损害降低到几个dB/m。

涂料是家里使用面积最多、覆盖范围最广的建筑材料，市场上的涂料质量良莠不齐，一旦使用不合格的涂料，对家居环境造成污染，影响居住者的身体健康。涂料中的有毒物质主要有VOC(挥发性有机化合物)、TDI(甲苯二异氰酸脂)、甲醛、甲苯和可溶性重金属等。重金属是指密度大于4.5gcm^-3的金属，如铅、铬、镉和汞等，这些重金属是涂料显色的主要成分，其中铬是致癌物质，铅会抑制血红素的合成和溶血，由此造成贫血，对大脑、小脑、脊髓和周围神经造成损害，汞可以与酶蛋白的硫基结合，抑制多种酶的活力，阻碍细胞的新陈代谢，损害中枢神经系统及肝、肾功能，而镉中毒会使肌内萎缩关节变形，骨骼疼痛难忍，不能入睡，发生病理性骨折，以致死亡。重金属的主要危害途径有3种：皮肤接触、呼吸器官、消化器官。传统上，使用火焰原子吸收光谱或无焰原子吸收光谱法测定，需要用稀盐酸处理，实验步骤较多。而采用LIBS技术，则无需对样品进行预处理，能够直接对涂料中的重金属成分进行检测。

图1是本发明实施例的激光诱导击穿光谱检测装置的结构图。如该图1所示，本发明涉及的激光诱导击穿光谱检测装置包括：光谱仪1、计算机2、激光光源3、分光镜4、用于聚焦激光光束的透镜5和透镜6、空心光纤7、刻度盘8、被测样品9、光谱仪耦合探头10。光谱仪1和激光光源3分别与计算机2相连，光谱仪1用于获取光谱数据，计算机2控制光谱仪1和激光光源3的工作，激光光源3用于产生激发击穿光谱的高能量光束；分光镜4用于将激光光源3所发出的单光束分开成相互垂直的两束激光，一束经过透镜6聚焦到被测样品9上实现预烧蚀，另一束激光经透镜5聚焦到空心光纤7中，从而在空心光纤7中传输高能量光束实现对被测样品9进行自由角度的再烧蚀；刻度盘8对经透镜6聚焦到被测样品9的光束与经透镜5聚焦到空心光纤7中光束的光束夹角进行标定，该光束夹角能够在0°<θ<90°的范围内自由调整，从而实现了0°<θ<90°范围内的单光源双脉冲烧蚀；光谱仪耦合探头10用于耦合激光诱导的等离子体光，并经过光纤传输到光谱仪1中。

如上文所述，光谱仪1用于获取光谱数据，光谱仪功能分类主要有火花直读光谱仪、拉曼光谱仪、中阶梯光栅光谱仪、光纤光谱仪和荧光光谱仪等；按通道分类主要有单通道和多通道光谱仪；光谱仪中的分光元件将光谱仪探头所耦合进来的光按不同波长、不同级次的单色光区分开来，目前使用的光栅包括中阶梯光栅、全息光栅和刻划光栅等。然后，图像探测器件用于将分光元件得到的单色光经过电荷耦合器件探测并数字化后成像，可以一次性地将特定波长范围内的信号拍摄下来，根据获取的信号性质不同，可以选用不同的图像探测器，若只需要进行稳态的光谱测量，则使用CCD(电感耦合器件)即可，若需要获取时间分辨的光谱，则选用ICCD(像增强型耦合器件)，若获取较弱信号的光谱，则选用EMCCD(电子倍增耦合器件)。CCD分为线阵CCD和面阵CCD。

如上文所述，计算机2用于控制光谱仪1和激光光源3工作。具体地，计算机2先向激光光源3发送工作指令激光器开始工作，等离子体产生之后再向光谱仪1发送工作指令，对等离子体光开始积分输出，最后对获取的大量光谱数据进行在线实时原位处理分析，得到待测元素检测结果。

如上文所述，激光光源3用于产生激发击穿光谱的高能量光束，激光光源按泵浦方式主要分为灯泵和二极管泵浦，按工作介质分为固体激光器、气体激光器、染料激光器、光纤激光器等。

空心光纤7用于传输高能光束，实现等离子体再烧蚀。如图1所示，通过调整空心光纤7的弯曲角度，从而能够在0°<θ<90°的范围内自由调整上述光束夹角。

被测样品9是被检测涂料材料，可以从市场上随机选取几个常用的涂料品牌。

本发明的激光诱导击穿光谱检测装置与现有技术相比具有如下的优点：相比于普通光纤采用空心光纤可以传输高能量激光光束；空心光纤可以自由调节，实现了0°<θ<90°范围内的单光源双脉冲烧蚀。

本发明还提供一种采用上述激光诱导击穿光谱检测装置对被测样品进行检测的检测方法。以下将对采用本发明的激光诱导击穿光谱检测装置进行检测的过程进行详细说明。

如图2所示，为本发明实施例的激光诱导击穿光谱检测装置的检测方法流程图。

步骤S100，计算机向激光光源发出工作指令，从激光光源发出一束高能量激光束；

步骤S200，从激光光源发出的激光束与分光镜成45°夹角，由分光镜将该激光束分成相互垂直的两束激光，从而实现单光束分离；

步骤S300，两束激光的一束激光经第一透镜直接聚焦到被测样品内的预定位置处，实现材料预烧蚀，利用刻度盘将双脉冲烧蚀的光束夹角设定为规定角度；

步骤S400，另一束激光经过第二透镜聚焦到空心光纤中，将上述规定角度作为弯曲角度来调整空心光纤，空心光纤中传输的另一束激光直接激发等离子体，实现对被测样品的再烧蚀；

优选地，所述规定角度为30°。

在一些实施方式中，所述规定角度为75°。

另外，优选地，所述预定位置为被测样品9内的2mm位置处。

步骤S500，被测样品经过高能量激光预烧蚀和再烧蚀，转化为等离子体，并发射出元素谱线，计算机向光谱仪发出工作指令，开始收集等离子体光；

步骤S600，光谱仪耦合探头耦合激光诱导的等离子体光，并传输到光谱仪中形成光谱数据，存储在计算机中；

步骤S700，计算机对所获取的光谱数据进行在线实时原位处理分析，得到重金属元素检测结果。

实施例1

本发明的激光诱导击穿光谱检测装置中的计算机2向激光光源3发出工作指令，从激光光源3发出一束脉冲能量为20mJ、脉冲宽度为6ns、重复频率为10Hz、波长为1064nm的高能量激光束；从激光光源3发出的激光束与分光镜4成45°夹角，由分光镜4将该激光束分成相互垂直的两束激光，从而实现单光束分离；其中一束激光经透镜6直接聚焦到被测样品9内的2mm位置处，透镜6的焦距为300mm，实现材料预烧蚀，利用刻度盘8将双脉冲烧蚀的光束夹角设定为30°；另一束激光经过透镜5聚焦到空心光纤7中，光纤直径为200μm，长度为1m，在空心光纤7中传输的激光直接激发等离子体，实现再烧蚀；被测样品9(涂料材料)经过高能量激光预烧蚀和再烧蚀，材料与激光相互作用，涂料材料经过蒸发、汽化、电离碰撞转化为等离子体，元素谱线发射出来，此时，计算机2向光谱仪1发出工作指令，开始收集等离子体度光；光谱仪耦合探头10耦合激光诱导的等离子体光，并经过光纤传输到光谱仪1中，光谱仪为一个高分辨全谱直读的中阶梯光栅光谱仪，它以中阶梯光栅为主色散元件，经低色散元件进行交叉色散后(即棱镜的色散方向与中阶梯光栅的色散方向互相垂直)，在焦面处形成二维谱图，该二维谱图被ICCD探测、接收、数字化后，采用特定的谱图还原方法可以转换为高分辨率的一维光谱信息，同时可实现对光谱的时间分辨，找到以最优信背比(SBR)为目标的采集延时时间和积分时间，最后，将光谱数据存储在计算机2中；计算机2对获取的大量光谱数据进行在线实时原位处理分析，得到重金属元素检测结果。

另外，本实施例中的计算机2可采用Lenovo台式电脑。

实施例2

本发明的激光诱导击穿光谱检测装置中的计算机2向激光光源3发工作指令，从激光光源3发出一束脉冲能量为20mJ、脉冲宽度为6ns、重复频率为10Hz、波长为1064nm的高能量激光束，该高能量激光束经过分光镜4，该激光束与分光镜成45°夹角，由分光镜4将该激光束分成相互垂直的两束激光，从而实现单光束分离；其中一束激光经透镜6直接聚焦到被测样品9内的1mm位置处，透镜6的焦距为100mm，实现材料预烧蚀，利用刻度盘8将双脉冲烧蚀的光束夹角设定为75°；另一束激光经过透镜5聚焦到空心光纤7中，光纤直径为300μm，长度为2m，在空心光纤7中传输的激光直接激发等离子体，实现再烧蚀；被测样品9(涂料材料)经过高能量激光预烧蚀和再烧蚀，材料与激光相互作用，涂料材料经过蒸发、汽化、电离碰撞转化为等离子体，元素谱线发射出来，此时，计算机2向光谱仪1发出工作指令，开始收集等离子体度光，光谱仪耦合探头10耦合激光诱导的等离子体光，并经过光纤传输到光谱仪1中；优选地，本实施例的光谱仪1为基于Czerny-Turner光学平台设计的光纤光谱仪，具有8个探测通道，每个探测通道耦合了一个2048像素的线阵CCD，整体波长范围为175-1075nm，光谱分辨率0.05-0.1nm，等离子体光由一个标准的SMA905光纤接口接入光学平台，先经一个球面镜准直，然后由一个平面光栅将该准直色散，经由第二块球面镜聚焦，最后光谱的像被投射到一块一维线性探测器阵列上，最后，光谱数据存储在计算机2中；计算机2中对获取的大量光谱数据进行在线实时原位处理分析，得到重金属元素检测结果。

另外，本实施例中的计算机2可采用DELL台式电脑。

如上所述，本发明提供一种单光束出分离双脉冲来烧蚀被测样品材料的技术方案，采用空心光纤传输一路光束，实现自由角度的探测，提高发射谱线的强度，解决了传统上激发方式中两个激光光束的夹角不易调节的问题。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、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 (8)

1.一种激光诱导击穿光谱检测装置，其特征在于，

包括用于获取光谱数据的光谱仪；计算机；用于产生激发击穿光谱的高能量光束的激光光源；分光镜；用于聚焦激光光束的第一透镜和第二透镜；空心光纤；刻度盘；以及光谱仪耦合探头；

所述计算机与所述光谱仪和所述激光光源分别相连，用于控制所述光谱仪和所述激光光源的工作；

所述分光镜将所述激光光源发出的单光束分开成相互垂直的两束激光，一束经过所述第一透镜聚焦到被测样品上实现预烧蚀，另一束激光经第二透镜聚焦到所述空心光纤中，从而在所述空心光纤中传输高能量光束对被测样品进行再烧蚀；

所述刻度盘对经所述第一透镜聚焦到被测样品的光束与经第二透镜聚焦到所述空心光纤中光束的光束夹角进行标定，上述光束夹角能够在预定范围内自由调节；

所述光谱仪耦合探头用于耦合激光诱导的等离子体光，并传输到所述光谱仪中。

2.根据权利要求1所述的激光诱导击穿光谱检测装置，其特征在于，所述预定范围为0°<θ<90°的范围。

3.一种激光诱导击穿光谱检测方法，采用权利要求1或2所述的激光诱导击穿光谱检测装置对被测样品中的重金属进行检测，所述被测样品为涂料材料，其特征在于包括：

所述计算机向所述激光光源发出工作指令，从激光光源发出一束高能量激光束；

从所述激光光源发出的激光束与分光镜成45°夹角，由所述分光镜将该激光束分成相互垂直的两束激光，从而实现单光束分离；

两束激光的一束激光经第一透镜直接聚焦到被测样品内的预定位置处，实现材料预烧蚀，利用所述刻度盘将双脉冲烧蚀的光束夹角设定为规定角度；

另一束激光经过所述第二透镜聚焦到所述空心光纤中，将所述规定角度作为弯曲角度来调整所述空心光纤，所述空心光纤中传输的另一束激光直接激发等离子体，实现对被测样品的再烧蚀；

所述被测样品经过高能量激光预烧蚀和再烧蚀，转化为等离子体，并发射出元素谱线，计算机向光谱仪发出工作指令，开始收集等离子体光；

所述光谱仪耦合探头耦合激光诱导的等离子体光，并传输到所述光谱仪中形成光谱数据，存储在计算机中；以及

所述计算机对所获取的光谱数据进行在线实时原位处理分析，得到重金属元素检测结果。

4.根据权利要求3所述的激光诱导击穿光谱检测方法，其特征在于，所述预定位置为被测样品内的2mm位置处。

5.根据权利要求3所述的激光诱导击穿光谱检测方法，其特征在于，所述规定角度在0°<θ<90°范围内。

6.根据权利要求5所述的激光诱导击穿光谱检测方法，其特征在于，所述规定角度为30°。

7.根据权利要求5所述的激光诱导击穿光谱检测方法，其特征在于，所述规定角度为75°。

8.根据权利要求3-7之一所述的激光诱导击穿光谱检测方法，其特征在于，所述光谱仪以中阶梯光栅为主色散元件，经低色散元件进行交叉色散后，在焦面处形成二维谱图，该二维谱图被像增强型耦合器件探测、接收、数字化后，采用特定的谱图还原方法可以转换为高分辨率的一维光谱信息，同时可实现对光谱的时间分辨，找到以最优信背比为目标的采集延时时间和积分时间，并将光谱数据存储在所述计算机。