CN106030289A - 手持式激光诱导击穿光谱装置 - Google Patents
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Abstract
公开了一种管理手持式结构中的LIBS激光器部件和光谱仪的散热问题的新型装置、方法和系统，以及使用包括裸光纤的简化的光信号收集装置收集测试材料附近（或接触测试材料）的发射光。在手持式LIBS装置的一个示例实施例中，使用频率为4 kHz的突发脉冲，产生脉冲之间的时间约250µs，这是现有技术中其他装置中的10倍以上的因数。在相关实施例中，主动调Q OPO激光器模块与使用透射光栅的紧凑型光谱仪模块一起使用，以改进LIBS测量，同时大幅减小手持式分析仪的尺寸。
Description
优先权主张
本申请要求于2013年10月16日提交的发明名称为“HANDHELD LASER INDUCEDBREAKDOWN SPECTROSCOPY DEVICE”的美国临时专利申请号为61/891,743的文献的优先权和权益，其全部内容通过参考引入此处。
技术领域
本发明通常涉及激光诱导击穿光谱（LIBS）领域，更具体地，涉及用于激光诱导击穿光谱测量的装置和系统。
背景技术
对于各种应用，需要用于确定样品的材料构成的方法。一种已知的方法为激光诱导击穿光谱（LIBS），其涉及将激光束聚焦至样品表面，利用足够高的功率密度将样品材料的小部分转换成等离子体状态。利用光收集装置收集来自等离子体羽的光发射，并在光谱仪中分析收集的光发射的光谱分布（即，强度作为波长的函数），光谱仪产生描述光谱分布的电子形式的信息。由于样品材料的原子和分子构成具有光发射光谱的特征，所以由光谱仪产生的信息揭示了激光束聚集或涉及的样品的那部分的构成。
原则上样品可以是固体、液体或气体。在气体样品的情况下，样品的“表面”的概念并不存在，激光束仅聚焦至气体样品。已知的LIBS测量装置的缺点在于其庞大的结构，以及对现场使用应用的限制。传统的LIBS通常仅考虑在实验室条件下使用。已经做了努力来减少LIBS装置的外形，如Lindfors等的美国专利7,394,537和Dillon等的7,821,634。但是，由于在包括热量消耗、用于光收集的复杂的光学元件和缺少连续合金分析的稳健设计的其他限制中，能量消耗和输出波长的稳定性所需的尺寸的原因，当为便携式形式时，这些装置仍对用户产生安全事件，且激光器部件仍会受损。
发明内容
本文中提供一种手持式LIBS装置，其对于用户是人眼安全的，并可以快速收集光谱测量，具有预期的工业和商业应用的相当高的精确度。其他优点包括利用比现有技术的LIBS装置快得多的内置光谱仪进行测量，同时发射约等同于其他装置1/3的热量，从而延长激光源的寿命，并降低电池消耗。一种新型配置的手持式LIBS装置还便于使用裸光纤部件，其将在靠近待测材料处收集光和信号样本，从而大幅简化收集由于激光照射在测试材料上而产生的光信号所需的光学装置。
在本发明的一个示例实施例中，提供一种手持式LIBS装置，其配置为主要用于区分并识别铝合金。该装置为小型、质轻、由电池供电、并可环保地用于户外。该示例实施例的手持式LIBS装置能够在元素浓度方面表征铝样品，和其他预计要识别的金属合金和确定的元素浓度，LIBS相对于XRF而言的主要优点在于其能够确定轻元素的元素浓度，例如Li, B,Be, C, Al, Na 和Mg。该示例实施例的优点在于，它可以在未做或做很少表面处理时进行快速分析，同时使用在足以烧穿污染的能量下操作的激光源，但设计为光学上为人眼安全（人眼安全波长，每个脉冲低激光能量，和高度发散的激光束设计）。在一个示例实施例中，该手持式测量装置使用1535纳米（nm）Er：玻璃激光（在相关实施例中，本领域技术人员可将Er3:Yb3激光配置为获得相似人眼安全波长），而非标准1064nm激光，当与合适的光束焦点和光束能量密度修改结合时，其被视为“人眼安全”的波长，从而当使用该手持式装置时，用户将不需要佩戴眼保护件。
在上述示例手持式装置中的优点之中，该手持式装置配置为稳定并重复地使用1535nm激光。这与现有技术的装置不同，因为已知这些1535nm激光对于热冲击具有敏感性，并且不能高重复率运行。现有技术的装置还具有非常低的脉冲能量（例如uJ/脉冲），并需要与待测样品材料接近来使用。在一个示例实施例中，手持式LIBS装置配置为运行激光源和监测激光器温度，以防止激光被损伤并保持一致的结果。可以直接（利用热电偶）或通过测量每个激光电流脉冲（脉冲宽度）的时间量间接监测激光器温度。大部分现有技术的手持式装置使用激光能量的单一脉冲（SP），以从待测量的样品产生等离子体羽。从而，本文的教导提供一种手持式LIBS装置，其利用新型的“突发模式”，其中小脉冲的脉冲串（PT）与光谱仪结合，该光谱仪配置为获取所有信号，并将它们整合至单一数据点，以与通过单一脉冲传递的相同激光能量而获得的信号相比，有效地大幅提升信号。这些创新使得人眼安全的1535nm激光可有效以小外形、并具有此前未获得的高效能循环下进行LIBS测量。这种特定的激光和操作方法对于商用LIBS市场是新颖的。
由于其低成本，Nd:YAG激光通常用于LIBS装置。但是，基于该目的使用1535nm激光，特别是在手持式装置中使用，在先前没有商业价值，因为大多数1535nm激光对于热冲击具有敏感性，并且不能在大于1 Hz的高重复率下运行。进一步地，激光源单次发射至检测材料上仅产生相对小的信号，且俘获该信号所需的光学元件使其昂贵并繁琐。用户需要市场可接受的手持式装置的更快的反应。因此，在突发模式下运行系统（凭此由通过有效的热管理促进的一个泵浦脉冲产生多个脉冲），这便于1535nm激光手持式装置的尺寸减小和稳定性的增加。与利用单一脉冲方式相比，这种独特的“突发模式”特征极大地减少了分析时间并大幅提高返回信号。在开发这种产品中克服的一个问题是表征突发模式中的激光的行为，其涉及热管理系统的唯一的实现，包括使用于激光的散热器位于器具外部，以冷却激光，而同时利用散热器作为用于容易地定位样品-激光位置的瞄准部件。
在该示例实施例中，与XRF装置或者甚至1064nmLIBS装置相比，手持式LIBS装置配置为对于用户更安全。1535nm波长与超过消融区的低激光能量密度（J/cm^2）结合，确保激光器可以分类为类别I装置，其在可损伤人眼的范围之外。批准并监督用于工作场所的产品的管理者或安全官员没有对人眼安全、类别I激光器产品的限制，但是在目前市场中，当前的类别IIIB手持式LIBS器具可能需要使用安全眼镜和/或受控的测试环境。此外，使用人眼安全的激光将有益于用户和管理者，因为他们将不必进行辐射安全培训和发放许可证，这需要有竞争力的XRF（X射线荧光）技术。作为额外的安全特征，该装置配备有近端传感器，以在发射之前感测目标区的材料。激光可设计为仅聚焦在样品位置，并极大偏离样品平面。
本文公开的新颖的装置、方法和系统教导了管理手持式结构中的LIBS激光器部件和光谱仪的散热问题，以及使用简化的包括裸光纤的光信号收集装置，以收集测试材料附近（或接触测量材料）的发射光。在该手持式LIBS装置的一个示例实施例中，突发脉冲频率为4 kHz，产生脉冲之间的时间约250µs，这是现有技术中其他装置中的10倍以上。在脉冲间的250µs处，脉冲间具有很小的相互作用至没有相互作用，相互作用将导致产生的等离子体羽的变化。如果没有增强的体羽，手持装置可以保持在测试样品的附近。此外，监控、消散并控制来自激光器的脉冲串模式操作的热量，以提供这种紧凑并精确的设计。
在一个示例实施例中，用于进行激光诱导击穿光谱的装置设置为包括配置为作为手持式装置的外壳，和具有可操作地连接至激光器模块的控制器系统的二极管泵浦激光器模块，该激光器模块包括固体激光介质和被控制器控制的被动调Q单元，以在多脉冲激光束配置中进行操作。该装置还包括光纤部件和光谱仪模块，光纤部件配置为在光纤部件的远端传输来自通过多脉冲激光束诱导的样品材料的等离子体的光，光谱仪模块配置为接收来自所述光纤部件的光，并配置为从所述多脉冲产生与样品材料对应的光谱分布。该装置包括电源，其位于所述外壳内，并配置为将电能传递至至少泵浦激光器和光谱仪，其中多脉冲激光束配置包括激光脉冲的多个突发，每个突发与下一个突发间隔第一时间，以使激光源冷却，且其中每个突发内的每个脉冲被第二时间间隔开，以限制等离子体的延续。在该实施例中，多脉冲激光束配置处于突发模式，该突发模式由至少约4 kHz的10-12个脉冲组成，每个突发在大约4 Hz至10Hz的频率范围内循环。该装置进一步包括散热器部件，其设置在外壳上，接近光纤部件的远端，其中该散热器部件适合是用于手持式装置的远端的瞄准件。该装置还包括光谱仪模块，其包括配置为在紫外波长范围内操作的第一光谱仪和配置为在可见光波长范围内操作的第二光谱仪。
在另一个示例实施例中，提供一种利用人眼安全的激光源，进行激光诱导击穿光谱测量的方法，包括产生多脉冲激光束并将脉冲激光束导向样品材料的步骤，每个突发与下一个突发间隔第一时间，以使激光源冷却，且其中每个突发内的每个脉冲被第二时间间隔开，以限制等离子体的延续。下一步为在光纤部件的远端传输来自通过所述多脉冲激光束诱导的所述样品材料的等离子体的光，并从所述多脉冲，由所述被传输的光产生与所述样品材料对应的光谱分布。该方法进一步包括在产生多脉冲激光束之前，感测位于光纤部件远端附近的样品材料的步骤。
在相关示例实施例中，提供一种用于进行激光诱导击穿光谱的装置，其包括配置为手持式装置的外壳，和主动的调Q Nd:YAG OPO（光参数振荡器）激光器模块，所述外壳具有用于在外壳内产生的电磁辐射的出口，该主动的调Q Nd:YAG OPO（光参数振荡器）激光器模块具有可操作地连接至其的、位于外壳内的控制器系统，激光器模块配置为引导激光束通过出口。该装置还包括光纤部件，其配置为在纤维部件远端传输来自被激光束诱导的样品材料的等离子体的光，光纤部件的远端位于出口附近，光谱仪模块配置为接收来自所述光纤部件的近端的光，并配置为通过接收的光产生与样品材料对应的光谱分布。该装置还包括采样点接口部件，其具有设置在外壳出口上方的近端开口，激光束适于投射穿过该近端开口并穿过接口部件的远端开口，光纤部件设置在邻近接口部件的远端开口。在相关实施例中，光谱仪模块包括配置为在紫外线波长范围内操作的第一光谱仪和配置为在可见光波长范围内操作的第二光谱仪。在另一个相关实施例中，该装置进一步包括电源和显示器，所述电源设置在外壳内并配置为将电能传输至至少所述激光器模块和光谱仪模块，所述显示器配置为显示信息并接收来自用户的命令。该装置还包括瞄准部件，其配置为协助用户引导激光束，其中瞄准部件选自位于激光器模块上方的散热部件，和适于将光投射在样品材料的目标上的对准LED部件。在相关实施例中，该装置还包括位于外壳出口附近的至少一个近端传感器，该近端传感器配置为感测样品材料的位置。在另一个实施例中，该装置包括触觉反馈模块，其配置为提供样品分析处于可接受的精度等级的反馈。在相关实施例中，该装置包括激光器模块，其配置为以超过一个的能级发射激光束，第一能级用于清洗样品材料，第二能级用于分析采集。
在另一个相关实施例中，提供一种用于使手持式激光诱导击穿光谱装置与样品材料相互作用的装置，其包括电磁辐射源和电磁辐射检测和处理模块。该装置还包括外壳，其配置为具有用于电磁辐射和用于俘获来自样品材料的发射的电磁辐射的出口，该装置还包括外壳到样品材料相互作用部分，其设置在外壳的出口周围，该相互作用部分具有小于2cm^2的面积。在一个示例实施例中，该外壳到样品相互作用部分设置在锥形部件的末端，其中该锥形部件具有比电磁辐射的直径大两倍的开口。在相关实施例中，该外壳到样品材料相互作用部分设置在圆柱形部件的末端。在另一个实施例中，外壳的一部分以朝向外壳出口的向下的角度突出，从而增强相互作用部分与样品材料的视域。在示例实施例中，电磁辐射源为Nd:YAG OPO激光器，其配置为将激光束投射穿过外壳出口并投射至样品材料。在另一个示例实施例中，该装置进一步包括穿孔镜，其设置在所述外壳内，并邻近外壳出口，其中该穿孔镜俘获从样品材料发射的光，并将其传输至电磁辐射检测和处理模块，其中该电磁辐射检测和处理模块包括具有至少一个透射光栅的光谱仪模块。在相关实施例中，该装置具有为X射线装置电磁辐射源，该X射线装置配置为将X射线束投射穿过外壳出口并投射至样品材料。在另一个实施例中，该装置进一步包括具有设置在外壳出口上方的近端开口的采样点接口部件，电磁辐射适于被投射穿过该近端开口并穿过接口部件的远端开口，发射信号传输部件设置在接口部件远端开口附近，其中采样点接口部件消除自动对焦，并增加了通过发射信号传输部件传输的电磁辐射。
附图说明
结合附图，通过以下详细实施例的描述，可以更明白本发明的各个实施例的新颖性的特征自身，以及其构成和操作方法，与其额外特征。
图1A-1D展示了根据本发明实施例的手持式LIBS测量装置的各种视图；
图2展示了根据本发明实施例的LIBS测量系统的原理图；
图3展示了对用于具有已知含量和百分比的Mg、Cu和Al的特定材料样品的单脉冲模式和脉冲串模式的测量的比较结果的表；
图4A-4C展示了根据本发明另一个实施例的LIBS测量装置的侧视图、后视图、和前视图；
图5展示了图4的LIBS装置的部件的内部视图；
图6展示了图4的LIBS装置的原理图；
图7展示了本发明的激光脉电源的示意图；
图8展示了当从装置中移除电池或电源时，图4的LIBS装置的关机方案的流程图；
图9A-9B展示了根据本发明教导的采样锥形接口的侧视图和放大视图。
具体实施方式
以下为与本发明的方法和装置的各种相关概念和实施例的详细说明。应该理解的是，可以很多方式实施以上引入的、以及以下将更详细讨论的主题的各个方面，因为该主题并不限于任何具体方式的实施。此处提供的具体实施和应用的例子主要用于说明目的。
参考附图1A-1D和图2，为手持式装置100的各种视图，其具有用于进行LIBS测量的用户便携式的尺寸和形状。在该示例实施例中，手持式LIBS装置100具有枪形，且类似稍大无绳电钻式外壳101（见图1A和1B）。小1535nm被动调Q二极管泵浦固体激光器102（具有位于该装置上部并位于该装置外表面的散热器104）和控制器模块103A和显示器103B在装置100内，控制器模块103A配置为控制泵浦激光器102的操作。激光器电源107可操作地连接至激光器102，而光学支架106（1组为3个，其中一个）可操作地将激光器102连接至激光器出口108。散热器104的位置允许快速冷却并允许用户机械地使用散热器的顶部，作为视觉引导件，以将激光束射导向被瞄准的样品的区域。
装置100进一步包括光纤110，其将二极管泵浦激光器102发射的激光传输至光谱仪模块112。装置100的特征为可充电电池、彩色触屏显示器103B（类似于智能手机）和启动样品分析过程的触发器120。收集来自样品（未示出）的光发射，并通过光纤110将其传输至光谱仪112，其产生描述光发射的光谱分布的电子形式的信息。该信息被传输至控制器103A，其处理并存储该信息，并可以在显示器103B上提供解释该信息的视觉指示。除了显示器之外，该装置的用户界面可以包括各种开关，其中图2中示意地展示了触发器开关。在一个示例实施例中，将支撑触发器120的装置100的把手116保护起来，以为用户提供额外的保护，防止受到热和任何杂散辐射。操作所述装置所需的运行功率来自电源114，其可以是例如电池（常规或可充电的）或燃料电池。在相关实施例中，电源为交流电源。
在该示例实施例中，装置100包括小1535nm被动调Q二极管泵浦固体激光器。有一系列激光器光学元件将激光束放大并聚焦至目标样品。在该示例实施例中，利用光纤收集来自等离子体的光，并利用微型车尔尼 - 特纳光谱仪通过CCD分析仪对其进行分析。在相关实施例中，利用本领域技术人员公知的其它光谱仪和光收集装置分析来自等离子体的光。在该示例实施例中，装置100使用控制装置100内的单板计算器，并处理光谱数据。外壳101密封为NEMA3标准，并设计用于耐用的户外使用。在其他相关实施例中， 1500nm至1600nm范围的人眼安全的激光源也可以用于本文中所述的便携式手持式LIBS系统。
图2示意地展示了根据本发明实施例的手持式LIBS测量系统150。当使用手持式装置100时，用户通过装置100的突出部或出口108直接或非常近距离（约1mm）接触测试样品，以获得最好的结果。这是在激光发射前，利用感测样品的接近程度的一个或多个近端传感器在装置100内监测的。在这点上，触发器的拉动将启动分析，激光器将发射脉冲的突发至样品。计算机（或控制器或处理器）103A将处理光谱仪数据，并在3秒或更少时间内为用户提供结果。该LIBS装置100通常揭示合金类型（例如铝6061）和化学组成（例如元素浓度）。在相关实施例中，系统150配置为基于光谱信息相对于已知光谱信息的置信度提供合金类型的识别的置信度信息（confidence information），和允许的组成浓度范围。
系统150包括调Q固体二极管泵浦激光器模块102和光谱仪模块112，二者都电连接至系统控制器和电路板103A。电路板103A包括微处理器160，用于反馈装置100的操作的触觉驱动器162，和为激光器模块102提供电力的激光器电源170。电池组14、充电器单元122和触发器电路120都电连接至电路板130A。除了其他功能，系统150还包括显示器处理器板115，其电连接至电路板103A，并连接至显示数据并作为命令输入装置的（通过LCD触摸控制器103D）显示器103B。显示器板115包括SMARC处理器117，以帮助装置100在低功率下管理应用，并与激光器控制板通信。
在样品上发射多个发射（shots）的一个目的是准备用于分析的样品，以及校准装置100的内部部件。建议在记录数据之前，用大量的激光脉冲去除待测材料表面的污染。在一个实施例中，突发模式为在约4 kHz处约10至12个脉冲。该突发通常在约10 Hz的重复率发生。通常，每十分之一秒，具有10-12个脉冲的突发，每个脉冲的频率为4 kHz。该激光器能量约为每个脉冲2-3 mJ（毫焦耳）。每个脉冲的时间长度约为6纳秒。在另一个实施例中，该样品经受约为10Hz重复率的强度约为4-5mJ的脉冲。
在本文中所述的各示例实施例中，使用Kigre 1535nm激光源（model MK-88;Kigre Inc., Hilton Head Island, SC），其利用3.5 ms泵浦脉冲能够产生5 mJ脉冲。该激光源可以提供约12个脉冲，在脉冲串中每个小型或子脉冲之间具有100微秒的间隔。虽然Kigre在相关文献中公开了利用1535nm激光源的人眼安全LIBS系统(LIBS system with compact fiber spectrometer, head mounted spectra display and hand held eye- safe erbium glass laser gun. SPIE Photonics West 2010, Solid State LasersXIX: Technology and Devices Conference LA101, # 7578-87, January 26, 2010)，其内容通过参考引入此处，但是用于该系统的各部件物理地承载在用户身上（例如通过背包和背带），且并非是本文中教导的完全整体的单一手持式便携单元。虽然，在前述2010年的文献中讨论了利用在脉冲之间具有非常短的时间延迟（约25µs）的连续脉冲，这种脉冲通常持续100µs，并用于与来自之前的脉冲的等离子体羽相互作用并使其增强，以改善从等离子体羽收集的光信号。最后，当与设置在手持式装置的单一外壳内的其他系统部件接近时，在2010年的文献中公开的这种非整体式的系统不能解决激光源的散热管理问题。
在本文中教导的各实施例中，通过将现有技术中使用的单脉冲模式转变为脉冲串来实现激光源的热管理，用于延长激光器和电池的寿命。在单脉冲模式中，激光器的温度快速升高或达到尖峰，而在脉冲串模式中，温度升高固定，并且低于单脉冲模式，从而当产生光谱测量所需的能量更少时，释放更少的热量，减少电池消耗。此外，光谱仪将由脉冲串中的脉冲产生的多数据位整合为一体（实质上加起来），以在手持式装置100的显示屏上产生光谱图，以使用户决定是否处理手头上的样品（例如分类应用）。
参考图3，展示了对用于具有已知含量和百分比的Mg、Cu和Al的特定材料样品的单脉冲模式和脉冲串模式的测量的比较结果的表。从左至右看表，单一脉冲模式首先产生元素存在的识别和准确度。采取越多的样品，测量越准确，因此列中的数值减少，表明测量和技术表现出对一个元素的存在的更准确的识别。在单脉冲发射的150次发射处，所有的值都很低，表明高度的准确度。
另一方面，脉冲串模式（表的右侧）表明脉冲串的一次发射提供比单脉冲的一次发射更准确的读数。进一步地，脉冲串模式的15次发射（每次具有10个脉冲），相当于总的150个脉冲，产生的光谱读数比单脉冲模式的150个单独的脉冲的光谱读数更准确，且获取时间大幅减少。
现在参考图4-9，图4A-4C、5和9展示了根据本发明另一个实施例的另一LIBS测量装置400的侧视图、后视图、前视图和内部视图。手持式LIBS测量装置的该示例实施例具有各种优点，包括：主动调Q激光器模块，其便于基于按压手持式装置上的触发器立即发射激光；采样锥形接口部件，其用于提高激光聚焦并协助俘获来自样品材料的光信号（从或向手持式LIBS装置）；和至少两个紧凑型光谱仪，提供广泛范围波长的光谱分布，不仅采集弱光信号，还能够利用广泛的光谱特征识别广泛的材料。同样地，具有多个光谱仪的更高的解析能力允许区分具有很多发射峰的材料，例如铁合金。本文中教导的光谱仪的优点在于该光谱仪采用专业的透射光栅操作，以提供定义良好的光谱分布，该光谱分布可以为用户实时显示在手持式装置的显示器上。透射光栅的使用提供比本领域其他光谱仪中使用的类似尺寸的反射光栅更多的光通量（从而提高效率和灵敏度）。这在此类应用中是重要的，其中由于LIBS装置投射的较低的功率/能量束，而导致的从样品材料发射的信号能量较低，以及剩余有效处理的光或样品发射的能量很少。在美国专利号为7,515,262的文献中进一步可以发现具有透射光栅的光谱仪的教导和例子，其全部内容通过参考引入此处。
在激光器模块的一个示例实施例中，Nd:YAG激光器包含OPO（光学参数振荡器），其将1064nm Nd:YAG波长转化为1574nm。在操作中，当拉动触发器时，激光器被以20Hz (50ms)速率触发。收集每次发射的光谱。丢弃（清理）了一些发射，但是每次发射都可以独立地用于分析或进行平均。当为测量的置信度收集了足够的数据，或者当检测到错误，例如当用户没有正确地将样品材料放置至采样锥形接口处时，或者当已经发射了一定数目的发射（100个发射-5秒）时，停止采样。在相关实施例中，具有延迟光谱仪模块计时孔径（0至10us）的内置能力，以在最初LIBS等离子体形成之后就开始收集。我们现在不使用这个特征（延迟通常=0），但是硬件将允许我们探索通常的LIBS技术并允许利用我们的CCD基光谱仪分析仪得到更好的动态范围，并改善某些元件的测量灵敏度。这是动态设置，其可用于基于发射的发射，以及具有用于每个光谱仪的独立的延迟。这种延迟特征不与被动调Q激光器系统一起研究，因为它需要激光脉冲与光谱仪快门之间精确计时（大约<20ns）。
进一步地，通过主动调Q激光器，提供具有发射之间非常高的激光能量精度的可调/可控的激光器，以及对检测器具有可控灵敏度的光谱仪，从而更容易获得装置之间的校准。这同样便于远程校准，而不需要将该单元送回工厂用于校准，因为可以添加文库或在现场售出文库。主动调Q的方法提供高的发射之间的重现性，以获得非常快速的分析。快速分析允许“基于接触”的触发和分析，类似于在钉枪中的基于接触的触发。利用该实施例和激光器模式也能够进行更深入的分析，从而防止使用栅格化光学元件，或者必须使样品栅格化。更深的渗透允许更大的斑点尺寸和更深度的分析以及改善的焦点深度，从而便于使用材料的采样点。具有锋利的采样点更容易在仪器接口采样，以及对非平坦表面采样。在相关实施例中，能够使用两种操作模式，用于清洁分析和采样分析。激光能量可以处于10 Hz、10mJ的第一能级，或20 Hz、5 mJ的第二能级，第一能级用于清洁（更高的功率），第二能级用于分析采集。这些能级可以利用能量控制触发器控制。
在该示例实施例中，手持式LIBS装置400包括外壳401，其类似于稍大的无绳电钻。外壳401其中具有由光学支架支撑的小1574 nm主动调Q二极管泵浦固体激光器模块402。再次参考图5，用于冷却激光器模块的散热器402A设置并位于该装置的顶部和外表面，而显示器403设置在外壳401上。装置400还包括控制器模块405，其配置为控制泵浦激光器模块402的操作。激光器电源404可操作地连接至激光器402，而光学支架406可操作地将激光器模块402连接至激光器出口409处的采样锥形接口408。锥形接口408的出口还设有（邻近激光器模块402的激光束）光纤，其采集来自样品材料的光信号。散热器402A的位置允许装置400的快速冷却，并允许用户机械地使用散热器402A的顶部作为视觉引导件，以引导激光束导向被瞄准的样品的区域。
在一个示例实施例中，该主动调Q激光器配置为每分钟提供5个样品，每个样品60个脉冲，样品之间间隔12秒。在相关实施例中，样品之间间隔小于3秒。在另一个示例实施例中，遮蔽前五个发射，以允许热稳定（谐振腔的热稳定）。激光器模块在24伏直流下操作，电流水平如下：停止模式<70mA；发射模式（fire mode）1.2A和电源模式（power mode）< 30W。
图5和9展示了图4的LIBS装置的部件的内部视图。装置400进一步包括光纤410，在泵浦激光器402发射之后，光纤将被样品材料发射的激光传导或传输至一组光谱仪412A和412B。装置400的特征为可充电电池414、彩色触屏显示器403B（类似于智能手机）和启动样品分析过程的触发器120。收集来自样品（未示出）的光发射，并通过光纤410将其传输至光谱仪412A和412B，其产生描述来自样品的光发射的光谱分布的电子形式的信息。该信息被传输至控制器405，其处理并存储该信息，并可以在显示器403上提供解释该信息的视觉指示。除了显示器之外，该装置的用户界面可以包括各种开关，其中图4A和5中展示了触发器开关420。在一个示例实施例中，将支撑触发器420的装置的把手保护起来，以为用户提供额外的保护，防止受到热和任何杂散辐射。操作所述装置所需的运行功率来自电源414，其可以是例如电池（常规或可充电的）或燃料电池。在相关实施例中，电源为交流电源。
在如图5和9A和9B所示的该示例实施例中，装置400包括有一系列激光器光学元件，以将激光束放大并聚焦至目标样品。利用在支架406中的光纤部件410收集由激光发射产生的等离子体的光，并利用光谱仪412A和412B分析。该装置利用内部的PCB板计算器控制该单元并处理数据。外壳密封至NEMA 3标准，并设计用于耐用的户外使用。在其他相关实施例中， 1500nm至1600nm范围的人眼安全的激光源也可以用于结合入本文中所述的便携式手持式LIBS系统的各个实施例中。
图6示意地展示了图4的LIBS测量系统400的示例实施例的原理图600。当使用手持式装置400时，用户通过装置400的采样锥形接口408，直接或非常近距离（约0.5mm）接触测试样品，以获得最好的结果。采样锥形接口408允许用户使用更小的接口尺寸，以从样品材料获得样品信号，以及在那个斑点处为用户提供更深的渗透，从而克服样品材料上的非平滑表面的挑战。在一个示例实施例中，在激光发射前，利用感测样品的接近程度的一个或多个近端传感器在装置400内监测。在这点上，触发器的拉动将启动分析，激光器将发射多个激光发射至样品。计算机（或控制器或处理器）将处理光谱仪数据，并在3秒或更少时间内为用户提供结果。如果需要的话，该LIBS装置通常揭示合金类型（例如铝6061）和化学组成（例如元素浓度）。
在该示例实施例中，不必利用主动调Q光参量振荡器Nd:YAG激光器模块在样品上发射多个发射，以准备用于分析的样品（但是如果需要清洁样品也可以选择使用），以及校准装置400的内部部件，因为激光器模块配置为在启动触发器的同时激光器发射。在该示例实施例中，激光器在1547nm波长，重复率约为20Hz的5mJ（毫焦耳）的能级下操作。该装置的数值孔径≥ 0.0555，焦点位置为+/- 250 µm。每个脉冲的时间长度约为6纳秒。在另一个例子中，样品经受强度约为4-10mJ，重复率为20Hz的脉冲。在美国专利号为7,839,904的文献中可以发现Nd:YAG OPO激光器模块和操作参数和突发脉冲的进一步的例子和教导，其内容通过参考引入此处。
参考图6，在该示例实施例中，系统600包括激光器模块602，其是在波长为1574nm下操作的主动调Q光参量振荡器Nd:YAG激光器，其电连接至激光器电源607，并连接至位于控制器电路组件或电路板605上的一对微处理器609A和609B。电路板还包括触觉驱动器611，其电连接至触觉发动机组件，并连接至触发器电路620，电池组614和充电电路622。在激光器模块602发射之后，一对光谱仪612A和612B中的至少一个从光纤部件（或其他能量或辐射传输部件或介质）接收来自样品的光信号，并产生显示在显示器603上的光谱分布。在该示例实施例中，光谱仪612A配置为主要用于紫外线（UV）范围的光信号，而光谱仪612B配置为主要用于可见光。显示器603电连接至显示器挠性板604，其反过来电连接至显示器处理器组件615，其提供SMARC处理器617，用于控制显示器603和连接至手持式LIBS单元的其他外部输入器，例如用于传输数据进入和离开所述单元的无线模块、用于数据存储的存储器模块、电源按钮、以太网（RJ45）输入接口和USB连接输入器。在该示例实施例中，处理器组件615电连接至控制器组件605，以接收功率，以及来自光谱仪、并将被显示给用户的数据。在该示例实施例中，具有充电器单元622的电池组单元620电连接至电路板605。
现在参考图7，展示了用于手持式LIBS装置100和400的示例激光脉冲电源607。图8展示了当从手持式LIBS装置中移除电池或电源时， LIBS装置100和400的关机方案的流程图。
现在参考图9A和9B，展示了根据本发明教导的锥形形式的采样接口部件408的侧视图和放大视图。该采样接口部件（锥形或圆柱形，但不限于这些）是该技术的一种进步，在市场上没有出现具有尖锐尖端或聚焦在该特征上的辐射的可行的手持式XRF或手持式LIBS解决方案。大部分当前的分析仪具有平坦的、长的采样接口。因此，该实施例不需要用于图像俘获的摄像机，也不需要自动聚焦，还不需要为了平整度而碾碎采样表面。相反，本文中描述的实施例提供类似于钻头的激光束或辐射流（直径小，且当其从外壳中发出时容易看到）。在相关实施例中，通过使用穿孔镜子代替光纤（例如但不限于此）将光传输或传递光谱仪的更长的接口和更小的点尺寸，可以最小化样品与装置的距离依赖性，并减少激光器窗口被弄脏的可能性（即更低的维护）。此外，采样接口部件可以确保等离子体不与锥形相互作用，或与窗口或透镜产生交叉感染。
图9A展示了具有采样接口部件408和激光器出口409的装置400的侧视图。还展示了激光器电源407和激光器控制板405。图9B为装置400的出口部分的放大视图，展示了激光器402通过出口409，通过采样接口部件408发射激光束。邻近激光束和出口409（和光学元件/透镜411）并位于锥形接口部件408内部的是具有套圈410A的光纤410，从而光纤410的远端俘获并传输从样品材料发射的光能量，并将其传递至用于处理的光谱仪模块。在一个相关实施例中，接口部件为圆柱形。
在相关实施例中，用于进行激光诱导击穿光谱（LIBS）的装置设置为包括配置为手持式装置的外壳，其具有用于在外壳内产生的电磁辐射的出口，和位于所述外壳内的电磁辐射模块，其具有可操作地连接至其的控制器系统，该电磁辐射模块配置为引导电磁辐射通过出口。LIBS装置还包括电磁辐射传输部件，其配置为在样品材料与电磁辐射相互作用之后，传递或传输从样品材料发射的辐射。还包括光谱仪模块，其配置为接收被传输的辐射，并配置为产生与样品材料对应的光谱分布；以及采样点接口部件，其具有设置在外壳出口上的近端开口，电磁辐射适于通过近端开口并通过接口部件的远端开口被发射出去，传输部件设置在接口部件远端开口附近，其中采样点接口部件消除了自动聚焦，并通过传输部件提高了电磁辐射的传递或传输。
手持式装置100和400的主要应用包括但不限于：1）在废铝区，用户快速需要某些东西，并且比市场主导的XRF枪更容易使用，和2）接受废铝、并评估和验证进来的铝的再生铝冶炼厂。其他应用包括分析其他非铁金属、铁金属或土壤。
以下专利涉及这种LIBS装置，其内容通过参考引入此处并构成本公开的一部分：U.S. Pat. Nos. 6,771,368; 7,394,537; 7,821,634 和U.S. Pat. Publ. No. 2012/0033212。
通过描述的几个示例实施例，应该理解的是本领域技术人员可以容易地作出各种改变、修改和改进。这种改变、修改和改进旨在构成本公开的一部分，并包含在本公开的精神和范围内。虽然此处展示的一些例子涉及功能或结构元件的特定组合，但是应该理解的是，这些功能或元件可以根据本发明的其他方式组合，以实现相同或不同目的。具体地，与一个实施例结合讨论的行为、元件和特征不旨在排除其他实施例中类似或其他角色。因此，前述描述和附图仅用于举例说明，而不是用于限制。
Claims (30)
1.用于进行激光诱导击穿光谱的装置，其包括：
外壳，其配置为手持式装置；
二极管泵浦激光器模块，其具有可操作地连接至其的控制器系统，所述激光器模块包括固体激光介质和被所述控制器控制的被动调Q单元，以在多脉冲激光束配置中操作；
光纤部件，其配置为在所述光纤部件的远端传输来自通过多脉冲激光束诱导的所述样品材料的等离子体的光；
光谱仪模块，其配置为接收来自所述光纤部件的光，并配置为从所述多脉冲产生与所述样品材料对应的光谱分布；和
电源，其设置在所述外壳内，并配置为将电能传输至至少一个所述泵浦激光器和所述光谱仪，其中所述多脉冲激光束配置包括激光脉冲的多个突发，每个突发与下一个突发间隔第一时间，以允许激光器冷却，且其中每个突发中的每个脉冲被第二时间间隔开，与限制等离子体的延续。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述多脉冲激光束配置处于突发模式，所述突发模式由约4 kHz的约10-12个脉冲构成，每个突发在约4 Hz至约10Hz的频率范围内循环。
3.根据权利要求1所述的装置，进一步包括散热器部件，其设置在所述外壳上、在所述光纤部件的远端的附近，其中所述散热部件适于作为用于所述手持式装置的远端的瞄准部件。
4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述光谱仪模块包括第一光谱仪，其配置为在紫外线波长范围内操作；和第二光谱仪，其配置为在可见光波长范围内操作。
5.一种利用人眼安全的激光源进行激光诱导击穿光谱测量的方法，其包括以下步骤：
产生多脉冲激光束，并将所述脉冲激光束引导至样品材料，其中，所述多脉冲激光束包括激光脉冲的多个突发，每个突发与下一个突发间隔第一时间，以使激光源冷却，且其中每个突发内的每个脉冲被第二时间间隔开，以限制等离子体的延续；
在光纤部件的远端传输来自通过所述多脉冲激光束诱导的所述样品材料的等离子体的光；和
从所述多脉冲、由所述被传输的光产生与所述样品材料对应的光谱分布。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，产生所述多脉冲激光束的步骤包括产生约4 kHz的约10-12个脉冲，每个突发在大约4 Hz至约10 Hz的频率范围内循环。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，进一步包括将散热器部件定位在所述光纤部件的远端的步骤，其中所述散热器部件适于作为所述光纤部件的远端的瞄准部件。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，通过被传输的光产生光谱分布的步骤包括提供光谱仪模块的步骤，所述光谱仪模块包括第一光谱仪和第二光谱仪，所述第一光谱仪配置为在紫外线波长范围内操作，所述第二光谱仪配置为在可见光波长范围内操作。
9.根据权利要求5所述的方法，进一步包括在产生所述多脉冲激光束的步骤之前，感测位于所述光纤部件的远端附近的所述样品材料的步骤。
10.一种用于进行激光诱导击穿光谱的装置，其包括：
外壳，其配置为手持式装置，具有用于在所述外壳内产生的电磁辐射的出口；
主动调Q OPO Nd:YAG激光器模块，其具有可操作地连接至其并设置在所述外壳内部的控制器系统，所述激光器模块配置为引导激光束穿过所述出口；
光纤部件，其配置为在所述光纤部件的远端传输来自通过所述激光束诱导的样品材料的等离子体的光，所述光纤部件的远端设置为邻近所述出口；
光谱仪模块，其配置为接收来自所述光纤部件的近端的光，并配置为从所述接收的光产生与所述样品材料对应的光谱分布；和
采样点接口部件，其具有设置在所述外壳的出口上的近端开口，所述激光束适于被投射穿过所述近端开口和所述接口部件的远端开口，所述光纤部件设置为邻近所述接口部件的远端开口。
11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述光谱仪模块包括第一光谱仪，其配置为在紫外线波长范围内操作；和第二光谱仪，其配置为在可见光波长范围内操作。
12.根据权利要求10所述的装置，进一步包括电源，其设置在所述外壳内，并配置为将电能传输至至少一个所述激光器模块和所述光谱仪模块。
13.根据权利要求10所述的装置，进一步包括显示器，其配置为显示信息并接收来自用户的命令。
14.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述激光器模块配置为在约1574nm的波长操作。
15.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述第一和第二波谱仪包括透射光栅。
16.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，进一步包括瞄准部件，其配置为协助用户引导所述激光束，其中所述瞄准部件选自：设置在所述激光器模块上方的散热器部件，和适于将光投射在样品材料的靶上的靶向LED部件。
17.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述采样点接口配置为锥形部件，所述锥形部件具有与适于被放置在所述外壳出口上方的出口开口相对的开口。
18.根据权利要求10所述的装置，进一步包括位于所述外壳出口附近的至少一个近端传感器，该近端传感器配置为感测样品材料的位置。
19.根据权利要求10所述的装置，进一步包括触觉反馈模块，其配置为提供样品分析处于可接受的精度等级的反馈。
20.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述激光器模块配置为以超过一个能级发射激光束，第一能级用于清洗所述样品材料，第二能级用于分析采集。
21.一种使手持式激光诱导击穿光谱装置与样品材料相互作用的装置，其包括电磁辐射源和电磁辐射检测以及处理模块，还包括：
外壳，其配置为具有出口，其用于电磁辐射和用于俘获从所述样品材料发射的电磁辐射，和
外壳到样品材料相互作用部分，其设置在所述外壳的出口周围，所述相互作用部分具有小于2 cm^2的面积。
22.根据权利要求21所述的装置，其特征在于，所述外壳到样品相互作用部分设置在锥形部件的末端。
23.根据权利要求22所述的装置，其特征在于，所述锥形部件具有比所述电磁辐射的直径大两倍的开口。
24.根据权利要求21所述的装置，其特征在于，所述外壳到样品材料相互作用部分设置在圆柱形部件的末端。
25.根据权利要求21所述的装置，其特征在于，所述外壳的一部分以朝向外壳出口的向下的角度突出，从而增强所述相互作用部分与样品材料的视域。
26.根据权利要求21所述的装置，其特征在于，所述电磁辐射源为Nd:YAG OPO激光器，其配置为将激光束投射穿过所述外壳出口并投射至所述样品材料。
27.根据权利要求26所述的装置，进一步包括穿孔镜，其设置在所述外壳内，并邻近所述外壳出口，其中所述穿孔镜俘获从所述样品材料发射的光，并将其传输至电磁辐射检测和处理模块。
28.根据权利要求26所述的装置，其特征在于，所述电磁辐射检测和处理模块包括具有至少一个透射光栅的光谱仪模块。
29.根据权利要求21所述的装置，其特征在于，所述电磁辐射源为X射线装置，其配置为将X射线束投射穿过所述外壳出口并投射至所述样品材料。
30.根据权利要求21所述的装置，进一步包括采样点接口部件，其具有设置在所述外壳出口上方的近端开口，所述电磁辐射适于被投射穿过所述近端开口并穿过所述接口部件的远端开口，发射信号传输部件设置为邻近所述接口部件的远端开口，其中所述采样点接口部件消除自动对焦，并增加了通过发射信号传输部件传输的电磁辐射。
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