CN107064111A - 高重频激光剥离‑火花诱导击穿光谱元素分析系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高重复频率激光剥离‑火花诱导击穿光谱元素分析系统，包括激光器、聚焦透镜、样品台、发光二极管、高压脉冲电源、第一限流电阻、电容、第二限流电阻、放电电极、其中高压脉冲电源通过第一限流电阻与电容连接，电容通过第二限流电阻与放电电极连接，还包括光学收集系统、与光学收集系统连接的光谱仪、与光谱仪连接并将光信号转换为电信号的光电倍增管、数字存储示波器以及电子计算机，数字存储示波器与发光二极管和光电倍增管连接，电子计算机与光谱仪和数字存储示波器连接，对数字存储示波器的数据做数据分析并控制光谱仪的输出波长范围。该系统成像速度快、分析灵敏度高，能够实现对各种样品中元素的快速扫描成像和含量分析。

Description

高重频激光剥离-火花诱导击穿光谱元素分析系统及方法

技术领域

本发明涉及应用光谱技术、光谱分析、检测与计量领域，具体涉及一种高重复频率激光剥离-火花诱导击穿光谱元素分析系统及方法。

背景技术

在很多场合，需要对样品中的元素进行扫描成像和含量分析。传统的光谱分析方法，如原子吸收光谱、原子荧光光谱、电感耦合等离子体-原子发射光谱和电感耦合等离子体-质谱分析技术等一般需要对样品进行前处理，分析速度慢；基于低重频的激光诱导击穿光谱(Laser-induced Breakdown Spectroscopy，LIBS)技术作为一种原子光谱分析技术，将一束高能量的脉冲激光聚焦到待分析的样品表面产生高温等离子体，被激光剥离出来的少量物质在高温等离子体中被原子化和离子化，并发出原子或者离子的特征光谱辐射，通过分析光谱强度来实现对样品中元素浓度(或者含量)的分析。该技术具有无需复杂的样品前处理过程、可以实现工业在线和远距离分析等特点，被广泛地应用于各种不同场合的元素分析，还可以实现固体样品二维元素分布的扫描成像分析。然而现有的LIBS技术一般是基于低重复频率(一般为10Hz)的脉冲激光器来开展的，也就是说，即使是单次取样的话，获取数据的频率也就只有10Hz，导致分析速度慢，特别是要完成一幅高分辨的二维元素分布的扫描成像的话，必定要花很长的时间，因而急需进行改进。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提供了一种高重复频率激光剥离-火花诱导击穿光谱元素分析系统，该系统成像速度快、分析灵敏度高，能够实现对各种样品中元素的快速扫描成像和含量分析。

本发明的另一目的在于提供一种高重复频率激光剥离-火花诱导击穿光谱元素分析方法。

本发明的目的可以通过如下技术方案实现：

一种高重复频率激光剥离-火花诱导击穿光谱元素分析系统，包括用于提供高重复频率脉冲激光的激光器、对脉冲激光进行聚焦的聚焦透镜、固定待测样品并能够在二维平面内移动的样品台、接收脉冲激光并产生脉冲信号的发光二极管、提供高压脉冲的高压脉冲电源、与高压脉冲电源连接并进行限流的第一限流电阻、为放电电极提供电流的电容、与电容连接并进行限流的第二限流电阻、对待测样品产生的等离子体施加高压脉冲并进行火花放电的放电电极、其中高压脉冲电源通过第一限流电阻与电容连接，电容通过第二限流电阻与放电电极连接，还包括对火花放电的发光进行收集的光学收集系统、与光学收集系统连接的光谱仪、与光谱仪连接并将光信号转换为电信号的光电倍增管、数字存储示波器以及电子计算机，数字存储示波器与发光二极管和光电倍增管连接，电子计算机与光谱仪和数字存储示波器连接，对数字存储示波器的数据做数据分析并控制光谱仪的输出波长范围。

进一步地，所述放电电极垂直放置在等离子体的上下方并与待测样品表面平行。

进一步地，所述激光器为声光调Q的Nd:YAG激光器，脉冲重复率为1-10KHZ，单脉冲能量为1-10mJ。

进一步地，所述聚焦透镜为K9玻璃的球透镜，表面镀有增透膜，焦距为10-15cm。

进一步地，所述样品台能够在x轴和y轴方向上平移，使脉冲激光每一次都打在待测样品的不同位置。

进一步地，所述放电电极为钨铈电极，所述发光二极管为硅基PIN二极管，所述高压脉冲电源为直流高压电源，电压0-4000V，最大输出电流为50mA。

进一步地，所述光学收集系统为一组透镜或者为带有透镜的光纤，即光学收集系统通过一组透镜将火花放电产生的发光收集到光谱仪的入射狭缝处，或者通过带有透镜的光纤将火花放电产生的发光收集到光谱仪的入射狭缝处。

进一步地，所述光谱仪的焦距为30或50cm，所述光电倍增管能够用线阵CCD代替，所述数字存储示波器的带宽在200MHZ以上，所述电子计算机为台式或者手提式。

本发明的另一目的可以通过如下技术方案实现：

一种高重复频率激光剥离-火花诱导击穿光谱元素分析方法，所述方法包括以下步骤：

S1、激光器产生高重复频率脉冲激光，经聚焦透镜聚焦到样品台上的待测样品上，样品台在二维平面内不停地移动以使脉冲激光打在样品的不同位置，脉冲激光对待测样品进行剥离产生等离子体；

S2、发光二极管接收到脉冲激光后产生一个脉冲信号去同步触发数字存储示波器；

S3、高压脉冲电源经过第一限流电阻给电容充电，电容与第二限流电阻形成放电回路输出高压脉冲，并通过放电电极施加在步骤S1产生的等离子体的上下方，等离子体使放电电极间的空气间隙短路从而触发火花放电；

S4、光学收集系统将火花放电产生的发光收集到光谱仪的入射狭缝处；

S5、与光谱仪连接的光电倍增管将光信号转换为电信号；

S6、数字存储示波器将光电倍增管的电信号采集后传送给电子计算机做数据分析，电子计算机同时控制光谱仪的输出波长范围；

S7、电子计算机选取设定时间范围内的积分信号作为信号的相对值，该值与待测样品中元素的浓度相对应；

S8、通过对比待测样品和元素浓度已知的样品的信号强度，分析得出待测样品中的元素浓度值。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明的光谱元素分析系统由于是在高于1kHz的重复频率下运转的，电子仪器可以在能力许可的范围内快速获取分析数据，因而大大提高了分析速度和分析效率，特别是对于高分辨的二维元素分布扫描成像分析，可以快速地完成一幅图像的扫描，极大地提高了扫描成像的速度。

2、本发明的光谱元素分析系统在等离子体的上下方设置有放电电极，经高重频激光剥离产生的等离子体经火花诱导击穿后，信号强度跟没有火花放电时相比有显著的提高，解决了声光调Q激光器单脉冲能量低、等离子体温度低从而导致原子辐射信号低的缺点，提高了光谱分析灵敏度；此外，还可以在短时间内通过快速平均多个脉冲来降低噪声，获得更高的信噪比，同样也有利于提高光谱分析的灵敏度，在物质成分快速分析和高速激光成像中具有巨大的应用价值。

3、本发明的光谱元素分析系统结构简单、性价比高、易于实现。

附图说明

图1为本发明实施例高重复频率激光剥离-火花诱导击穿光谱元素分析系统的示意图；

图2(a)为采用传统的激光诱导击穿光谱仪在只有激光剥离条件下得到的铝合金样品中铝的原子辐射(394.4nm)和等离子体轫致电子辐射背景(393.0nm)的时域图；

图2(b)为采用本发明实施例光谱元素分析系统得到的铝合金样品中铝的原子辐射(394.4nm)和等离子体轫致电子辐射背景(393.0nm)的时域图；

图3为采用本发明实施例光谱元素分析系统得到的铝合金在放电电压为2KV、激光重复频率为1KHZ时的扫描记录光谱和采用传统的激光诱导击穿光谱仪在只有激光剥离条件下得到扫描记录光谱的对比图。

其中，1-激光器，2-聚焦透镜，3-样品台，4-放电电极，5-发光二极管，6-高压脉冲电源，7-第一限流电阻，8-电容，9-第二限流电阻，10-光学收集系统，11-光谱仪，12-光电倍增管，13-数字存储示波器。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例：

如图1所示，本实施例提供了一种高重复频率激光剥离-火花诱导击穿光谱元素分析系统，包括用于提供高重复频率脉冲激光的激光器1、对脉冲激光进行聚焦的聚焦透镜2、固定待测样品并能够在二维平面内移动的样品台3、接收脉冲激光并产生脉冲信号的发光二极管5、提供高压脉冲的高压脉冲电源6、与高压脉冲电源6连接并进行限流的第一限流电阻7、为放电电极4提供电流的电容8、与电容8连接并进行限流的第二限流电阻9、对待测样品产生的等离子体施加高压脉冲并进行火花放电的放电电极4、其中高压脉冲电源6通过第一限流电阻7与电容8连接，电容8通过第二限流电阻9与放电电极4连接，还包括对火花放电的发光进行收集的光学收集系统10、与光学收集系统10连接的光谱仪11、与光谱仪11连接并将光信号转换为电信号的光电倍增管12、数字存储示波器13以及电子计算机14，数字存储示波器13与发光二极管5和光电倍增管12连接，电子计算机14与光谱仪11和数字存储示波器13连接，对数字存储示波器13的数据做数据分析并控制光谱仪11的输出波长范围。

其中，所述放电电极4垂直放置在等离子体的上下方并与待测样品表面平行；所述激光器1为声光调Q的Nd:YAG激光器，脉冲重复率为1-10KHZ，单脉冲能量为1-10mJ；所述聚焦透镜2为K9玻璃的球透镜，表面镀有增透膜，焦距为10-15cm；所述样品台3能够在x轴和y轴方向上平移，使脉冲激光每一次都打在待测样品的不同位置；所述放电电极4为钨铈电极，所述发光二极管5为硅基PIN二极管，所述高压脉冲电源6为直流高压电源，电压0-4000V，最大输出电流为50mA；所述光学收集系统10为一组透镜或者为带有透镜的光纤，即光学收集系统10通过一组透镜将火花放电产生的发光收集到光谱仪11的入射狭缝处，或者通过带有透镜的光纤将火花放电产生的发光收集到光谱仪11的入射狭缝处；所述光谱仪11的焦距为30或50cm，所述光电倍增管12能够用线阵CCD代替，所述数字存储示波器13的带宽在200MHZ以上，所述电子计算机14为台式或者手提式。

采用上述高重复频率激光剥离-火花诱导击穿光谱元素分析系统对样品中的元素含量进行分析，包括以下步骤：

S1、激光器1产生高重复频率脉冲激光，经聚焦透镜2聚焦到样品台3上的待测样品上，样品台3在二维平面内不停地移动以使脉冲激光打在样品的不同位置，脉冲激光对待测样品进行剥离产生等离子体；

S2、发光二极管5接收到脉冲激光后产生一个脉冲信号去同步触发数字存储示波器13；

S3、高压脉冲电源6经过第一限流电阻7给电容8充电，电容8与第二限流电阻9形成放电回路输出高压脉冲，并通过放电电极4施加在步骤S1产生的等离子体的上下方，等离子体使放电电极4间的空气间隙短路从而触发火花放电；

S4、光学收集系统10将火花放电产生的发光收集到光谱仪11的入射狭缝处；

S5、与光谱仪11连接的光电倍增管12将光信号转换为电信号；

S6、数字存储示波器13将光电倍增管12的电信号采集后传送给电子计算机14做数据分析，电子计算机14同时控制光谱仪11的输出波长范围；

S7、电子计算机14选取设定时间范围内的积分信号作为信号的相对值，该值与待测样品中元素的浓度相对应；

S8、通过对比待测样品和元素浓度已知的样品的信号强度，分析得出待测样品中的元素浓度值。

图2(a)为采用传统的激光诱导击穿光谱仪在只有激光剥离条件下得到的铝合金样品中铝的原子辐射(394.4nm)和等离子体轫致电子辐射背景(393.0nm)的时域图；图2(b)为采用本实施例光谱元素分析系统得到的铝合金样品中铝的原子辐射(394.4nm)和等离子体轫致电子辐射背景(393.0nm)的时域图。从中可以看出，采用本实施例光谱元素分析系统后，不仅信号的峰值有增强，信号的弛豫时间也得到了延长，更有利于时间分辨的信号检测和灵敏度的提高。

图3为采用本实施例光谱元素分析系统得到的铝合金在放电电压为2KV、激光重复频率为1KHZ时的扫描记录光谱和采用传统的激光诱导击穿光谱仪在只有激光剥离条件下得到扫描记录光谱的对比图，从中可以看出，采用本实施例光谱元素分析系统后，等离子体的光辐射信号得到了显著的改善。

本发明的高重复频率激光剥离-火花诱导击穿光谱元素分析系统的原理为：利用高重复频率的脉冲激光对待测样品进行剥离，产生等离子体，等离子体使一对放电电极中间的电阻迅速下降并触发高压火花放电，火花放电一方面对被激光剥离的样品进行二次击穿而增强等离子体辐射，另一方面还会剥离出更多的样品并击穿和发射原子辐射。由于火花诱导击穿的作用效果，使得等离子体中原子辐射的信号强度得到显著增强，以便于实现高灵敏的信号检测，等离子体中的光辐射通过光谱分析系统进行光谱分析，以获得元素成分与浓度等的相关信息。

以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明专利构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。

Claims (9)

1.一种高重复频率激光剥离-火花诱导击穿光谱元素分析系统，其特征在于：所述系统包括用于提供高重复频率脉冲激光的激光器、对脉冲激光进行聚焦的聚焦透镜、固定待测样品并能够在二维平面内移动的样品台、接收脉冲激光并产生脉冲信号的发光二极管、提供高压脉冲的高压脉冲电源、与高压脉冲电源连接并进行限流的第一限流电阻、为放电电极提供电流的电容、与电容连接并进行限流的第二限流电阻、对待测样品产生的等离子体施加高压脉冲并进行火花放电的放电电极、其中高压脉冲电源通过第一限流电阻与电容连接，电容通过第二限流电阻与放电电极连接，还包括对火花放电的发光进行收集的光学收集系统、与光学收集系统连接的光谱仪、与光谱仪连接并将光信号转换为电信号的光电倍增管、数字存储示波器以及电子计算机，数字存储示波器与发光二极管和光电倍增管连接，电子计算机与光谱仪和数字存储示波器连接，对数字存储示波器的数据做数据分析并控制光谱仪的输出波长范围。

2.根据权利要求1所述的一种高重复频率激光剥离-火花诱导击穿光谱元素分析系统，其特征在于：所述放电电极垂直放置在等离子体的上下方并与待测样品表面平行。

3.根据权利要求1所述的一种高重复频率激光剥离-火花诱导击穿光谱元素分析系统，其特征在于：所述激光器为声光调Q的Nd:YAG激光器，脉冲重复率为1-10KHZ，单脉冲能量为1-10mJ。

4.根据权利要求1所述的一种高重复频率激光剥离-火花诱导击穿光谱元素分析系统，其特征在于：所述聚焦透镜为K9玻璃的球透镜，表面镀有增透膜，焦距为10-15cm。

5.根据权利要求1所述的一种高重复频率激光剥离-火花诱导击穿光谱元素分析系统，其特征在于：所述样品台能够在x轴和y轴方向上平移，使脉冲激光每一次都打在待测样品的不同位置。

6.根据权利要求1所述的一种高重复频率激光剥离-火花诱导击穿光谱元素分析系统，其特征在于：所述放电电极为钨铈电极，所述发光二极管为硅基PIN二极管，所述高压脉冲电源为直流高压电源，电压0-4000V，最大输出电流为50mA。

7.根据权利要求1所述的一种高重复频率激光剥离-火花诱导击穿光谱元素分析系统，其特征在于：所述光学收集系统为一组透镜或者为带有透镜的光纤，即光学收集系统通过一组透镜将火花放电产生的发光收集到光谱仪的入射狭缝处，或者通过带有透镜的光纤将火花放电产生的发光收集到光谱仪的入射狭缝处。

8.根据权利要求1所述的一种高重复频率激光剥离-火花诱导击穿光谱元素分析系统，其特征在于：所述光谱仪的焦距为30或50cm，所述光电倍增管能够用线阵CCD代替，所述数字存储示波器的带宽在200MHZ以上，所述电子计算机为台式或者手提式。

9.一种高重复频率激光剥离-火花诱导击穿光谱元素分析方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1、激光器1产生高重复频率脉冲激光，经聚焦透镜2聚焦到样品台3上的待测样品上，样品台3在二维平面内不停地移动以使脉冲激光打在样品的不同位置，脉冲激光对待测样品进行剥离产生等离子体；

S2、发光二极管5接收到脉冲激光后产生一个脉冲信号去同步触发数字存储示波器13；

S3、高压脉冲电源6经过第一限流电阻7给电容8充电，电容8与第二限流电阻9形成放电回路输出高压脉冲，并通过放电电极4施加在步骤S1产生的等离子体的上下方，等离子体使放电电极4间的空气间隙短路从而触发火花放电；

S4、光学收集系统10将火花放电产生的发光收集到光谱仪11的入射狭缝处；

S5、与光谱仪11连接的光电倍增管12将光信号转换为电信号；

S6、数字存储示波器13将光电倍增管12的电信号采集后传送给电子计算机14做数据分析，电子计算机14同时控制光谱仪11的输出波长范围；

S7、电子计算机14选取设定时间范围内的积分信号作为信号的相对值，该值与待测样品中元素的浓度相对应；

S8、通过对比待测样品和元素浓度已知的样品的信号强度，分析得出待测样品中的元素浓度值。