CN107110769B - 激光诱导击穿光谱样本腔室 - Google Patents

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Abstract

一种用于激光诱导击穿光谱(LIBS)的设备(100)，包括：样本腔室(112)；激光源(115)，其连接到激发光学件组合件(120)，所述激发光学件组合件(120)连接到所述样本腔室(112)上的第一端口(132)；准直器组合件(125)，其连接到光谱仪(130)，所述准直器组合件(125)连接到所述样本腔室(112)上的第二端口(135)；以及定位在所述第一端口(132)上的第一透镜管(150)和定位在所述第二端口(135)上的第二透镜管(155)，所述第一透镜管(150)保护连接到所述激发光学件组合件(120)的所述第一端口(132)且所述第二透镜管(155)保护连接到所述准直器组合件(125)的所述第二端口(135)免受在来自所述激光源(115)的激光脉冲烧蚀目标样本(145)的表面并产生等离子体时发射的粒子的损害。所述保护可替代地由定位在所述第一端口(132)和所述目标样本(145)之间的透明分区(260)提供。

Description

激光诱导击穿光谱样本腔室
背景技术
本发明大体上涉及光谱，且更确切地说涉及一种激光诱导击穿光谱(LIBS)样本腔室。
一般来说，激光诱导击穿光谱(LIBS)是发射光谱技术，其中由于紧密聚焦的激光束与材料样本之间的相互作用，原子和离子在其激发态下形成。物质与高密度光子之间的相互作用产生等离子体羽流，等离子体羽流随时间的推移而演进且可最终获得热力平衡。
LIBS的重要特征中的一者是，不同于常规光谱分析技术，其不需要任何样本制备。呈固体、液体、凝胶、气体、等离子体和生物材料形式的样品可几乎同样易于研究。LIBS已快速发展成具有检测样本中的化学元素、实时响应和紧密接触或对峙分析目标的能力的主要分析技术。
发明内容
下文呈现对本发明的简化概述以便提供对本发明的一些方面的基本理解。此概述并非本发明的详尽综述。其既不意图识别本发明的关键或决定性要素，也不划定本发明的范围。其唯一目的是以简化形式呈现本发明的一些概念作为稍后呈现的更详细描述的序言。
本发明提供用于激光诱导击穿光谱(LIBS)样本腔室的方法和设备。
一般来说，在一个方面中，本发明的特征在于一种设备，其包含：样本腔室；激光源，其连接到激发光学件组合件，所述激发光学件组合件连接到所述样本腔室上的第一端口；准直器组合件，其连接到光谱仪，所述准直器组合件连接到所述样本腔室上的第二端口；以及定位在所述第一端口上的第一透镜管和定位在所述第二端口上的第二透镜管，所述第一透镜管保护连接到所述激发光学件组合件的所述第一端口且所述第二透镜管保护连接到所述准直器组合件的所述第二端口避开在来自激光源的激光脉冲烧蚀目标样本的表面并产生等离子体时发射的粒子。
在另一方面中，本发明的特征在于一种设备，其包含：样本腔室；激光源，其连接到激发光学件组合件，所述激发光学件组合件连接到所述样本腔室上的第一端口；准直器组合件，其连接到光谱仪，所述准直器组合件连接到所述样本腔室上的第二端口；以及分区，其定位在所述第一端口与所述目标样本之间，所述分区保护连接到所述激发光学件组合件的所述第一端口和连接到所述准直器组合件的所述第二端口避开在来自激光源的激光脉冲烧蚀目标样本的表面并产生等离子体时发射的粒子。
在另一方面中，本发明的特征在于一种设备，其包含：样本腔室；激光源，其连接到激发光学件组合件，所述激发光学件组合件连接到所述样本腔室上的第一端口；光导管的输出端，其连接到光谱仪；所述光导管的收集器端，其连接到所述样本腔室；以及分区，其定位在所述第一端口与所述目标样本之间，所述分区保护连接到所述激发光学件组合件的所述第一端口避开在来自激光源的激光脉冲烧蚀目标样本的表面并产生等离子体时发射的粒子。
在另一方面中，本发明的特征在于一种设备，其包含：样本腔室；激光源，其连接到激发光学件组合件，所述激发光学件组合件连接到所述样本腔室上的第一端口；准直器组合件，其连接到光谱仪，所述准直器组合件连接到所述样本腔室上的第二端口；以及透镜管，其定位在所述第一端口或第二端口上，所述透镜管保护连接到所述激发光学件组合件的所述第一端口或连接到所述准直器组合件的所述第二端口避开在来自激光源的激光脉冲烧蚀目标样本的表面并产生等离子体时发射的粒子。
本发明可包含以下优点中的一个或多个优点。
一种设备包含样本腔室，在所述设备中，一个或多个透镜管保护光学件和/或准直器组合件以免在激光诱导击穿光谱(LIBS)系统中受损坏和/或污染。
一种设备包含样本腔室，在所述设备中适当地固定有透明材料(例如，石英、玻璃或塑料)以保护光学件和/或准直器组合件以免在激光诱导击穿光谱(LIBS)系统中受损坏和/或污染。
这些和其它特征以及优点将通过阅读以下详细描述并检视相关联图式而显而易见。应理解，前述一般描述和以下详细描述两者仅是解释性的，并且并不限制如所要求的方面。
附图说明
并入在本说明书中且构成本说明书的一部分的附图说明本发明的实施例，且与上文给定的本发明的一般描述和下文给定的实施例的详细描述一起用以解释本发明的原理。
图1为根据本发明的示例性设备的第一实施例的框图。
图2为根据本发明的示例性设备的第二实施例的框图。
图3为根据本发明的示例性设备的第三实施例的框图。
图4为根据本发明的示例性设备的第四实施例的框图。
具体实施方式
现参考图式描述本发明，其中相同参考数字贯穿全文用于指相同元件。在以下描述中，出于解释的目的，阐述许多特定细节以便提供对本发明的透彻理解。然而，可显而易见，可在没有这些具体细节的情况下实践本发明。在其它情况下，以框图形式展示熟知结构和装置以便促进描述本发明。
如本文中所使用，术语“或”既定意味着包含性“或”而非独占性“或”。也就是说，除非另外规定，或者从上下文清楚可见，否则“X使用A或B”既定意味着任何自然的包含性排列。也就是说，如果X使用A，X使用B，或X使用A和B两者，那么在任何前述例子下满足“X使用A或B”。此外，除非另外规定，或者从上下文清楚可见涉及单数形式，否则如在中使用的冠词“一”应一般解释为意味着“一个或多个”。
如图1中所示，示例性激光诱导击穿光谱(LIBS)系统100的第一实施例包含外壳112。外壳112包含连接到激发光学件组合件120的激光源115。外壳112还包含连接到光谱仪130的准直器组合件125。激发光学件组合件120和准直器组合件125分别定位在样本腔室140上的端口132、135上。样本腔室140包含目标样本145。在一些实施例中，LIBS系统100被配置为如美国专利案第8,355,126B2号中所描述的手持式、自含式分析器，所述美国专利案题为：“手持式、自含式光学发射光谱(OES)分析器”，所述美国专利案授予Goulter等人且让与给本申请案的受让人，所述美国专利案的公开内容出于所有目的特此以全文引用的方式并入。然而，当所并入的参考中的任何事物与在本申请案中陈述的任何事物矛盾时，以本申请案为准。
在操作中，源自激光源115的激光脉冲148穿过激发光学件组合件120，激发光学件组合件120将激光脉冲148聚焦在目标样本145的表面上。激光脉冲148在目标样本145的表面上产生高温微等离子体。粒子(包含原子、分子和微观尘粒)从目标样本145的表面烧蚀到等离子体中，所述粒子在等离子体中经雾化和激励。在此激发之后，作为目标样本145的元素组成的特性的光被发射、由准直器组合件125收集并在光谱仪130内进行分析。
在操作期间，从目标样本145的表面烧蚀的粒子可到达激发光学件组合件120的端口132和准直器组合件125的端口135，从而导致端口132和端口135上的粒子累积。如果允许粒子累积发生，那么激光源115烧蚀目标样本145的表面和准直器组合件125接收作为目标样本145的元素组成的特性的光的有效性受损。
为了限制或减少粒子累积，第一透镜管150定位在激发光学件组合件120的端口132上方，且第二透镜管155定位在准直器组合件125的端口135上方。在实施例中，第一透镜管150和第二透镜管155可被阻挡或构造为蜂巢，如图1中所示。在某些实施例中，第一透镜管150和第二透镜管155延伸到(例如，部分延伸到)样本腔室140中，如图1所示，或远离样本腔室140(未图示)延伸。在其它实施例中，第一透镜管150和第二透镜管155可移除以供清洗或替换。
在操作期间，分别通过由透镜管150和透镜管155提供的保护来防止从目标样本145的表面烧蚀的粒子阻碍和/或损坏激发光学件组合件120和准直器组合件125。
如图2中所示，示例性激光诱导击穿光谱(LIBS)系统200的第二实施例包含外壳112。外壳112包含连接到激发光学件组合件120的激光源115。外壳115还包含连接到光谱仪130的准直器组合件225。激发光学件组合件120和准直器组合件225分别定位在样本腔室140上的端口132、135上。样本腔室140包含目标样本145。
在操作中，源自激光源115的激光脉冲248穿过激发光学件组合件120，激发光学件组合件120将激光脉冲248聚焦在目标样本145的表面上。激光脉冲248在目标样本145的表面上产生高温微等离子体。粒子从目标样本145的表面烧蚀到等离子体中，所述粒子在等离子体中经雾化和激励。在此激发之后，作为目标样本145的元素组成的特性的光被发射、由准直器组合件225收集并在光谱仪130内进行分析。
在操作期间，从目标样本145的表面烧蚀的粒子可到达激发光学件组合件120的端口132和准直器组合件225的端口135，从而导致端口132和端口135上的粒子累积。如果允许粒子累积发生，那么激光源115烧蚀目标样本145的表面的有效性和准直器组合件125接收作为目标样本145的元素组成的特性的光的能力受损。
为了防止粒子积累，样本腔室140包含分区260。分区260固定到样本腔室140的侧壁中，定位于目标样本145与端口132、135之间。在实施例中，分区260可移除以供清洗或替换。分区260可由透明材料(例如，石英、玻璃或塑料)构造，即，在所关注波长下大于90％光学透射的材料。
在操作期间，从目标样本145的表面烧蚀的粒子撞击分区260且因此防止其遮挡端口132、135。更具体来说，灰尘和粒子沉积在分区260上。此确保激发光学件组合件120和准直器组合件125不变得受粒子污染和/或损坏。
如图3中所示，示例性激光诱导击穿光谱(LIBS)系统300的第三实施例包含外壳112。外壳112包含连接到激发光学件组合件120的激光源115。外壳112还包含连接到光谱仪330的光导管322。一般来说，光导管用于将光从一个位置转移到另一位置。光导管322包含收集器端324和输出端326。如图3中所示，光导管322是包含弯曲部以防止粒子污染的中空管，如下文所描述。在一个实施例中，光导管322是中空金属管。
激发光学件组合件120定位在样本腔室140上的端口132上，且光导管322的收集器端324连接到样本腔室140。在一个实施例中，光导管322的收集器端324可释放地耦合到样本腔室140以辅助清洗。样本腔室140包含目标样本145。
在操作中，源自激光源115的激光脉冲248穿过激发光学件组合件120，激发光学件组合件120将激光脉冲248聚焦在目标样本145的表面上。激光脉冲248在目标样本145的表面上产生高温微等离子体。粒子从目标样本145的表面烧蚀到等离子体中，所述粒子在等离子体中经雾化和激励。在此激发之后，作为目标样本145的元素组成的特性的光被发射、由光导管322收集、穿过透镜327并在光谱仪130内进行分析。
在操作期间，从目标样本145的表面烧蚀的粒子可到达激发光学件组合件120的端口132，从而导致端口132上的粒子累积。如果允许粒子累积发生，那么激光源115烧蚀目标样本145的表面的有效性和光导管322接收作为目标样本145的元素组成的特性的光的能力受损。
为了防止端口132上的粒子累积，样本腔室140包含分区260。分区260固定到样本腔室240的侧壁中且定位于目标样本145与端口132之间。在实施例中，分区260可移除以供清洗或替换。分区260可由透明材料(例如，石英、玻璃或塑料)构造。
在操作期间，从目标样本145的表面烧蚀的粒子撞击分区260且因此防止其遮挡端口132。更具体来说，灰尘和粒子沉积在分区260上。此确保激发光学件组合件120不受粒子污染和/或损坏。
在替代实施例中，如图4中所示且参考图1所描述，图3中的分区260可在示例性激光诱导击穿光谱(LIBS)系统400中消除，且透镜管150定位在端口132上方，或透镜管155定位在端口135上方。在此类配置中，在操作期间，通过由透镜管150提供的保护来防止从目标样本145的表面烧蚀的粒子阻碍和/或损坏激发光学件组合件120，或通过由透镜管155提供的保护来防止所述粒子损坏准直器组合件125。在某些实施例中，透镜管150或透镜管155延伸到样本腔室140中(例如，部分地延伸到样本腔室140中)，如图1所示，或远离样本腔室140(未图示)。在一个实施例中，如图4中所示，光导管322的收集器端324连接到样本腔室140。
应强调的是，提供了本发明的说明书摘要以符合37C.F.R.章节1.72(b)，其要求说明书摘要将允许读者快速确定技术公开内容的性质。应遵守以下理解：其将不会用于解释或限制权利要求书的范围或含义。另外，在前述详细描述中，可看到出于精简本发明的目的在单个实施例中将各种特征分组在一起。不应将此公开内容的方法解释为反映以下意图：所主张的实施例需要比每一权利要求中明确叙述的更多的特征。实际上，如所附权利要求书所反映，本发明标的物在于比单个所揭示实施例的所有特征少。因此，以下权利要求特此并入具体实施方式中，其中每一权利要求就其自身而言作为单独实施例。在所附权利要求书中，术语“包含”和“其中(in which)”分别用作相应术语“包括”和“其中(wherein)”的通俗英语等效物。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等等仅用作标记，且并不意图对其对象强加数字要求。
虽然已通过描述示例性实施例说明本发明且虽然已相当详细地描述此实施例，但本申请人并不意图将所附权利要求书的范围约束或以任何方式限制为此类细节。所属领域的技术人员将容易地看出额外优点和修改。因此，本发明在其较广方面并不限于所展示且描述的具体细节、代表性设备和方法及说明性实例。因此，可在不脱离申请人的一般发明概念的精神或范围的情况下对此类细节进行变更。

Claims (30)

1.一种设备，其包括：
样本腔室；
激光源，其连接到激发光学件组合件，所述激发光学件组合件连接到所述样本腔室上的第一端口；
光导管的输出端，其连接到光谱仪；
所述光导管的收集器端，其连接到所述样本腔室上的第二端口，其中所述光导管包括弯曲部；以及
定位在所述第一端口上的第一透镜管和定位在所述第二端口上的第二透镜管，所述第一透镜管保护连接到所述激发光学件组合件的所述第一端口且所述第二透镜管保护连接到所述光导管的所述第二端口免受在来自所述激光源的激光脉冲烧蚀目标样本的表面并产生等离子体时发射的粒子的累积的损害。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述目标样本定位在所述样本腔室中。
3.根据权利要求1所述的设备，其中所述光谱仪是激光诱导击穿光谱仪。
4.根据权利要求1所述的设备，其中所述第一透镜管和所述第二透镜管由透明材料构造。
5.根据权利要求4所述的设备，其中所述透明材料是玻璃。
6.根据权利要求4所述的设备，其中所述透明材料是塑料。
7.根据权利要求4所述的设备，其中所述透明材料是蜂巢状的。
8.根据权利要求1所述的设备，其中所述第一透镜管和所述第二透镜管是可移除的。
9.一种设备，其包括：
样本腔室；
激光源，其连接到激发光学件组合件，所述激发光学件组合件连接到所述样本腔室上的第一端口；
光导管的输出端，其连接到光谱仪；
所述光导管的收集器端，其连接到所述样本腔室上的第二端口，其中所述光导管包括弯曲部；以及
分区，其固定到所述样本腔室的侧壁中并且被定位以便将所述第一端口和所述第二端口与目标样本物理隔开，所述分区保护所述第一端口和所述第二端口免受在来自所述激光源的激光脉冲烧蚀所述目标样本的表面并产生等离子体时发射的粒子的累积的损害。
10.根据权利要求9所述的设备，其中所述目标样本定位在所述样本腔室中。
11.根据权利要求9所述的设备，其中所述光谱仪是激光诱导击穿光谱仪。
12.根据权利要求9所述的设备，其中所述分区由透明材料构造。
13.根据权利要求12所述的设备，其中所述透明材料是玻璃。
14.根据权利要求12所述的设备，其中所述透明材料是塑料。
15.根据权利要求9所述的设备，其中所述分区是可移除的。
16.一种设备，其包括：
样本腔室；
激光源，其连接到激发光学件组合件，所述激发光学件组合件连接到所述样本腔室上的第一端口；
光导管的输出端，其连接到光谱仪；
所述光导管的收集器端，其连接到所述样本腔室，其中所述光导管包括弯曲部；以及
分区，其固定到所述样本腔室的侧壁中并且被定位以便将所述第一端口与目标样本物理隔开，其中所述分区保护所述第一端口免受在来自所述激光源的激光脉冲烧蚀所述目标样本的表面并产生等离子体时发射的粒子的累积的损害并且所述光导管的弯曲部保护透镜免受在来自所述激光源的激光脉冲烧蚀所述目标样本的表面并产生等离子体时发射的粒子的累积的损害。
17.根据权利要求16所述的设备，其中所述目标样本定位在所述样本腔室中。
18.根据权利要求16所述的设备，其中所述光谱仪是激光诱导击穿光谱仪。
19.根据权利要求16所述的设备，其中所述分区由透明材料构造。
20.根据权利要求19所述的设备，其中所述透明材料是玻璃。
21.根据权利要求19所述的设备，其中所述透明材料是塑料。
22.根据权利要求16所述的设备，其中所述分区是可移除的。
23.根据权利要求16所述的设备，其中所述光导管可释放地耦合到所述样本腔室。
24.一种设备，其包括：
样本腔室；
激光源，其连接到激发光学件组合件，所述激发光学件组合件连接到所述样本腔室上的第一端口；
光导管的输出端，其连接到光谱仪；
所述光导管的收集器端，其连接到所述样本腔室上的第二端口，其中所述光导管包括弯曲部；以及
透镜管，其定位在所述第一端口或第二端口上，所述透镜管保护连接到所述激发光学件组合件的所述第一端口或连接到所述光导管的所述第二端口免受在来自所述激光源的激光脉冲烧蚀目标样本的表面并产生等离子体时发射的粒子的累积的损害。
25.根据权利要求24所述的设备，其进一步包含：光导管的输出端，其连接到光谱仪；以及所述光导管的收集器端，其连接到所述样本腔室。
26.根据权利要求24所述的设备，其中所述透镜管由透明材料构造。
27.根据权利要求26所述的设备，其中所述透明材料是玻璃。
28.根据权利要求26所述的设备，其中所述透明材料是塑料。
29.根据权利要求26所述的设备，其中所述透明材料是蜂巢状的。
30.根据权利要求24所述的设备，其中所述透镜管是可移除的。
CN201580071673.9A 2014-12-31 2015-12-04 激光诱导击穿光谱样本腔室 Active CN107110769B (zh)

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