CN107505307B - 全包围式椭圆球面镜光路激光诱导击穿光谱仪系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及全包围式椭圆球面镜全包围式椭圆球面镜光路激光诱导击穿光谱仪系统，包括脉冲激光器、全反射镜、聚焦透镜、样品台、全包围式椭圆球面镜、信号光收集系统和光谱仪，样品台和信号光收集系统位于全包围式椭圆球面镜内侧，样品台和信号光收集系统分别设于全包围式椭圆球面镜的两个焦点处，全包围式椭圆球面镜上设有通孔，样品台位于通孔正下方，聚焦透镜位于通孔正上方，全反射镜用以将脉冲激光器产生的激光全反射给聚焦透镜，聚焦透镜聚焦后的光以垂直于全包围式椭圆球面镜长轴的方向入射到样品台上，光谱仪与信号光收集系统连接。本发明将等离子体各发散角度的信号光进行会聚收集，克服收集角度对信号的影响和单方向收集造成的信号损失，可极大程度上提高信号光收集效率。

Description

全包围式椭圆球面镜光路激光诱导击穿光谱仪系统

技术领域

本发明属于光谱分析技术领域，涉及激光诱导击穿光谱仪系统，尤其涉及全包围式椭圆球面镜全包围式椭圆球面镜光路激光诱导击穿光谱仪系统。

背景技术

激光诱导击穿光谱(LIBS)技术作为一种新型激光光谱分析方法，凭借其实时、在线、非接触、多元素同时检测等有点，在航空航天、环境监测、地质勘探、文物珠宝鉴定、医学材料检测等各领域展现出优异的检测能力，其广阔的应用前景无庸赘述。在检测过程中，脉冲激光器输出高能脉冲激光，通过聚焦透镜聚焦到样品表面，当激光脉冲的能量密度大于击穿阈值时，即可在聚焦位点产生等离子体，在该等离子体中，喷射出来的物质离解成激发态的原子和离子，处于激发态的原子和离子从高能态跃迁到低能态，并发射出具有特定波长的光辐射。通过聚焦透镜在一定收集位置采集到样品表面等离子体的光谱发射信号，并分析谱图得到的元素对应的特定峰强度可以用于样品的定性以及定量分析。

LIBS以其取样量极少，几乎可实现无损检测的优点在光谱领域崭露头角，然而这一亮点也为该技术的发展带来了限制。常规LIBS检测过程中，单次激光剥蚀厚度仅为0.05毫米左右，剥蚀量在微克级别，样品由初始状态到激光剥蚀到转化为等离子体再到各原子离子跃迁产生光辐射的一系列过程中均存在不同形式的能量损耗。换言之，能产生光信号的样品量少之又少，致使最终发射光强度有时很难满足应用检测需求，表现为整体LIBS系统无法达到所需要的检出限，从而很大程度上限制了LIBS的应用展开。

另一方面，在激光与样品作用过程中，产生的等离子体在空间分布上具有不均一性，这也是该技术发展进程中的一大瓶颈。具体而言，在信号光收集过程中，采用传统光纤探头在单个方向收集的信号光强度会随着其与等离子体相对角度的不同而产生明显差异，该差异在LIBS实际应用中表现得更为明显。同样的LIBS装置系统在使用过程中，信号强度很大程度上受到使用者收集镜调节能力的影响，直接结果便是使得LIBS短时间内形成一套行业标准成为不可能。

基于以上缺陷，近几十年来，国内外该领域研究学者致力于提高LIBS信号强度和稳定性，但并未从源头上解决该问题。

发明内容

本发明旨在提供全包围式椭圆球面镜全包围式椭圆球面镜光路激光诱导击穿光谱仪系统，克服收集角度对信号的影响和单方向收集造成的信号损失，最大可能地将等离子体各发散角度信号光进行会聚收集。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

全包围式椭圆球面镜全包围式椭圆球面镜光路激光诱导击穿光谱仪系统，包括脉冲激光器、全反射镜、聚焦透镜、样品台、全包围式椭圆球面镜、信号光收集系统和光谱仪，所述样品台和信号光收集系统位于全包围式椭圆球面镜内侧，所述样品台和信号光收集系统分别设于全包围式椭圆球面镜的两个焦点处，所述全包围式椭圆球面镜上设有通孔，所述样品台位于通孔正下方，所述聚焦透镜位于通孔正上方，所述全反射镜用以将脉冲激光器产生的激光全反射给聚焦透镜，所述聚焦透镜用以将其聚焦后的光以垂直于全包围式椭圆球面镜长轴的方向入射到样品台上，，所述光谱仪与信号光收集系统连接。

进一步的，所述全包围式椭圆球面镜呈半球式。

全包围式椭圆球面镜光路激光诱导击穿光谱仪系统还包括计算机，所述光谱仪与计算机连接。

其中，所述全包围式椭圆球面镜内表面有真空紫外镀铝膜。

其中，所述信号光收集系统通过光纤与光谱仪相连。

进一步的，所述光谱仪为Avantes单通道光谱仪。

进一步优选的，所述光谱仪的光谱范围为170nm-1100nm。

进一步优选的，所述光谱仪的光谱范围为180nm-400nm。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明中激光穿过全包围式椭圆球面镜上的通孔垂直入射到全包围式椭圆球面镜的焦点处的样品表面，然后在全包围式椭圆球面镜的另一焦点处收集信号光，从而将等离子体各发散角度的信号光进行会聚收集，克服收集角度对信号的影响和单方向收集造成的信号损失，可极大程度上提高信号光收集效率。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明接收法与传统石英透镜侧位接收法得到的硅片信号的强度比较图；

图中：1-脉冲激光器、2-全反射镜、3-聚焦透镜、4-样品台、5-全包围式椭圆球面镜、6-信号光收集系统、7-光谱仪、8-计算机、9-通孔。

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，对本发明进行进一步详细说明。

如图1所示，本发明公开的全包围式椭圆球面镜全包围式椭圆球面镜光路激光诱导击穿光谱仪系统，包括脉冲激光器1、全反射镜2、聚焦透镜3、样品台4、全包围式椭圆球面镜5、信号光收集系统6、光谱仪7和计算机8，全包围式椭圆球面镜5上设有通孔9，以满足激光传输要求。样品台4位于通孔9正下方，聚焦透镜3位于通孔9正上方，所述聚焦透镜用以将其聚焦后的光以垂直于全包围式椭圆球面镜长轴的方向入射到样品台上。样品台4和信号光收集系统6位于全包围式椭圆球面镜5内侧，将全包围式椭圆球面镜5的两个焦点分别作为样品的信号光源和收集光聚焦点，即样品台4和信号光收集系统6分别设于全包围式椭圆球面镜5的两个焦点处，从而最大范围收集样品信号光。其中，信号光收集系统6可采用包含透镜组的收集光纤探头以最大范围实现汇聚点信号光收集，信号光收集系统6也可直接采用光纤探头以实现光路简易化。

激光传输和聚焦装置将脉冲激光器1发射的一束激光通过全反射镜2全反射给聚焦透镜3进行聚焦，聚焦后的光穿过通孔9垂直入射到位于焦点F1处的样品表面，激发样品产生等离子体。从等离子体向四周发出的散射光作为LIBS光信号源，发散的光信号在全包围式椭圆球面镜5内表面经过反射，可高效地会聚到椭圆球面镜另一焦点F2处，将F2作为收集光聚焦点，用透镜组连接光纤或直接采用光纤探头进行信号光采集，并通过光纤将其导入光谱仪，即信号光收集系统6由光纤与光谱仪7相连，在信号光集中位置将等离子体发射光谱耦合进光谱仪7，光谱仪7通过数据线将采集的光谱数据传输给计算机8对样品成分进行检测分析，得到样品成分信息。

全包围式椭圆球面镜5的立体角大小为2πsr，从而保证在样品表面以上，等离子体在各个方向上发射出的信号光均经过球面镜内表面反射会聚到焦点F2处，从而最大范围收集样品信号光。作为优选，全包围式椭圆球面镜5呈半球式，所述全包围式椭圆球面镜5的底面与全包围式椭圆球面镜5的长轴平行。

由于传统透射镜收光方式中面临的石英玻璃紫外透射率低，所以本发明采用立体球面镜镀膜技术，具体的，全包围式椭圆球面镜5内表面采用真空紫外镀铝。在利用椭圆球面镜双焦点特性提高会聚效率的同时，满足从紫外到可见光波长范围内高反射率的要求，大大提高了光收集效率，其在195nm-800nm波长范围内的反射率均达95％左右，极大克服了传统石英透镜在紫外波段收集光效率由不超过10％的问题。在具体应用中，激光器可采用Brilliant EaZy YAG激光器(1063nm,300mJ)，数字延迟脉冲发生器DG535。同时在信号光收集过程中，采用紫外增强定制光纤跳线以及光谱范围为170nm-1100nm的Avantes单通道光谱仪，对于紫外光，优选范围为180nm-400nm。最终在整体LIBS系统中保证紫外光信号最小程度的损失。

由图2可看出，采用本发明系统(椭圆反射镜)的硅片谱线整体得到信号增强。

本发明中激光穿过全包围式椭圆球面镜上的通孔垂直入射到全包围式椭圆球面镜的焦点处的样品表面，然后在全包围式椭圆球面镜的另一焦点处收集信号光，从而将等离子体各发散角度的信号光进行会聚收集，使得信号光全部包围在全包围式椭圆球面镜5中，克服收集角度对信号的影响和单方向收集造成的信号损失，可极大程度上提高信号光收集效率，增强了信号的强度，提高了检出限。

当然，本发明还可有其它多种实施方式，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.全包围式椭圆球面镜全包围式椭圆球面镜光路激光诱导击穿光谱仪系统，其特征在于:包括脉冲激光器（1）、全反射镜（2）、聚焦透镜（3）、样品台（4）、全包围式椭圆球面镜（5）、信号光收集系统（6）和光谱仪（7），所述样品台（4）和信号光收集系统（6）位于全包围式椭圆球面镜（5）内侧，所述样品台（4）和信号光收集系统（6）分别设于全包围式椭圆球面镜（5）的两个焦点处，所述全包围式椭圆球面镜（5）上设有通孔（9），所述样品台（4）位于通孔（9）正下方，所述聚焦透镜（3）位于通孔（9）正上方，所述全反射镜（2）用以将脉冲激光器（1）产生的激光全反射给聚焦透镜（3），所述聚焦透镜（3）用以将其聚焦后的光以垂直于全包围式椭圆球面镜（5）长轴的方向入射到样品台（4）上，所述光谱仪（7）与信号光收集系统（6）连接；所述全包围式椭圆球面镜（5）立体角大小为2πsr，所述全包围式椭圆球面镜（5）呈半球式。

2.根据权利要求1所述的全包围式椭圆球面镜全包围式椭圆球面镜光路激光诱导击穿光谱仪系统，其特征在于：还包括计算机（8），所述光谱仪（7）与计算机（8）连接。

3.根据权利要求1所述的全包围式椭圆球面镜全包围式椭圆球面镜光路激光诱导击穿光谱仪系统，其特征在于：所述全包围式椭圆球面镜（5）内表面有真空紫外镀铝膜。

4.根据权利要求1所述的全包围式椭圆球面镜全包围式椭圆球面镜光路激光诱导击穿光谱仪系统，其特征在于：所述信号光收集系统（6）通过光纤与光谱仪（7）相连。

5.根据权利要求1所述的全包围式椭圆球面镜全包围式椭圆球面镜光路激光诱导击穿光谱仪系统，其特征在于：所述光谱仪（7）为Avantes单通道光谱仪。

6.根据权利要求1或5所述的全包围式椭圆球面镜全包围式椭圆球面镜光路激光诱导击穿光谱仪系统，其特征在于：所述光谱仪（7）的光谱范围为170nm-1100nm。

7.根据权利要求6所述的全包围式椭圆球面镜全包围式椭圆球面镜光路激光诱导击穿光谱仪系统，其特征在于：所述光谱仪（7）的光谱范围为180nm-400nm。

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