CN107907530A - 一种激光烧蚀辅助共振激光诱导击穿光谱检测方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光烧蚀辅助共振激光诱导击穿光谱检测方法及装置。本发明采用一束波长固定的光纤激光烧蚀待检测的固体样品，使其熔融、溅射和蒸发，产生持续的气溶胶，将气溶胶转移到一个新的空间位置后，再使用波长可调谐激光对气溶胶进行等离子体激发，即利用脉冲前沿辐照气溶胶产生低密度蒸汽，用其脉冲后沿与蒸汽羽进行共振电离产生等离子体，并消除了基体效应的影响，将波长调谐至与被分析元素特征谱线对应的共振激发波长一致，使目标元素特征谱线增强，再对等离子体发射光进行采集分析，得到待分析元素含量。本发明实现了分析基体的统一，有效提高了信噪比，降低了基体效应和光谱干扰对激光诱导击穿光谱定量分析性能的影响。
Description
技术领域
本发明属于原子发射光谱检测技术领域，具体涉及一种激光烧蚀辅助共振激光诱导击穿光谱检测方法及装置。
背景技术
激光诱导击穿光谱(Laser-induced Breakdown Spectroscopy，简称LIBS)技术是一种激光等离子体光谱分析技术。LIBS技术样品处理简单，检测速度快，适合野外、实时在线及远程检测。然而，采用单激光作为激发源的常规LIBS技术难以克服基体效应和光谱干扰问题。物质中元素在物理或化学形态的不同对激光与物质相互作用、等离子体发射光强度、元素分析灵敏度及定量分析精准度都有直接影响，即所谓基体效应，它使得不同样品中同种元素难使用同一定标准曲线进行定量分析。轻微的基体效应会导致定量分析精准度不高，严重的基体效应将导致分析元素含量与特征谱线强度之间明显的非共线性，难以进行有效的定量分析。此外，所含元素众多的样品光谱复杂，元素谱线间相互干扰造成分析谱线强度偏高和谱峰位置偏移，导致分析误差增大。因此，迫切需求研发新的LIBS方法同时改善常规LIBS面临的基体效应和光谱干扰问题。
中国专利文献《一种基于双激光源的激光探针微区成分分析仪》(申请公布号：CN101782517 A)公开了一种采用固定波长激光和波长可协调激光的双激光光源激光探针微区成分分析仪，其基本原理是利用激光诱导荧光辅助激光诱导击穿光谱技术(laser-induced breakdown spectroscopy assisted with laser-induced fluorescence，LIBS-LIF)与等离子体空间约束技术相结合实现等离子体发射信号强度增强。由于该技术是利用固定波长激光直接对样品进行激发产生等离子体，并用波长可调谐激光直接对此等离子体进行二次激发，同时用空间约束机构对等离子体进行运动控制，实现光谱信号增强、探测极限降低及分析精度改善。如上可见，该文献并未进行样品基体的转换，从而实现分析样品基体的统一，难以克服由于不同样品基体的物化性质差异导致所激发等离子体的特性差异(基体效应)，如激发物质的量、等离子体温度和电子数密度等，这些因素都将影响分析结果的精准度。
中国专利文献《一种基于气雾化与共振激发的激光探针分析仪》(公开号为CN103712962 A)公开一种采用气雾化与共振激发相结合分析溶液成分的激光探针分析仪，其采用雾化器将溶液雾化产生气溶胶，用Nd:YAG激光对气溶胶激发产生等离子体，再用波长可调谐激光聚焦在等离子体上，对待分析元素进行共振激发，可实习对待分析元素特征谱线的增强，大幅改善分析灵敏度。但该装置仍存在以下问题：(1)只适用于液体样品分析，无法实现固体样品分析；(2)采用LIBS-LIF虽然可大幅提高谱线强度和分析灵敏度，但并未针对影响LIBS定量分析严重基体效应和光谱干扰问题提出解决方案。
中国专利文献《基于光纤激光器的便携式激光探针成分分析仪》(公开号为CN103743710 A)公开了一种以光纤激光器为等离子体激发源的便携式LIBS分析仪。该发明可降低LIBS仪器成本和体积，但直接用高重频光纤激光作为等离子体激发源，难以进行采集延时控制，强烈的光谱连续背景导致检测灵敏度较低，而且同样无法解决基体效应和光谱干扰问题。
发明内容
本发明提供一种激光烧蚀辅助共振激光诱导击穿光谱检测方法及装置，目的在于改善常规LIBS面临的基体效应和光谱干扰问题。
为实现上述发明目的，本发明提供了一种激光烧蚀辅助共振激光诱导击穿光谱检测方法，其特征在于，该方法采用一束波长固定的光纤激光烧蚀待检测的固体样品，使其熔融、溅射和蒸发，产生持续的气溶胶，将气溶胶转移到一个新的空间位置后，再使用波长可调谐激光对气溶胶进行等离子体激发，即利用脉冲前沿辐照气溶胶产生低密度蒸汽，用其脉冲后沿与蒸汽羽进行共振电离产生等离子体，可消除基体效应的影响，将波长调谐至与被分析元素特征谱线对应的共振激发波长一致，对目标元素特征谱线单独增强，从而降低谱线干扰，再对等离子体发射光进行采集分析，得到待分析元素含量。
本发明还提供了一种激光烧蚀辅助共振激光诱导击穿光谱检测装置，该装置包括激光烧蚀、共振激发、光谱采集和系统控制四个部分；
激光烧蚀部分包括光纤激光器、第一反射镜、第一聚焦镜、旋转位移台和取样组件；光纤激光器、第一反射镜和第一聚焦镜依次位于同一光路上，旋转位移台用于放置待检测物质，所述取样组件用于收集气溶胶并提供给共振激发部分进行等离子体激发；
共振激发部分包括波长可调谐激光器、第二反射镜、第二聚焦镜和吸收体；波长可调谐激光器、第二反射镜和第二聚焦镜依次位于另一光路上，吸收体位于第二聚焦镜的焦点外；
光谱采集部分包括采集光路、光纤、光谱仪和探测器；采集光路的出口通过光纤与光谱仪相连，探测器与光谱仪连接；
系统控制部分包括计算机和时序控制器，计算机与探测器连接，时序控制器分别与高功率光纤激光器、波长可调谐激光器及探测器电信号连接，时序控制器用于产生控制激光器和探测器的同步时序信号；
工作时，由高功率光纤激光器发出的光纤激光会聚后照射至样品表面，会聚激光束将样品熔融、溅射和蒸发，产生持续的样品气溶胶；由所述取样组件收集并喷出，由会聚后的波长可调谐激光脉冲照射，利用其脉冲前沿辐照气溶胶产生低密度蒸汽，用其脉冲后沿与蒸汽羽进行共振电离产生等离子体，当其波长调谐至与被分析元素特征谱线对应的共振激发波长一致时，能够实现目标元素特征谱线几十至几百倍的增强，多余激光能量由吸收体吸收；所述采集光路采集等离子体发射光并耦合进入光纤，经光纤传输至光谱仪进行分光，分光后获得的光谱信息由探测器进行光电转换、积累和放大；计算机用于对接收的光谱数据进行处理，得到待分析元素含量。
作为上述技术方案的一种改进，所述取样组件由约束腔和进样器构成，约束腔顶部开有小孔，进样器为同心腔结构，进样器入口端与约束腔的出口连通，其出口端为喷嘴，进样器外腔尾管作为高压气体入口；工作时，从高压气体入口进入高压惰性气体，使进样器内腔形成负压；光纤激光经反射和会聚后穿过约束腔上方小孔，照射在样品表面，会聚激光束将样品熔融、溅射和蒸发，产生持续的样品气溶胶；气溶胶被吸入约束腔一侧的进样器，高压气体与气溶胶混合物通过进样器内腔后从进样器喷嘴处喷出，由所述共振激发系统激发气溶胶产生等离子体，等离子体发射光信号由采集光路进行旁轴采集。
作为上述技术方案的另一种改进，所述取样组件由约束腔构成，其顶部开有可供光纤激光透射的石英窗，约束腔一侧底部开有高压气体入口；约束腔另一侧与烧蚀物质同一高度处开有气溶胶出口；工作时，从高压气体入口通入高压惰性气体，使将约束腔中空气排出，光纤激光通过石英窗照射在置于旋转位移台上的样品表面，会聚激光束将样品熔融、溅射和蒸发，产生持续的样品气溶胶，并由气溶胶出口处喷出，由所述共振激发系统激发气溶胶产生等离子体，等离子体发射光信号由所述采集光路进行旁轴采集。
作为上述技术方案的再一种改进，所述取样组件由进样器构成，进样器为T形结构，进样器的一端作为高压气体入口，另一端作为气溶胶出口，进样器的尾管作为烧蚀物质的进口；工作时，从高压气体入口通入高压惰性气体，在高速流动的惰性气体带动下，在进样器尾管内形成负压，光纤激光照射样品表面，产生烧蚀物质，使尾管进口处的烧蚀物质被吸入进样器内部，烧蚀物质与高速流动的惰性气体混合后从气溶胶出口喷出，形成供后续激发的气溶胶源，再由波长可调谐激光照射产生等离子体，等离子体发射光由所述采集光路进行同轴采集。
本发明采用高重频的光纤激光烧蚀固体样品，将基体差异影响较大的固体物质转化为基本无基体差异的气溶胶，并使之持续和稳定输出，实现了分析基体的统一。本发明还通过对分析元素特征谱线进行选择性增强，产生共振激光诱导击穿光谱，可有效提高信噪比，降低基体效应和光谱干扰对激光诱导击穿光谱定量分析性能的影响。具体而言，本发明具有以下技术特点：
(1)本发明突出的技术特点是采用频率在kHz量级的高重频光纤激光作为固体样品烧蚀源，将固体表面物质从样品表面烧蚀出来，再在取样组件的作用下将烧蚀物质与气体混合产生持续和稳定输出的气溶胶，气溶胶被进样器转运至另一空间位置后，利用波长可调谐激光对气溶胶进行烧蚀和共振电离产生等离子体，通过选择可调谐激光波长可对分析元素特征谱线进行选择性增强，产生共振激光诱导击穿光谱(RLIBS)，可有效降低基体效应和光谱干扰对LIBS定量分析性能的影响。
(2)本发明利用高重频光纤激光持续烧蚀固体样品，将受基体差异影响较大的固体烧蚀为基本无基体差异的气溶胶，再采用取样组件(如约束腔和负压进样器)控制气溶胶行为，通过载流气体将气溶胶载运至另一个空间位置，产生可持续稳定输出的、基体统一的气溶胶，对气溶胶进行等离子体光谱激发可有效降低基体效应的影响，克服常规激光诱导击穿光谱定量分析所要求的苛刻的基体匹配问题，提高分析精准度。
(3)本发明采用波长可调谐脉冲激光作为气溶胶的等离子体激发源，利用其聚焦激光脉冲的前沿辐照气溶胶产生低密度蒸汽，用脉冲后沿对蒸汽进行共振电离，当激光波长调谐至与分析元素共振吸收能级相匹配时，大量基态待分析元素原子被激发至指定的高能级，由此高能级跃迁至低能级电子数急剧增加，使目标发射谱线选择性激发增强，从而提高分析谱线信噪比；同时，RLIBS激发产生的荧光采集门宽在纳秒量级，在此过程中未被共振激发的干扰元素原子的发射谱线只有很少一部分能被积累，因而可以得到分析谱线的选择性增强，同时可大幅度减弱其他干扰元素谱线的影响。
附图说明
图1为本发明提供的第一种具体实施方式原理图；
图2为本发明提供的第二种具体实施方式原理图；
图3为本发明提供的第三种具体实施方式原理图；
图中：1—光纤激光器；2—第一反射镜；3—第一聚焦镜；4—约束腔；5—样品；6—旋转位移台；7—底座；8—烧蚀物质；9—负压进样器；10—高压气体入口；11—波长可调谐激光器；12—第二反射镜；13—第二聚焦镜；14—等离子体；15—吸收体；16—采集光路；17—光纤；18—光谱仪；19—探测器；20—计算机；21—时序控制器；22—石英窗；23—气溶胶喷嘴。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明实例提供的一种激光烧蚀辅助共振激光诱导击穿光谱(Laser ablationassisted with resonant laser-induced breakdown spectroscopy,LA-RLIBS)检测新方法，其与现有LIBS-LIF方法(也称共振激发LIBS)的最大不同在于其采用一束波长固定激光烧蚀物质，将烧蚀物质与气体混合产生气溶胶，将气溶胶转移到一个新的空间位置后，再单纯使用波长可调谐激光对气溶胶进行等离子体激发，从而实现将分析样品基体统一为气溶胶，因此达到消除基体效应影响的目的。该方法采用高重频的光纤激光作为固体样品烧蚀源，光纤激光经反射和会聚后穿过剥蚀腔上方小孔，照射在置于旋转台上的样品表面，会聚激光束将样品熔融、溅射和蒸发，产生持续的样品气溶胶；气溶胶被吸入约束腔一侧的负压进样器(高压气体从进样器喷嘴的外腔喷出，使进样器内腔出口处形成负压，从而抽取约束腔内的烧蚀物质)，高压气体与气溶胶混合物通过进样器内腔后喷出；进样器喷嘴处气溶胶被会聚的波长可调谐激光脉冲照射，利用其脉冲前沿辐照气溶胶产生低密度蒸汽，用其脉冲后沿与蒸汽羽进行共振电离产生等离子体，当其波长调谐至与被分析元素特征谱线对应的共振激发波长一致时，可实现目标元素特征谱线几十至几百倍的增强；波长可调谐激光聚焦点下方吸收体用于吸收多余激光能量；波长可调谐激光激发气溶胶产生的等离子体发射光由采集光路(光收集器)采集后耦合进入光纤，经光纤传输至光谱仪进行分光，分光后获得的光谱信息由探测器(如ICCD)进行光电转换、积累和放大；计算机用于仪器控制和光谱数据处理；时序控制器用于产生控制激光器和探测器的同步时序信号。
如图1所示，本发明实例提出的第一种激光烧蚀辅助共振激光诱导击穿光谱检测装置主要包括激光烧蚀、共振激发、光谱采集和系统控制4个部分。
激光烧蚀部分包括高功率光纤激光器1、第一反射镜2、第一聚焦镜3、约束腔4、旋转位移台6、底座7和进样器9；高功率光纤激光器1、第一反射镜2和第一聚焦镜3依次位于同一光路上，约束腔4安装在底座7上，旋转位移台6位于约束腔4内，并位于第一聚焦镜3的出光光路上，进样器9的进口与约束腔4之间开有通道。
共振激发部分包括波长可调谐激光器11、第二反射镜12、第二聚焦镜13和吸收体15；波长可调谐激光器11、第二反射镜12和第二聚焦镜13依次位于另一光路上，吸收体15位于波长可调谐激光聚焦点下方，用于吸收多余激光能量；
光谱采集部分包括采集光路16、光纤17、光谱仪18和探测器19；采集光路16的出口通过光纤17与光谱仪18相连，探测器19与光谱仪18信号连接。
系统控制部分包括计算机20和时序控制器21，计算机20与探测器19连接，时序控制器21分别与高功率光纤激光器1、波长可调谐激光器11及探测器19电信号连接。
所述光纤激光器功率20W以上，重复频率1kHz以上，脉宽在10ns以上；所述高压气体采用Ar气等惰性气体；
所述负压进样器为同心腔结构，外腔尾管通入高压Ar气，由进样器喷嘴处喷出时使内腔形成负压，从而可吸取内腔的另一端的气溶胶，实现进样功能；
所述波长可调谐激光器采用光参量振荡器OPO波长可调谐激光器，其发射波长在200～1000nm范围可调，激光脉冲能量1mJ以上，脉宽5～10ns；
所述光谱仪为Czerny-Turner型光谱仪，可采集波长范围在200～900nm，探测器采用带有1024×256像素的面阵ICCD实现光谱信号的光电转换，ICCD具有延时采集和门宽控制功能，最小快门宽度5ns；
所述时序控制器具有A、B、C等至少三个延时信号输出通道，所有通道延时分辨率不小于5ps，通道之间延时抖动不大于50ps。
本发明第一种实施方式的具体工作过程为：
高重频的光纤激光器1产生准连续高能量激光脉冲，经第一反射镜2反射和第一聚焦镜3会聚后，穿过圆柱形约束腔4顶部的小孔，聚焦在样品5表面，为防止对样品同一位置反复烧蚀而产生深坑，将样品置于匀速的旋转位移台6上，使光纤激光烧蚀点在样品表面沿螺旋线移动，光纤激光烧蚀物质8被吸入安装在约束腔4一侧的进样器9，进样器9通过在外腔通入高压氩气10在进样器内腔出口处形成负高压，从而可将约束腔4内产生的烧蚀物质8连同空气一起被进样器9吸取出来，在进样器9出口处产生持续的气溶胶，约束腔4和旋转位移台6置于底座7上；
OPO激光器11输出的激光脉冲被第二反射镜12反射和第二聚焦镜13会聚后，聚焦点在距进样器气溶胶喷嘴2mm处，OPO激光脉冲前辐照气溶胶产生低密度蒸汽，用OPO脉冲后沿对蒸汽进行共振电离产生等离子体14，OPO激光波长λ根据被测元素特征谱线上能级EH决定：λ＝hc/EH，h是普朗克常数，c为光速，OPO能量密度F＝1～5J/cm2，具体数值可通过优化被测特征谱线信噪比选择，未被吸收的OPO激光透过等离子体后被吸收体15吸收；
采集光路16旁轴设置，用于对等离子发射光进行采集，并耦合至光纤17，经由光纤传输至光谱仪18中，分光后产生的光谱由ICCD 19进行光电转换，生成的光谱数据传输至计算机20进行储存、计算和显示；
时序控制器21通道A触发光纤激光器1，通道B触发OPO激光器11，通道C触发ICCD19，通道B和通道C延时间隔5ns，ICCD 19采集门宽100ns，增加延时可以降低连续背景干扰，减小采集门宽可以降低干扰谱线累积强度，提高分析谱线信噪比，实际测量中采集延时和门宽可依据被测分析谱线信噪比最佳适当调整；
对采集光谱进行背景扣除后，提取分析元素特征谱线强度I，利用系列标准样品建立I与分析元素含量C的工作曲线：C＝f(I)，f()表示工作曲线的函数关系，将未知样品分析元素特征谱线强度Ix带入工作曲线，可估算分析元素含量Cx。
第二种实施例如图2所示。
与第一种实施方式不同之处在于其激光烧蚀部分的气溶胶约束腔和进样方式不同，约束腔4顶部增加了可供光纤激光透射的石英窗22，高压气体入口10改在约束腔一侧底部，在高压气体入口10通入氩气，由于氩气密度高于空气密度，因而在检测前先向约束腔通入氩气将约束腔空气排出，在约束腔4另一侧与烧蚀物质8同一高度处开有气溶胶出口23，检测过程中氩气与光纤激光对样品的烧蚀物质8混合生成气溶胶，由气溶胶出口23处喷出。
与第一种实施例相比，其具体工作过程除第1步中约束腔和进样过程存在上述差异外，其他过程均与第一种实施方式相同。
第三种实施例如图3所示。
与第一种实施方式不同之处在于，其激光烧蚀部分去掉了气溶胶约束腔，而且进样方式改用一T形结构的进样器9。在进样器9的高压气体入口10通入氩气，在高速流动的氩气带动下，在进样器9的尾管内形成负压，将尾管进口处的烧蚀物质8吸入进样器9，烧蚀物质8在高速流动的氩气混合后在气溶胶喷嘴23喷出，形成供后续激发的气溶胶源。
与第一种实施例相比，其具体工作过程除第1步中约束腔和进样过程存在上述差异外，第3步中光谱采集方式由旁轴采集变为同轴采集，采集光路置于第二反射镜12后方。等离子体14的发射光经过透镜B11和反射镜12后被采集光路收集。本实施例的其他过程与第一种实施方式相同。
以上所述为本发明的几种较佳实施例，用于展示和描述本发明的基本原理、主要特征以及本发明的优点，本发明并不局限于该实施例和附图所公开的内容。在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求。
Claims (7)
1.一种激光烧蚀辅助共振激光诱导击穿光谱检测方法，其特征在于，该方法采用一束波长固定的光纤激光烧蚀待检测的固体样品，使其熔融、溅射和蒸发，产生持续的气溶胶，将气溶胶转移到一个新的空间位置后，再使用波长可调谐激光对气溶胶进行等离子体激发，即利用脉冲前沿辐照气溶胶产生低密度蒸汽，用其脉冲后沿与蒸汽羽进行共振电离产生等离子体，可消除基体效应的影响，将波长调谐至与被分析元素特征谱线对应的共振激发波长一致，对目标元素特征谱线单独增强，从而降低谱线干扰，再对等离子体发射光进行采集分析，得到待分析元素含量。
2.一种激光烧蚀辅助共振激光诱导击穿光谱检测装置，其特征在于，该装置包括激光烧蚀、共振激发、光谱采集和系统控制四个部分；
激光烧蚀部分包括光纤激光器(1)、第一反射镜(2)、第一聚焦镜(3)、旋转位移台(6)和取样组件；光纤激光器(1)、第一反射镜(2)和第一聚焦镜(3)依次位于同一光路上，旋转位移台(6)用于放置待检测物质，所述取样组件用于收集气溶胶并提供给共振激发部分进行等离子体激发；
共振激发部分包括波长可调谐激光器(11)、第二反射镜(12)、第二聚焦镜(13)和吸收体(15)；波长可调谐激光器(11)、第二反射镜(12)和第二聚焦镜(13)依次位于另一光路上，吸收体(15)位于位于第二聚焦镜(13)的的焦点外；
光谱采集部分包括采集光路(16)、光纤(17)、光谱仪(18)和探测器(19)；采集光路(16)的出口通过光纤(17)与光谱仪(18)相连，探测器(19)与光谱仪(18)连接；
系统控制部分包括计算机(20)和时序控制器(21)，计算机(20)与探测器(19)连接，时序控制器(21)分别与高功率光纤激光器(1)、波长可调谐激光器(11)及探测器(19)电信号连接；时序控制器(21)用于产生控制激光器和探测器的同步时序信号；
工作时，由高功率光纤激光器(1)发出的光纤激光会聚后照射至样品表面，会聚激光束将样品熔融、溅射和蒸发，产生持续的样品气溶胶；由所述取样组件收集并喷出，由会聚后的波长可调谐激光脉冲照射，利用其脉冲前沿辐照气溶胶产生低密度蒸汽，用其脉冲后沿与蒸汽羽进行共振电离产生等离子体，当其波长调谐至与被分析元素特征谱线对应的共振激发波长一致时，能够实现目标元素特征谱线几十至几百倍的增强，多余激光能量由吸收体(15)吸收；所述采集光路(16)采集等离子体发射光并耦合进入光纤，经光纤传输至光谱仪(18)进行分光，分光后获得的光谱信息由探测器(19)进行光电转换、积累和放大；计算机(20)用于对接收的光谱数据进行处理，得到待分析元素含量。
3.根据权利要求2所述的激光烧蚀辅助共振激光诱导击穿光谱检测装置，其特征在于，所述取样组件由约束腔(4)和进样器(9)构成，约束腔(4)顶部开有小孔，进样器(9)为同心腔结构，进样器(9)入口端与约束腔(4)的出口连通，其出口端为喷嘴，进样器(9)外腔尾管作为高压气体入口；
工作时，从高压气体入口进入高压惰性气体，使进样器(9)内腔形成负压；光纤激光经反射和会聚后穿过约束腔(4)上方小孔，照射在样品表面，会聚激光束将样品熔融、溅射和蒸发，产生持续的样品气溶胶；气溶胶被吸入约束腔(4)一侧的进样器(9)，高压气体与气溶胶混合物通过进样器(9)内腔后从进样器喷嘴处喷出，由所述共振激发系统激发气溶胶产生等离子体，等离子体发射光信号由所述采集光路进行旁轴采集。
4.根据权利要求2所述的激光烧蚀辅助共振激光诱导击穿光谱检测装置，其特征在于，所述取样组件由约束腔(4)构成，其顶部开有可供光纤激光透射的石英窗(22)，约束腔(4)一侧底部开有高压气体入口(10)；约束腔(4)另一侧与烧蚀物质(8)同一高度处开有气溶胶出口(23)；
工作时，从高压气体入口(10)通入高压惰性气体，使将约束腔(4)中空气排出，光纤激光通过石英窗(22)照射在置于旋转位移台(6)上的样品表面，会聚激光束将样品熔融、溅射和蒸发，产生持续的样品气溶胶，并由气溶胶出口(23)处喷出，由所述共振激发系统激发气溶胶产生等离子体，等离子体发射光信号由所述采集光路进行旁轴采集。
5.根据权利要求2所述的激光烧蚀辅助共振激光诱导击穿光谱检测装置，其特征在于，所述取样组件由进样器(9)构成，进样器(9)为T形结构，进样器(9)的一端作为高压气体入口(10)，另一端作为气溶胶出口(23)，进样器(9)的尾管作为烧蚀物质的进口；
工作时，从高压气体入口(10)通入高压惰性气体，在高速流动的惰性气体带动下，在进样器(9)尾管内形成负压，光纤激光照射样品表面，产生烧蚀物质，使尾管进口处的烧蚀物质被吸入进样器(9)内部，烧蚀物质与高速流动的惰性气体混合后从气溶胶出口(23)喷出，形成供后续激发的气溶胶源，再由波长可调谐激光照射产生等离子体，等离子体发射光由所述采集光路进行同轴采集。
6.根据权利要求3、4或5所述的激光烧蚀辅助共振激光诱导击穿光谱检测装置，其特征在于，所述波长可调谐激光器(11)采用光参量振荡器(OPO)波长可调谐激光器，其发射波长在200～1000nm范围可调，激光脉冲能量1mJ以上，脉宽5～10ns。
7.根据权利要求3、4或5所述的激光烧蚀辅助共振激光诱导击穿光谱检测装置，其特征在于，所述光纤激光器(1)功率在20W以上，重复频率1kHz以上，脉宽在10ns以上。
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Cited By (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108827911A (zh) * | 2018-06-13 | 2018-11-16 | 华中科技大学 | 一种显微共振激光诱导击穿光谱检测方法及系统 |
| CN108918474A (zh) * | 2018-04-26 | 2018-11-30 | 安徽师范大学 | 用于降低激光诱导击穿光谱自吸收效应的基体稀释方法 |
| CN109444248A (zh) * | 2018-11-20 | 2019-03-08 | 中国地质大学（武汉） | 一种基于激光的溶液剥蚀进样分析方法 |
| CN109507171A (zh) * | 2018-10-31 | 2019-03-22 | 安徽师范大学 | 一种表面增强激光诱导击穿光谱增强方法 |
| WO2021184558A1 (zh) * | 2020-03-17 | 2021-09-23 | 浙江大学 | 一种多气体混合libs信号增强装置和重金属检测方法 |
| CN113970540A (zh) * | 2021-09-09 | 2022-01-25 | 华南师范大学 | 一种基于激光诱导等离子体的元素同位素分析系统及方法 |
| CN114899079A (zh) * | 2021-04-28 | 2022-08-12 | 中国科学院江西稀土研究院 | 一种表面耦合诱导等离子体源的质谱电离源及相应质谱仪 |
| CN115295392A (zh) * | 2022-07-11 | 2022-11-04 | 中国科学院上海技术物理研究所 | 一种激光二次选择性电离同位素质谱分析方法 |
| CN115295393A (zh) * | 2022-07-11 | 2022-11-04 | 中国科学院上海技术物理研究所 | 一种用于同位素质谱检测的激光电离方法 |
| US11835464B1 (en) * | 2019-10-16 | 2023-12-05 | Applied Spectra, Inc. | Laser induced breakdown spectroscopy of liquid |
| CN117269008A (zh) * | 2023-09-22 | 2023-12-22 | 哈尔滨工业大学 | 一种基于激光预热的高浓度碳烟体积分数测量装置及方法 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101587074A (zh) * | 2009-06-23 | 2009-11-25 | 华中科技大学 | 一种激光探针微区成分分析仪 |
| US20120099103A1 (en) * | 2009-07-10 | 2012-04-26 | University Of Florida Research Foundation, Inc. | Method and apparatus to laser ablation-laser induced breakdown spectroscopy |
| CN103698385A (zh) * | 2013-12-06 | 2014-04-02 | 宁波检验检疫科学技术研究院 | 一种固体样品的直接分析装置 |
| CN103712962A (zh) * | 2013-12-31 | 2014-04-09 | 武汉新瑞达激光工程有限责任公司 | 一种基于气雾化与共振激发的激光探针分析仪 |
| US20140131594A1 (en) * | 2011-06-18 | 2014-05-15 | The Regents Of The University Of California | Method for generating electron beams in a hybrid laser-plasma accelerator |
| CN106645375A (zh) * | 2016-12-29 | 2017-05-10 | 华中科技大学 | 一种克服激光诱导击穿光谱中基体干扰的元素分析方法 |
-
2017
- 2017-12-15 CN CN201711347515.9A patent/CN107907530B/zh active Active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101587074A (zh) * | 2009-06-23 | 2009-11-25 | 华中科技大学 | 一种激光探针微区成分分析仪 |
| US20120099103A1 (en) * | 2009-07-10 | 2012-04-26 | University Of Florida Research Foundation, Inc. | Method and apparatus to laser ablation-laser induced breakdown spectroscopy |
| US20140131594A1 (en) * | 2011-06-18 | 2014-05-15 | The Regents Of The University Of California | Method for generating electron beams in a hybrid laser-plasma accelerator |
| CN103698385A (zh) * | 2013-12-06 | 2014-04-02 | 宁波检验检疫科学技术研究院 | 一种固体样品的直接分析装置 |
| CN103712962A (zh) * | 2013-12-31 | 2014-04-09 | 武汉新瑞达激光工程有限责任公司 | 一种基于气雾化与共振激发的激光探针分析仪 |
| CN106645375A (zh) * | 2016-12-29 | 2017-05-10 | 华中科技大学 | 一种克服激光诱导击穿光谱中基体干扰的元素分析方法 |
Cited By (18)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108918474A (zh) * | 2018-04-26 | 2018-11-30 | 安徽师范大学 | 用于降低激光诱导击穿光谱自吸收效应的基体稀释方法 |
| CN108918474B (zh) * | 2018-04-26 | 2022-07-08 | 安徽师范大学 | 用于降低激光诱导击穿光谱自吸收效应的基体稀释方法 |
| CN108827911B (zh) * | 2018-06-13 | 2023-12-19 | 华中科技大学 | 一种显微共振激光诱导击穿光谱检测方法及系统 |
| CN108827911A (zh) * | 2018-06-13 | 2018-11-16 | 华中科技大学 | 一种显微共振激光诱导击穿光谱检测方法及系统 |
| CN109507171A (zh) * | 2018-10-31 | 2019-03-22 | 安徽师范大学 | 一种表面增强激光诱导击穿光谱增强方法 |
| CN109444248A (zh) * | 2018-11-20 | 2019-03-08 | 中国地质大学（武汉） | 一种基于激光的溶液剥蚀进样分析方法 |
| CN109444248B (zh) * | 2018-11-20 | 2020-10-30 | 中国地质大学（武汉） | 一种基于激光的溶液剥蚀进样分析方法 |
| US11835464B1 (en) * | 2019-10-16 | 2023-12-05 | Applied Spectra, Inc. | Laser induced breakdown spectroscopy of liquid |
| WO2021184558A1 (zh) * | 2020-03-17 | 2021-09-23 | 浙江大学 | 一种多气体混合libs信号增强装置和重金属检测方法 |
| CN114899079A (zh) * | 2021-04-28 | 2022-08-12 | 中国科学院江西稀土研究院 | 一种表面耦合诱导等离子体源的质谱电离源及相应质谱仪 |
| CN114899079B (zh) * | 2021-04-28 | 2023-04-14 | 中国科学院江西稀土研究院 | 一种表面耦合诱导等离子体源的质谱电离源及相应质谱仪 |
| CN113970540B (zh) * | 2021-09-09 | 2023-07-04 | 华南师范大学 | 一种基于激光诱导等离子体的元素同位素分析系统及方法 |
| CN113970540A (zh) * | 2021-09-09 | 2022-01-25 | 华南师范大学 | 一种基于激光诱导等离子体的元素同位素分析系统及方法 |
| CN115295393A (zh) * | 2022-07-11 | 2022-11-04 | 中国科学院上海技术物理研究所 | 一种用于同位素质谱检测的激光电离方法 |
| CN115295392A (zh) * | 2022-07-11 | 2022-11-04 | 中国科学院上海技术物理研究所 | 一种激光二次选择性电离同位素质谱分析方法 |
| CN115295392B (zh) * | 2022-07-11 | 2024-03-26 | 中国科学院上海技术物理研究所 | 一种激光二次选择性电离同位素质谱分析方法 |
| CN117269008A (zh) * | 2023-09-22 | 2023-12-22 | 哈尔滨工业大学 | 一种基于激光预热的高浓度碳烟体积分数测量装置及方法 |
| CN117269008B (zh) * | 2023-09-22 | 2024-05-03 | 哈尔滨工业大学 | 一种基于激光预热的高浓度碳烟体积分数测量装置及方法 |
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