CN108333161B - 一种基于光纤的脉冲激光多次往返利用装置与荧光信号检测方法 - Google Patents

一种基于光纤的脉冲激光多次往返利用装置与荧光信号检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于光纤的脉冲激光多次往返利用装置与荧光信号检测方法，该装置中第一透镜、第二透镜、第三透镜、玻璃锥依次设置并且光路位于同一水平直线上，样品位置位于第一透镜和第二透镜之间的光路上，玻璃锥和准直器之间通过光纤连接，反射器位于准直器与第一透镜之间；平行于光轴的入射光经第一透镜聚焦于样品表面，然后作用于激光诱导等离子体，再经第二透镜和第三透镜组成的透镜组重新聚焦于玻璃锥表面后导入光纤，经光纤耦合，然后经准直器准直后再经反射片反射，最终与入射光平行，入射第一透镜后再次作用于样品。脉冲激光经多次往返，能够多次有效的作用于激光诱导的等离子体，从而增强检测信号的时间积分强度，提高检测灵敏度。

Description

一种基于光纤的脉冲激光多次往返利用装置与荧光信号检测 方法
技术领域
本发明涉及光电检测、应用光谱技术、光谱分析等技术领域，尤其适用于激光诱导荧光检测领域，具体涉及一种基于光纤的脉冲激光多次往返利用装置与荧光信号检测方法。
背景技术
脉冲激光由于具有较高的功率密度，广泛应用于激光诱导荧光光谱领域。在激光诱导击穿光谱—激光诱导荧光技术中，通过激光诱导荧光能实现对激光诱导等离子体中被测原子的二次激发。如何高效的利用二次脉冲激发光，是增强被测原子的受激几率、提高测量精度、消除元素间相互干扰、削弱基底效应、提高检测灵敏度的重中之重。目前对二次脉冲激光的利用仍局限于单程利用，或通过在光路中添加反射片的方法，实现对脉冲激光的二次利用，光利用率极低，从而导致信号检测的灵敏度低等问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种基于光纤的脉冲激光多次往返利用装置与方法，该装置基于光纤实现脉冲激光多次往返，通过对脉冲激光的多次重复高效利用，提高脉冲激光利用率，增强检测信号的时间积分强度，提高检测信号的灵敏度，有利于对微弱信号的探测和计量。
根据公开的实施例，本发明的第一方面公开了一种基于光纤的脉冲激光多次往返利用装置，所述的脉冲激光多次往返利用装置包括：第一透镜、第二透镜、第三透镜、玻璃锥，以及光纤、准直器和反射镜，其中第一透镜、第二透镜、第三透镜、玻璃锥依次设置并且光路位于同一水平直线上，样品位置位于第一透镜和第二透镜之间的光路上，玻璃锥和准直器之间通过光纤连接，反射器位于准直器与第一透镜之间；
平行于光轴的入射光经第一透镜聚焦于样品表面，然后作用于激光诱导等离子体，再经第二透镜和第三透镜组成的透镜组重新聚焦于玻璃锥表面后导入光纤，经光纤耦合，然后经准直器准直后再经反射片反射，最终与入射光平行，入射第一透镜后再次作用于样品。
进一步地，所述的第一透镜、所述的第二透镜、所述的第三透镜均为石英玻璃球面透镜。
进一步地，所述的玻璃锥为石英玻璃锥。
进一步地，所述的光纤为石英玻璃光纤。
根据公开的实施例，本发明的第二方面公开了一种基于光纤的脉冲激光多次往返利用装置的荧光信号检测方法，所述的荧光信号检测方法包括以下步骤：
S1、第一脉冲激光器发出高功率短脉宽的激光并经过聚焦透镜聚焦在待测样品上剥离烧蚀产生等离子体火花；
S2、第二脉冲激光器泵浦染料激光器产生特定波长的共振脉冲激光，光电二极管接收到染料激光器的脉冲激光后产生一个脉冲信号去同时触发脉冲延时控制器和数字示波器；
S3、共振脉冲激光通过基于光纤的脉冲激光多次往返利用装置往返多次作用于激光诱导等离子体火花，多次产生激光诱导荧光信号；
S4、光辐射的光学收集系统将产生的激光诱导荧光信号收集到单色仪或者光谱仪的入射狭缝处；
S5、光电倍增管将激光诱导荧光信号转换为电信号；
S6、数字示波器把光电倍增管的电信号采集后传送给电子计算机作数据分析，电子计算机同时控制单色仪或光谱仪的输出波长和/或波长范围；
S7、电子计算机选取合适的时间范围内的积分信号作为信号的相应值，该值与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。
进一步地，所述的待测样品位于移动平台上，该移动平台不断移动保证脉冲激光不会重复打在样品某一固定位置上。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
1、本发明利用光纤实现光路的多次往返，使脉冲激光能多次激发等离子体，提高了共振激光作用于等离子体的光强，增强了荧光信号的时间积分强度。
2、本发明使荧光信号更易于观察和检测，提高荧光检测灵敏度。
3、本发明公开的脉冲激光多次往返利用装置成本低廉，结构简单，易于实现。
附图说明
图1是本发明中光纤耦合装置的结构图；
图2是基于光纤耦合装置的激光诱导击穿光谱—激光诱导荧光系统示意图；
图3(a)是单程应用诱导激光时铅原子的荧光信号时域图；
图3(b)是采用基于光纤的脉冲激光多次往返利用装置探测的铅原子荧光信号时域图；
其中，1---第一脉冲激光器，2.---聚焦透镜，3---样品及移动平台，4---第二脉冲激光器，5---染料激光器，6---光电二极管，7---脉冲延时控制器，8---光纤耦合装置，9---光辐射的光学收集系统，10---单色仪或光谱仪，11---光电倍增管，12---数字示波器，13---电子计算机。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
本实施例采用一种基于光纤的脉冲激光多次往返利用技术，通过对作用于激光诱导等离子体的脉冲激光光路的调整，使光能够多次返回沿原光路作用于样品，从而增强检测信号的时间积分强度，进一步提高检测灵敏度。
如图1所示，图1是光纤耦合装置图。本实施例公开的一种基于光纤的脉冲激光多次往返利用装置包括：第一透镜、第二透镜、第三透镜、玻璃锥，以及光纤、准直器和反射镜，其中第一透镜、第二透镜、第三透镜、玻璃锥依次设置并且光路位于同一水平直线上，样品位置位于第一透镜和第二透镜之间的光路上，玻璃锥和准直器之间通过光纤连接，反射器位于准直器与第一透镜之间；
其中，第一透镜、第二透镜、第三透镜均为石英玻璃球面透镜，玻璃锥为石英玻璃锥，光纤为石英玻璃光纤；
平行于光轴的入射光经第一透镜聚焦于样品表面，然后作用于激光诱导等离子体，再经第二透镜和第三透镜组成的透镜组重新聚焦于玻璃锥表面后导入光纤，经石英玻璃光纤耦合，然后经准直器准直后再经反射片反射，最终与入射光平行，再次作用于样品。脉冲激光经过多次往返，能够多次有效的作用于激光诱导的等离子体，从而增强检测信号的时间积分强度，提高检测灵敏度。
如图2所示的基于光纤耦合装置的激光诱导击穿光谱—激光诱导荧光系统，下面以采用基于光纤的脉冲激光多次往返装置进行激光诱导击穿光谱(LIBS)—激光诱导荧光(LIF)技术探测为例，详细分析该装置在荧光信号检测中的应用。
在利用LIBS—LIF技术进行荧光信号检测时，激光诱导等离子体将被脉冲激光二次激发诱导产生荧光信号。这种荧光信号强度小、寿命短(大概20ns)，不利于微弱信号的探测和检测灵敏度的提高。如果采用这种基于光纤的脉冲激光的多次往返利用装置，使二次激发光多次激发激光诱导等离子体，从而使检测信号的时间积分强度增强，改善信噪比，提高检测灵敏度。具体探测原理如图2。
第一步：第一脉冲激光器1发出高功率短脉宽的激光并经过聚焦透镜2聚焦在待测样品上剥离烧蚀产生等离子体火花。样品位于移动平台3不断移动保证脉冲激光不会重复打在样品某一固定位置上；
第二步：第二脉冲激光器4泵浦染料激光器5产生特定波长的共振脉冲激光，光电二极管6接收到染料激光器5的脉冲激光后产生一个脉冲信号去同时触发脉冲延时控制器7和数字示波器12；
第三步：共振脉冲激光通过基于光纤的脉冲激光多次往返利用装置8往返多次作用于激光诱导等离子体火花，多次产生激光诱导荧光信号；
第四步：光辐射的光学收集系统9将产生的激光诱导荧光信号收集到单色仪或者光谱仪10的入射狭缝处；
第五步：光电倍增管11将激光诱导荧光信号转换为电信号；
第六步：数字示波器12把光电倍增管11的电信号采集后传送给电子计算机13作数据分析，电子计算机13同时控制单色仪或光谱仪10的输出波长和/或波长范围；
第七步：电子计算机13选取合适的时间范围(采样门)内的积分信号作为信号的相应值，该值与样品中元素的浓度相对应；
第八步：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3(a)和图3(b)典型的实验结果图，记录了激光诱导击穿光谱—激光诱导荧光系统探测的铜合金样品中铅原子辐射信号。共振脉冲激光波长为283.31纳米，检测波长为405.78纳米(铅原子的分析线波长)。其中，图3(a)为采用一般单程应用诱导激光探测到的铅原子的荧光信号时域图，图3(b)为采用基于光纤的脉冲激光多次往返利用装置探测的铅原子荧光信号时域图。这里两脉冲激光器的激光脉冲的延时均为8微秒。比较两时域图可知，一般的单程应用诱导脉冲激光时，只能对激光诱导等离子体进行一次激发，荧光信号的时间积分强度较小，探测灵敏度低；而采用光纤耦合装置后，能实现对诱导脉冲激光的多次往返利用，诱导激光多次激发激光诱导等离子体，产生多个荧光信号，显著增大了荧光信号在时域上的时间长度，增强了荧光信号的时间积分强度，显著改善了信噪比，从而能够显著提高检测灵敏度。
综上所述，本发明采用一种基于光纤的脉冲激光多次往返利用技术，通过对作用于激光诱导等离子体的脉冲激光光路的调整，使光能够多次返回沿原光路作用于样品，从而增强检测信号的时间积分强度，进一步提高检测灵敏度。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于光纤的脉冲激光多次往返利用装置的荧光信号检测方法，其特征在于，所述的荧光信号检测方法包括以下步骤：
S1、第一脉冲激光器发出高功率短脉宽的激光并经过聚焦透镜聚焦在待测样品上剥离烧蚀产生等离子体火花；
S2、第二脉冲激光器泵浦染料激光器产生特定波长的共振脉冲激光，光电二极管接收到染料激光器的脉冲激光后产生一个脉冲信号去同时触发脉冲延时控制器和数字示波器；
S3、共振脉冲激光通过基于光纤的脉冲激光多次往返利用装置往返多次作用于激光诱导等离子体火花，多次产生激光诱导荧光信号；其中，所述的脉冲激光多次往返利用装置包括：第一透镜、第二透镜、第三透镜、玻璃锥，以及光纤、准直器和反射镜，其中第一透镜、第二透镜、第三透镜、玻璃锥依次设置并且光路位于同一水平直线上，样品位置位于第一透镜和第二透镜之间的光路上，玻璃锥和准直器之间通过光纤连接，反射器位于准直器与第一透镜之间；
平行于光轴的入射光经第一透镜聚焦于样品表面，然后作用于激光诱导等离子体，再经第二透镜和第三透镜组成的透镜组重新聚焦于玻璃锥表面后导入光纤，经光纤耦合，然后经准直器准直后再经反射片反射，最终与入射光平行，入射第一透镜后再次作用于样品；
其中，所述激光诱导等离子体为第一脉冲激光器聚焦于样品后剥离烧蚀产生，所述入射光为第二脉冲激光器泵浦染料激光器后产生，并且根据对应样品选择特定波长的脉冲激光；
S4、光辐射的光学收集系统将产生的激光诱导荧光信号收集到单色仪或者光谱仪的入射狭缝处；
S5、光电倍增管将激光诱导荧光信号转换为电信号；
S6、数字示波器把光电倍增管的电信号采集后传送给电子计算机作数据分析，电子计算机同时控制单色仪或光谱仪的输出波长和/或波长范围；
S7、电子计算机选取合适的时间范围内的积分信号作为信号的相应值，该值与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。
2.根据权利要求1所述的一种基于光纤的脉冲激光多次往返利用装置的荧光信号检测方法，其特征在于，所述的第一透镜、所述的第二透镜、所述的第三透镜均为石英玻璃球面透镜。
3.根据权利要求1所述的一种基于光纤的脉冲激光多次往返利用装置的荧光信号检测方法，其特征在于，所述的玻璃锥为石英玻璃锥。
4.根据权利要求1所述的一种基于光纤的脉冲激光多次往返利用装置的荧光信号检测方法，其特征在于，所述的光纤为石英玻璃光纤。
5.根据权利要求1所述的一种基于光纤的脉冲激光多次往返利用装置的荧光信号检测方法，其特征在于，
所述的待测样品位于移动平台上，该移动平台不断移动保证脉冲激光不会重复打在样品某一固定位置上。
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