CN108362682A - 一种基于复合约束增强光谱的多模光纤libs探测器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于复合约束增强光谱的多模光纤LIBS探测器，包括LIBS探头，耦合收集系统，控制检测系统三个部分，其中，LIBS探头由光纤耦合头和聚焦腔组成；耦合收集系统包括二向色镜、光纤聚焦器、光纤收集器；控制检测系统包括纳秒激光器、光谱仪、可编程脉冲延迟发生器、ICCD、计算机。本发明采用多模光纤作为传输介质，根据凸透镜成像规律将激光聚焦到待测样品表面击穿诱导等离子体，使用了复合约束增强等离子体辐射的方法提高了元素光谱强度。本发明可实现多种元素的同时分析，操作安全可靠，灵敏度高，测量精度高，光谱信噪比高，元素检出限低，分析速度快，效率高，能够进行远程在线监测，有效满足了传统的光纤LIBS检测装置的不足。

Description

一种基于复合约束增强光谱的多模光纤LIBS探测器

技术领域

本发明属于激光诊断技术领域，涉及一种基于复合约束增强光谱的多模光纤LIBS探测器。

背景技术

针对应用于磷矿和煤灰的采矿作业，不同地质条件下铀的探测，水中的环境污染物检测，爆炸残余物分析，名画的真伪鉴别，电厂废气检测等工业领域的设备关键结构的状态检测、维修及评价是社会工业生产安全性和经济性的重要支撑。为了保障检测设备在制造后和运行中结构不存在危害性缺陷和损伤，要求对检测设备关键部件进行在役和役前无损检测、评价以及运行中的有效监测。然而针对矿石开采、能源发电、环境污染等高放射性、高温、高压、高毒性等恶劣运行环境，常规的检测手段，如X射线照相技术、超声技术、涡流技术，只能应用于停机和非操作阶段，不能实现远距离的在线测量，不能完全满足恶劣工况下关键设备检测的需求。

激光诱导击穿光谱技术(Laser Induced Breakdown Spectroscopy,以下简称LIBS技术)受到人们广泛关注，LIBS是基于高功率脉冲激光聚焦于致密介质表面产生瞬态等离子体，通过探测并分析等离子体发射出的原子或离子特征谱线，实现对样本定性或定量分析的一种新型光谱测量技术。该技术在聚变能源、国防、工业等领域内具有巨大的潜在应用价值，可以通过LIBS技术检测高温、高压、高辐射的生产线中蒸汽过热弯管等人工难以到达的地方。与其他检测手段相比，LIBS技术具有明显的优势：远程在线原位检测，样本微损甚至无损，无须样本预处理，可实现多种元素同时分析等。

然而，传统的光纤LIBS系统也存在如下不足之处。首先，传统的便携式光纤LIBS探测系统也无法适应高放射性、高温、高压等恶劣运行环境(例如，华中科技大学，曾晓雁等，基于光纤激光器的便携式激光探针成分分析仪,[P]，中国，2013107403189.20151104)。其次，传统的光纤LIBS系统在聚焦击穿时需要将光纤发射出的激光通过平凸透镜变成平行光再经过平凸透镜聚焦到待测样品表面；这种准直聚焦的方式复杂，不易控制，且聚焦形成的光斑较大，击穿的效果差。再者，传统光纤LIBS系统的传输激光功率小，传输效率低，光谱信噪比低，导致测量精度较差，检测结果的可信度低。目前还没有一种在线监测的装置或者探测设备可以有效满足恶劣工况下关键设备检测的需求。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种基于复合约束增强光谱的多模光纤LIBS探测器，利用成像方式聚焦激光诱导击穿光谱，主要用于定性与定量分析测定物质中的元素成分。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种基于复合约束增强光谱的多模光纤LIBS探测器，包括LIBS探头、耦合收集系统以及控制检测系统；其中，LIBS探头包括聚焦腔，以及安装在聚焦腔前端的光纤耦合头，聚焦腔内设置有第一平凸透镜；耦合收集系统包括光纤聚焦器、二向色镜以及光纤收集器；控制检测系统包括光谱仪、ICCD、纳秒激光器、计算机以及可编程脉冲延迟发生器；光纤聚焦器通过传输光纤与聚焦腔相连，并与第一平凸透镜设置在同一光路上；光纤收集器通过收集光纤与光谱仪相连。

本发明进一步的改进在于：

聚焦腔的上下壁面分别设有能够开关的进气口和出气口，进气口和出气口与外部气室之间通过导管连接，并通过管道向聚焦腔和光纤耦合头内充入氩气、氦气以及氮气用于调整激光能量对待测管道所产生的LIBS光谱的影响；通过出气口抽取聚焦腔和光纤耦合头内的空气形成真空环境或不同气压的条件；通过进气口和出气口在LIBS探头内制造多种气体介质环境或真空环境，以满足不同波长的激光检测特定元素的介质环境要求。

光纤耦合头包括永久磁体、磁体约束体以及空间约束体；空间约束体为圆柱筒形，其外表面为能够与待测管道壁面完全紧密贴合的相贯面形状；空间约束体的外径为8mm，与聚焦腔之间通过螺纹结构紧密连接；磁体约束体的上部和下部均开设有凹槽，永久磁体置于两凹槽中；磁体约束体中的长方形的凹槽长度为8mm，宽度为5mm，高度为8mm。

聚焦腔包括进气口、出气口、平行导轨、第一平凸透镜、接杆支架以及微动控制器；传输光纤通过第一光纤连接器与聚焦腔相连；平行导轨安装在聚焦腔内底部中央位置，接杆支架安装在平行导轨上，第一平凸透镜安装在接杆支架上；光纤耦合头、第一平凸透镜和第一光纤连接器在同一光路上，且光纤耦合头的中心、第一平凸透镜的中心以及第一光纤连接器的中心在同一直线上；第一光纤连接器放置在聚焦腔中第一平凸透镜的一倍焦距之外；第一平凸透镜的直径为25.4mm，焦距为16mm。

传输光纤和收集光纤均为二氧化硅包层的多模光纤；传输光纤的长度为3m，光纤芯径为800μm，数值孔径为0.37，最大功率密度为50kW/cm²；收集光纤的长度为1m，光纤芯径为400μm，数值孔径为0.22。

传输光纤通过第二光纤连接器与光线聚焦器相连；收集光纤通过第三光纤连接器与光纤收集器相连。

第二光纤连接器和第三光纤连接器由SMA905不锈钢制成。

光纤聚焦器、二向色镜以及光纤收集器均位于同一光路；光纤聚焦器安装在二向色镜的反射面一侧，光纤收集器安装在二向色镜的透射面一侧；光纤聚焦器由第二平凸透镜和第二光纤连接器组成；光纤收集器由第三平凸透镜和第三光纤连接器组成；光纤聚焦器中的第二平凸透镜和光纤收集器中的第三平凸透镜均与纳秒激光器的输出激光光轴平行。

二向色镜与纳秒激光器的输出激光光轴成45°夹角，二向色镜为短波通二向色镜，直径为50.8mm，截止波长为805nm；第二平凸透镜的直径为12.7mm，焦距为100mm；第三平凸透镜的直径为12.7mm，焦距为40mm。

LIBS探头还包括微动控制器，微动控制器安装在聚焦腔的腔体外，用于控制接杆支架和平行导轨的连接处在平行导轨上的位移；微动控制器与计算机通过电信号连接。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明基于复合约束增强光谱的光纤LIBS探测器，安装于恶劣工况中人工难以到达的关键结构的检测轨道上，利用复合的光谱增强技术在线远程原位检测。实现了高放射性、高温、高压等恶劣运行环境下关键设备检测的需求。本发明可以提供多种气体介质环境，无须从管道结构上截取样本，无须对管道结构进行预处理，管道表面微损甚至无损，可实现多种元素的同时分析，操作安全可靠，测量精度高，分析速度快，效率高。最后，本发明基于符合复合增强光谱的多模光纤LIBS探测器灵敏度高，光谱信噪比高，分析速度快，测量安全，元素检出限低，能够进行远程在线监测，有效满足了传统的光纤LIBS检测装置的不足。

进一步的，本发明传输光纤的数值孔径为0.37，收集光纤的数值孔径为0.22，大数值孔径有利于光纤输入端光线的耦合进入，而在输出端却由于多模光纤的发散性及离轴性使输出的激光难以聚焦打靶；低数值孔径提供了较低的光束发散度和均匀的光斑尺寸，这可以有助于光束传播后聚焦光束。

进一步的，本发明经过二向色镜反射的平行激光束通过第二平凸透镜聚焦进入高功率传输光纤中进行传输，传输光纤的第二光纤连接器的输入端放置在焦点后面约3mm处，以避免在光纤耦合时强大的聚焦能量损坏多模光纤芯部包层的边界

附图说明

图1为基于复合约束增强光谱的多模光纤LIBS探测器的总体结构图；

图2为光纤耦合头贴合测管道表面击穿诱导产生等离子体羽的示意图；

图3为无约束增强光谱和复合约束增强光谱的等离子辐射谱线对比图；

图4为LIBS探头部分的具体结构示意图；

图5为多模光纤LIBS探测器参数设置环节的工作流程图；

图6为多模光纤LIBS探测器激光诱导环节的工作流程图；

图7为多模光纤LIBS探测器收集光谱环节的工作流程图；

图8为多模光纤LIBS探测器处理分析环节的工作流程图。

图中：A-多模光纤LISB探测器的LIBS探头部分；B-多模光纤LISB探测器的耦合收集系统；C-多模光纤LISB探测器的控制检测系统；1-聚焦腔；2-进气口；3-永久磁体；4-磁体约束体；5-空间约束体；6-光纤耦合头；7-出气口；8-平行导轨；9-平凸透镜；10-接杆支架；11-微动控制器；12-光纤连接器；13-光纤连接器；14-光纤聚焦器；15-传输光纤；16-平凸透镜；17-二向色镜；18-平凸透镜；19-光纤收集器；20-光纤连接器；21-收集光纤；22-光谱仪；23-ICCD；24-纳秒激光器；25-计算机；26-可编程脉冲延迟发生器；27-待测管道；28-等离子体羽。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1-8，本发明基于符合约束增强光谱的多模光纤LIBS探测器，包括LIBS探头A、耦合收集系统B以及控制检测系统C三个部分；其中，LIBS探头A由聚焦腔1和光纤耦合头6组成，光纤耦合头6由永久磁体3、磁体约束体4及空间约束体5组成；聚焦腔1由进气口2、出气口7、平行导轨8、第一平凸透镜9、接杆支架10以及微动控制器11组成；耦合收集系统B包括光纤聚焦器14、二向色镜17以及光纤收集器19；控制检测系统C包括光谱仪22、ICCD23、纳秒激光器24、计算机25以及可编程脉冲延迟发生器26。

本发明所使用的光纤为二氧化硅包层的多模光纤。传输光纤15的长度为3m，光纤芯径为800μm，数值孔径为0.37，最大功率密度为50kW/cm²；收集光纤19的长度为1m，光纤芯径为400μm，数值孔径为0.22。光纤的两端使用SMA905不锈钢光纤连接器连接。大数值孔径有利于光纤输入端光线的耦合进入，而在输出端却由于多模光纤的发散性及离轴性使输出的激光难以聚焦打靶；低数值孔径提供了较低的光束发散度和均匀的光斑尺寸，这可以有助于光束传播后聚焦光束。等离子体发射的光子沿传输光纤15反向传输。此时，传输光纤15的激光输出端变为光子输入端，传输光纤15的激光输入端变为光子的输出端。可根据实际需要更换不同型号、不同长度、不同直径和不同数值孔径的多模光纤。

LIBS探头A中的平行导轨8安装在聚焦腔1内底部中央位置，接杆支架10安装在平行导轨8上，第一平凸透镜9安装在接杆支架10上；光纤耦合头6、第一平凸透镜9、第一光纤连接器12在同一光路上，且光纤耦合头6中心、第一平凸透镜9中心、第一光纤连接器12中心在同一直线上。其中，第一平凸透镜9的直径为25.4mm，焦距为16mm。

耦合收集系统B中的光纤聚焦器14、二向色镜17、光纤收集器19均位于同一光路，且二向色镜17与纳秒激光器24的输出激光光轴成45°夹角，其中短波通二向色镜17的截止波长为805nm；光纤聚焦器14安装在二向色镜17的反射面一侧，光纤收集器19安装在二向色镜17的透射面一侧；光纤聚焦器14由第二平凸透镜16和第二光纤连接器13组成，其中第二平凸透镜16的直径为12.7mm，焦距为100mm；光纤收集器19由另一第三平凸透镜18和第三光纤连接器20组成，其中第三平凸透镜18的直径为12.7mm，焦距为40mm。光纤聚焦器14中的第二平凸透镜16和光纤收集器19中的第三平凸透镜18均与纳秒激光器24的输出激光光轴平行。

二向色镜17为短波通二向色镜，直径为50.8mm，截止波长为805nm。对于830-1300nm波长的光，二向色镜17的反射率可以达到96％以上；对于波长为400-792nm波长的光，其通光率也能达到90％以上。

经过二向色镜17反射的平行激光束通过第二平凸透镜16聚焦进入高功率传输光纤15中进行传输，传输光纤15的第二光纤连接器13的输入端放置在焦点后面约3mm处，以避免在光纤耦合时强大的聚焦能量损坏多模光纤芯部包层的边界.

与LIBS探头A连接的第一光纤连接器12放置在聚焦腔1中第一平凸透镜9的一倍焦距之外，根据凸透镜的成像规律，通过透镜的激光会在第一平凸透镜9的另一侧形成倒立的实像，在此过程中激光在第一平凸透镜9的另一侧存在聚焦，光纤耦合头6处的待测管道27表面正好位于激光聚焦的焦点处。设U为物距，V为像距，f为焦距，那么物距U与像距V之间满足如下关系式：

由纳秒激光器24输出的38J能量的激光经过光纤聚焦器14，通过传输光纤15进入聚焦腔内3，由第一平凸透镜9聚焦后的激光强度可以达到33J，耦合聚焦的效率达到87％以上，击穿待测管道27表面可以成功诱导出等离子体羽28。

本发明所使用的微动控制器11安装在聚焦腔1的腔体外，控制接杆支架10和平行导轨8的连接处在平行导轨8上的位移。微动控制器11与计算机25通过电信号连接，可以通过软件控制调节也可以进行手动调节，其控制精度可达10μm。

可以通过计算机25给微动控制器11传输电信号，控制微动控制器11的动作。微动控制器11带动接杆支架10在平行导轨8上的移动，从而改变第一平凸透镜9的前后位置，微调第一光纤连接器12和第一平凸透镜9之间的距离U，进而改变激光在第一平凸透镜9另一侧聚焦的焦点位置，即像距V，使得激光击穿待测管道27所产生的等离子体的效果最显著。

本发明所使用的纳秒激光器24为Nd：YAG纳秒激光器，该激光器在二次谐波下以1-10Hz工作频率运行(1064nm)。脉冲宽度FWHM为10ns，最大脉冲能量为150mJ，激光光束直径为6mm。

图2是光纤耦合头6贴合待测管道27表面击穿诱导产生等离子体羽28的示意图。光纤耦合头6中的空间约束体5的外表面设计为相贯面形状，可与待测管道27壁面完全紧密贴合。空间约束体5的外径为8mm，与聚焦腔1之间通过螺纹结构紧密连接。根据待测管道27的半径大小的不同，本发明设计了与直径为20cm、25cm、50cm、75cm、100cm的待测管道27壁面相适应的贴合面的不同型号空间约束体5的光纤耦合头6。本发明可根据实际更换不同结构、不同型号和不同尺寸参数的光纤耦合头6来满足需求。

在计算机25中的软件上设有不同的推荐物距U，即第一光纤连接器12和第一平凸透镜9之间的距离，对应于不同的空间约束体5的长度。当更换不同长度的光纤耦合头6后，通过向软件中输入光纤耦合头6的长度，软件将自适应调节物距U，计算机25控制微动控制器11按已计算好的理论最佳物距U来微调第一平凸透镜9的位置，使得激光在第一平凸透镜9另一侧聚焦的焦点位置正好落于待测管道27的表面，发生击穿并产生等离子体羽28。在此之上，也能通过手动旋转微动控制器11来调节第一光纤连接器12和第一平凸透镜9之间的距离，使之获得更显著的激光击穿诱导等离子体的效果。

磁体约束体4由光纤耦合头6的上下部分的凹槽及置于其中的永久磁体3组成。磁体约束体4中的长方形的凹槽长度为8mm，宽度为5mm，高度为8mm。在凹槽中放入永久磁体3可在其间隙中形成一个近似匀强磁场，形成激光诱导等离子体的磁场约束条件。通过同时更改上下两凹槽放置的永久磁体3的磁极方向，可以得到方向相反的近似匀强磁场。本发明可根据需求更换不同材料的永久性磁体形成不同的约束磁场。

空间约束体5为圆柱筒形，待测管道27表面被激光击穿产生的等离子体羽28和冲击波在向外扩散的过程中撞到空间约束体5的圆柱形内壁发生反射，沿径向向中心传播回来，反射回来的冲击波对向外扩散速度较慢的等离子体造成二维约束，加强了等离子体的发光强度。本发明设有内径从3-5mm、长度从5-10mm的不同尺寸参数的空间约束体5，可根据需求得到不同程度空间约束加强的等离子体。

本发明在激光聚焦到待测管道27表面击穿诱导产生等离子体羽28过程中，将磁场约束和圆柱形空间约束相结合，构成了基于磁场和空间的双重约束的复合约束增强等离子辐射，能够大幅度增强LIBS的光谱强度，从而改进了探测灵敏度和元素检出限。图3是无约束增强光谱和复合约束增强光谱的等离子辐射谱线对比图，可以看到基于符合复合约束增强光谱的探测系统与无复合约束增强光谱的探测系统相比，所测得的辐射光谱的谱线强度最大增强倍数可达15倍以上。

图4给出了LIBS探头A部分的具体结构示意图，其中光纤耦合头6和聚焦腔1均采用耐高温的石英玻璃材料制成。可以通过现场安置的微型摄像机或高分辨监控观测到光纤耦合头6中的激光聚焦位置、等离子体的发光强度；观测到聚焦腔1内的第一平凸透镜9的位置信息，方便通过计算机25控制微动控制器11，从而实现微调安装在接杆支架10的第一平凸透镜9的前后位置，通过改变物距U的大小，使之获得更显著的激光击穿诱导等离子体的效果。

聚焦腔1的上下壁面分别设有可开关的进气口2和出气口7，进气口2和出气口7与外部气室之间通过导管连接，通过管道向聚焦腔1和光纤耦合头6内充入氩气(Ar)、氦气(He)以及氮气(N2)等气体介质调整激光能量对待测管道27所产生的LIBS光谱的影响；通过出气口7可以抽取聚焦腔1和光纤耦合头6内的空气形成真空环境或不同气压的条件。通过进气口2和出气口7可以在LIBS探头A内制造多种气体介质环境或真空环境，以满足不同波长的激光检测特定元素的介质环境要求。

本发明的具体工作流程如下所示：

1.参数设置

如图5的参数设置环节的工作流程图所示，首先选择合适尺寸型号的光纤耦合头6，并使用软件控制微动控制器11自适应调节物距U，将纳秒激光器24工作在内触发模式，激光器间隔发出连续脉冲。通过软件设置可编程脉冲延迟发生器26的参数，改变纳秒激光器24的出光信号与ICCD23门宽信号的延时，使得在计算机25的软件上观测到的光谱图为效果较好的线性辐射谱图。通过软件微调微动控制器11进而调节第一平凸透镜9的位置，使得聚焦在待测管道27表面上的激光击穿诱导产生出的等离子体羽28的发光强度最大，表现在谱线强度上即为从光谱仪22上采集到的谱线强度最大。

2.激光诱导

如图6的流程图所示，通过进气口2和出气口7在聚焦腔1和光纤耦合头6内制造检测元素时所需要的气体介质环境；在软件上将纳秒激光器24的工作模式改为外触发，通过软件控制可编程脉冲延迟发生器26控制纳秒激光器24的出光及光谱仪22的门宽信号。纳秒激光器24中发出的波长为1060nm的激光经过短波通二向色镜17反射进入光纤聚焦器14中，且激光与二向色镜的夹角为45°；进入光纤聚焦器14的激光通过第二平凸透镜16聚焦进入高功率传输光纤15中进行传输，从传输光纤15射出的激光进入到聚焦腔1中；传输光纤15一侧的光纤连接头10位于第一平凸透镜9的一倍焦距之外，通过第一平凸透镜9的激光会在透镜的另一侧存在聚焦，照射到待测管道27表面产生等离子体羽28。

3.收集光谱

图7是激光击穿诱导产生等离子后探测器收集光谱的工作流程图。等离子体羽28的辐射在经过光纤耦合头6的复合约束增强后，由于光路是可逆的，等离子体羽28发射的光子通过聚焦腔1内的第一平凸透镜9聚焦到传输光纤15一侧的第一光纤连接器12中；等离子辐射光子沿传输光纤15反向传输。此时，传输光纤15的激光输出端变为光子输入端，传输光纤15的激光输入端变为光子的输出端。从第二光纤连接器13射出的光束通过第二平凸透镜16变为平行光，平行光通过二向色镜17进入到光纤收集器中；进入光纤收集器19的光束经过第三平凸透镜18聚焦到收集光纤19中，进而输入到光谱仪22中。

4.处理分析

图8是系统处理分析上一步中收集到的光谱数据的工作过程。光谱仪22在每次进行待测管道27的测量之前，将进行环境背景光谱的采样。每次测量时，纳秒激光器24将间隔发射出50发次的脉冲激光，每次激光击穿待测管道27表面产生的等离子体光谱经过光路传输到光谱仪22中；光谱仪22将采集到的50发次脉冲产生的光谱累加传递到计算机25中提供给用户，软件可以自动将得到的光谱数据与数据库中的LIBS元素光谱信息进行分析对比，提供给用户待测管道27中所含的元素种类及对应的谱线强度，并且可以进一步通过定标曲线确定待测管道27中的元素含量。

本发明所使用的光纤为二氧化硅包层的多模光纤，光纤的两端使用不锈钢光纤连接器连接。光纤聚焦器和LIBS探头之间通过传输光纤连接；光收集器与光谱仪之间通过收集光纤连接。相比于单模光纤，多模光纤芯径较粗，传输能量较大，不会存在过多的损耗，成本价格较低，在中短距离的激光传输中更具优势。在本发明中，可根据实际需要更换不同型号、不同直径和不同数值孔径的多模光纤。

本发明的原理：

光纤耦合头中的磁体约束体的上下部分均设置了长方形的凹槽，在凹槽中放入永久性磁体可在其间隙中形成一个近似匀强磁场，形成激光诱导等离子体的磁场约束条件。本发明可根据需求更换不同材料的永久性磁体形成不同的约束磁场。

本发明在激光聚焦到待测管道表面击穿诱导产生等离子过程中，将磁场约束和圆柱形空间约束相结合，构成了基于磁场和空间的双重约束的复合约束增强等离子辐射，能够大幅度增强LIBS的光谱强度，从而改进了探测灵敏度和元素检出限。

聚焦腔内设有可开关的进气口和出气口，进气口和出气口与外部气室之间通过导管连接。通过进气口和出气口可以在LIBS探头内制造多种气体介质环境或真空环境，以满足不同波长的激光检测特定元素的介质环境要求。

微动控制器与计算机通过电信号连接，可以通过计算机给微动控制器传输电信号，从而控制接杆支架在平行导轨上的移动。计算机分别与可编程脉冲延迟发生器与光谱仪同时连接，使用计算机设置延时并控制纳秒激光器以及门控ICCD。光谱仪所采集到的光谱信号传输到计算机上进行后续的光谱分析与算法处理。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于复合约束增强光谱的多模光纤LIBS探测器，其特征在于，包括LIBS探头(A)、耦合收集系统(B)以及控制检测系统(C)；其中，LIBS探头(A)包括聚焦腔(1)，以及安装在聚焦腔(1)前端的光纤耦合头(6)，聚焦腔(1)内设置有第一平凸透镜(9)；耦合收集系统(B)包括光纤聚焦器(14)、二向色镜(17)以及光纤收集器(19)；控制检测系统(C)包括光谱仪(22)、ICCD(23)、纳秒激光器(24)、计算机(25)以及可编程脉冲延迟发生器(26)；光纤聚焦器(14)通过传输光纤(15)与聚焦腔(1)相连，并与第一平凸透镜(9)设置在同一光路上；光纤收集器(19)通过收集光纤(21)与光谱仪(22)相连。

2.根据权利要求1所述的基于复合约束增强光谱的多模光纤LIBS探测器，其特征在于，聚焦腔(1)的上下壁面分别设有能够开关的进气口(2)和出气口(7)，进气口(2)和出气口(7)与外部气室之间通过导管连接，并通过管道向聚焦腔(1)和光纤耦合头(6)内充入氩气、氦气以及氮气用于调整激光能量对待测管道(27)所产生的LIBS光谱的影响；通过出气口(7)抽取聚焦腔(1)和光纤耦合头(6)内的空气形成真空环境或不同气压的条件；通过进气口(2)和出气口(7)在LIBS探头(A)内制造多种气体介质环境或真空环境，以满足不同波长的激光检测特定元素的介质环境要求。

3.根据权利要求1所述的基于复合约束增强光谱的多模光纤LIBS探测器，其特征在于，光纤耦合头(6)包括永久磁体(3)、磁体约束体(4)以及空间约束体(5)；空间约束体(5)为圆柱筒形，其外表面为能够与待测管道(27)壁面完全紧密贴合的相贯面形状；空间约束体(5)的外径为8mm，与聚焦腔(1)之间通过螺纹结构紧密连接；磁体约束体(4)的上部和下部均开设有凹槽，永久磁体(3)置于两凹槽中；磁体约束体(4)中的长方形的凹槽长度为8mm，宽度为5mm，高度为8mm。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的基于复合约束增强光谱的多模光纤LIBS探测器，其特征在于，聚焦腔(1)包括进气口(2)、出气口(7)、平行导轨(8)、第一平凸透镜(9)、接杆支架(10)以及微动控制器(11)；传输光纤(15)通过第一光纤连接器(12)与聚焦腔(1)相连；平行导轨(8)安装在聚焦腔(1)内底部中央位置，接杆支架(10)安装在平行导轨(8)上，第一平凸透镜(9)安装在接杆支架(10)上；光纤耦合头(6)、第一平凸透镜(9)和第一光纤连接器(12)在同一光路上，且光纤耦合头(6)的中心、第一平凸透镜(9)的中心以及第一光纤连接器(12)的中心在同一直线上；第一光纤连接器(12)放置在聚焦腔(1)中第一平凸透镜(9)的一倍焦距之外；第一平凸透镜(9)的直径为25.4mm，焦距为16mm。

5.根据权利要求1所述的基于复合约束增强光谱的多模光纤LIBS探测器，其特征在于，传输光纤(15)和收集光纤(21)均为二氧化硅包层的多模光纤；传输光纤(15)的长度为3m，光纤芯径为800μm，数值孔径为0.37，最大功率密度为50kW/cm²；收集光纤(19)的长度为1m，光纤芯径为400μm，数值孔径为0.22。

6.根据权利要求1或5所述的基于复合约束增强光谱的多模光纤LIBS探测器，其特征在于，传输光纤(15)通过第二光纤连接器(13)与光线聚焦器(14)相连；收集光纤(21)通过第三光纤连接器(20)与光纤收集器(19)相连。

7.根据权利要求6所述的基于复合约束增强光谱的多模光纤LIBS探测器，其特征在于，第二光纤连接器(13)和第三光纤连接器(20)由SMA905不锈钢制成。

8.根据权利要求1所述的基于复合约束增强光谱的多模光纤LIBS探测器，其特征在于，光纤聚焦器(14)、二向色镜(17)以及光纤收集器(19)均位于同一光路；光纤聚焦器(14)安装在二向色镜(17)的反射面一侧，光纤收集器(19)安装在二向色镜(17)的透射面一侧；光纤聚焦器(14)由第二平凸透镜(16)和第二光纤连接器(13)组成；光纤收集器(19)由第三平凸透镜(18)和第三光纤连接器(20)组成；光纤聚焦器(14)中的第二平凸透镜(16)和光纤收集器(19)中的第三平凸透镜(18)均与纳秒激光器(24)的输出激光光轴平行。

9.根据权利要求8所述的基于复合约束增强光谱的多模光纤LIBS探测器，其特征在于，二向色镜(17)与纳秒激光器(24)的输出激光光轴成45°夹角，二向色镜(17)为短波通二向色镜，直径为50.8mm，截止波长为805nm；第二平凸透镜(16)的直径为12.7mm，焦距为100mm；第三平凸透镜(18)的直径为12.7mm，焦距为40mm。

10.根据权利要求1所述的基于复合约束增强光谱的多模光纤LIBS探测器，其特征在于，LIBS探头(A)还包括微动控制器(11)，微动控制器(11)安装在聚焦腔(1)的腔体外，用于控制接杆支架(10)和平行导轨(8)的连接处在平行导轨(8)上的位移；微动控制器(11)与计算机(25)通过电信号连接。