CN109030463A - 单次多点同时测量的激光诱导击穿光谱系统及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单次多点同时测量的激光诱导击穿光谱系统及测量方法，该系统包括：激光激发与收集子系统，用于输出激光脉冲并将激光脉冲聚焦成线光斑，收集样品光斑位置产生的等离子体发光并成像到光纤传输与分光子系统；光纤传输与分光子系统，用于对等离子体发光像进行传输并将不同波长的光散开；数据采集与处理子系统，用于将等离子体发光像呈现出来并分析不同位置等离子体发光光谱；电路控制子系统，用于向激光激发与收集子系统和数据采集与处理子系统发送控制信号，以控制各个子系统之间的时间同步。本发明不仅增大了样品测量空间范围，提高了诊断效率，而且缩短了样品测量时间，适用于固体、液体、气体、粉尘等不同领域多点诊断应用。
Description
技术领域
本发明涉及光谱测量系统领域，尤其涉及一种单次多点同时测量的激光诱导击穿光谱系统及测量方法。
背景技术
激光诱导击穿光谱技术是一种原子光谱技术用于元素的检测，主要是基于高能脉冲激光烧蚀物质，采用激光等离子的发光光谱中谱线的强度、位置等分析材料所含元素以及各元素成分之间的比例，具有简便、快速、无需样品预处理、多元素同时测量、复杂环境原位实时检测等优点，其在环境检测、工业控制、生物安全、矿产勘探等方面具有巨大的应用前景。
受制于激光能量要求，目前激光诱导击穿光谱对样品成分测量大都采用取样的方式，将高能激光聚焦到亚毫米尺度，检测该位置等离子的发光光谱，然而获得样品元素分布的全貌有利于对样品的全面认识，据此研究人员采用逐点扫描的方式研究了不同样品的元素分布图像。而对于爆轰过程，尾气排放等快速演变过程，无法采用逐点扫描获得的元素分布图像，并且非同一时刻获取的图像无法清晰认识该物理过程。
因此，发展激光诱导击穿光谱测量新方法，充分利用激光脉冲能量，实现样品的多点同时元素测量，提高诊断系统的紧凑型与实用性，对激光诱导击穿光谱技术的发展与应用将具有重要意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术存在的问题，本发明提出了一种单次多点同时测量的激光诱导击穿光谱系统及测量方法，采用单脉冲高能激光聚焦，在焦平面位置聚焦成为一条线光斑，同时激发较大面积的分析样品，形成类似椭球形状的等离子体发光体，分析等离子体的发光光谱，实现了单次多点的激光诱导击穿光谱诊断；并采用共线激发收集方式，是一种紧凑型同时多点激光诱导击穿光谱系统，并实现了对金属，粉尘等的激光诱导击穿光谱测试。本发明不仅增大了样品测量空间范围，提高了诊断效率，而且缩短了样品测量时间，适用于固体、液体、气体、粉尘等不同领域多点诊断应用。
本发明提供的一种单次多点同时测量的激光诱导击穿光谱系统，包括：
激光激发与收集子系统，用于在接收到电路控制子系统输出的控制信号后输出激光脉冲，并将激光脉冲聚焦成线光斑，收集样品光斑位置产生的等离子体发光并成像到光纤传输与分光子系统；
光纤传输与分光子系统，用于对等离子体发光像进行传输，并将不同波长的光散开；
数据采集与处理子系统，用于收集光纤传输与分光子系统分光后的等离子体发光像，将等离子体发光像呈现出来并分析不同位置等离子体发光光谱；
电路控制子系统，用于向激光激发与收集子系统和数据采集与处理子系统发送控制信号，以控制各个子系统之间的时间同步。
进一步，激光激发与收集子系统包括柱面镜、球面镜和中孔反射镜，激光脉冲经过柱面镜与球面镜的组合被聚焦成线光斑，样品光斑位置产生的等离子体发光被同一个球面镜收集并用中孔反射镜进行反射，该球面镜与另一个球面镜组成成像系统，然后将信号光成像到光纤传输与分光子系统。
进一步，光纤传输与分光子系统包括传像光纤束和光谱仪，传像光纤束用于将等离子体发光像传输到光谱仪上，光谱仪用于将不同波长的光散开。
进一步，数据采集与处理子系统包括ICCD相机即增强型阵列光电探测器，ICCD相机用于将等离子体发光像呈现出来并分析不同位置等离子体发光光谱。
本发明另一方面提供的一种单次多点同时测量的激光诱导击穿光谱系统的测量方法，包括：
电路控制子系统输出控制信号；
激光激发与收集子系统在接收到电路控制子系统输出的控制信号后输出激光脉冲，并将激光脉冲聚焦成线光斑，收集样品光斑位置产生的等离子体发光并成像到光纤传输与分光子系统；
光纤传输与分光子系统对等离子体发光像进行传输，并将不同波长的光散开；
数据采集与处理子系统收集光纤传输与分光子系统分光后的等离子体发光像，将等离子体发光像呈现出来并分析不同位置等离子体发光光谱。
进一步，采用柱面镜与球面镜将激光脉冲聚焦成线光斑，并用同一个球面镜收集样品光斑位置产生的等离子体发光，然后用中孔反射镜进行反射，将该球面镜与另一个球面镜组成成像系统，然后将信号光成像到光纤传输与分光子系统。
与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：
(1)多点同时测量样品元素成分，不需要多台激光器、光谱仪等设备。
(2)多点同时测量样品元素成分，不需扫描方式，诊断效率更高。
(3)在同一时刻测量不同空间点元素成分，有利于全面准确认识样品物理状态。
(4)采用共线激光激发与收集系统，使光谱系统更加紧凑，不需严格聚焦，对样品形态，位置无要求，能够对固体、液体、气体、气溶胶等实时测量，使用方便、灵活。
(5)一次性测量样品尺寸、间隔均可根据不同测量需求设计，适用于激光诱导击穿光谱技术在不同测量领域中的应用。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1为本发明的激光诱导击穿光谱系统结构示意图；
图2(a)-2(b)为本发明实施例的激光聚焦在样品表面示意图与模拟计算结果示意图；
图3(a)-3(f)为本发明实施例的具体测量的样品的单次多点同时激光诱导击穿光谱图以及ICCD的像素与诊断样品位置的对应关系图。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
如图1所示，本发明的激光诱导击穿光谱系统包括激光激发与收集子系统2、光纤传输与分光子系统3、数据采集与处理子系统4和电路控制子系统1。
激光激发与收集子系统2：在接收到电路控制子系统1输出的控制信号后输出激光脉冲，并将激光脉冲聚焦成线光斑，收集样品光斑位置产生的等离子体发光并成像到光纤传输与分光子系统3。在一些实施例中，激光激发与收集子系统2可以包括柱面镜、球面镜和中孔反射镜等光学组件，激光经过柱面镜与球面镜的组合被聚焦成一条线光斑，样品光斑位置产生的等离子发光被同一个球面镜收集并用中孔反射镜进行反射，该球面镜与另一个球面镜组成成像系统，然后将信号光成像到光纤传输与分光子系统3。
光纤传输与分光子系统3：将等离子体发光像一一对应地传输到光谱仪的入射端口，光栅光谱仪将不同波长的光散开。
数据采集与处理子系统4：收集光纤传输与分光子系统3分光后的等离子体发光像，将等离子体发光像呈现出来并分析不同位置等离子体发光光谱。在一些实施例中，采用增强型阵列光电探测器分析光斑位置各点等离子体发光光谱，并与样品位置一一对应。
电路控制子系统1：向激光激发与收集子系统2和数据采集与处理子系统4发送控制信号，以控制各个子系统之间的时间同步。
基于本发明的激光诱导击穿光谱系统的测量过程如下：本发明系统的测量过程与传统的激光诱导击穿光谱类似，首先，电路控制子系统1输出一个控制信号，高能量脉冲激光器接收信号后输出一个激光脉冲，激光脉冲在激光激发与收集子系统2的光路中被聚焦成一条线光斑，放置在焦点附近的样品被线光斑烧蚀成等离子体后，产生的等离子体向外发光，并被激光激发与收集子系统2成像到光纤传输与分光子系统3的光纤端面上，光纤将等离子体发光像传输到光纤传输与分光子系统3的光谱仪进行分光，并被数据采集与处理子系统4收集，ICCD相机将等离子体发光像呈现出来，最后获得不同位置等离子体发光光谱。
与传统激光诱导击穿光谱技术所不同的是：传统激光诱导击穿光谱技术一次仅能测量一个点的光谱，而本发明采用线聚焦的方式可以实现多点的同时测量。
本发明采用传像光纤束，能够将等离子体发光像传输到光谱仪上，实现了样品元素测量的空间分辨，并且采用位置分辨算法，结合两个成像球面镜组的成像关系以及光谱仪到ICCD的成像关系，计算得到ICCD中的每一个像素对应的等离子体发光位置的坐标与面积尺寸大小，提取ICCD相机的像素强度与等离子体发光位置一一对应，实现对样品元素诊断的空间分辨。
本发明将激光聚焦光学透镜组与收集透镜组融合为一体，实现了光谱系统的紧凑型设计，并保证了收集位置与激光烧蚀位置的精准重叠，而无需样品位置的严格控制，实现了测量过程的简便化与适用性。
在一个具体实施例中，采用样品为1mm的铅、铜、钨钼合金夹在镁铝合金与铬铁之间，聚焦光斑尺寸为10×1mm，如图2(a)所示。图2(b)表示模拟的聚焦位置的光斑光强分布，采用模拟计算的方式，设计聚焦光斑的尺寸为a×b，可以根据样品的具体情况与测量的要求，设计不同大小的a、b，其中a为线光斑的长度，b为线光斑最宽处的宽度。
本发明提出的多点同时测量的激光诱导击穿光谱系统，在实验中有效地实现了多层金属成分测量，分析结果表明，该系统能够实现不同空间位置的同时元素测量，并且可以通过优化设计光路系统，实现不同空间分辨率的测量。举例如表1所示。
表1本发明的结果分析
ICCD的像素与诊断样品位置的对应关系如图3(a)所示，测量的不同位置的样品光谱图如图3(b)-3(f)所示，从ICCD中提取不同空间位置的光谱图，在ICCD中样品的五层分布正好与ICCD中五个区域相互对应，并且相互之间差异明显，获得的光谱也非常清晰，本发明能够很好地实现多空间点样品元素成分的同时诊断。
本发明同时还能在连续变化的非均匀分布样品中得到使用，采用本发明的单次多点同时测量的激光诱导击穿光谱系统，结合光谱处理程序，可以获得非均匀分布样品不同位置各成分的比例以及相应变化趋势。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
Claims (6)
1.一种单次多点同时测量的激光诱导击穿光谱系统，其特征在于，包括：
激光激发与收集子系统，用于在接收到电路控制子系统输出的控制信号后输出激光脉冲，并将激光脉冲聚焦成线光斑，收集样品光斑位置产生的等离子体发光并成像到光纤传输与分光子系统；
光纤传输与分光子系统，用于对等离子体发光像进行传输，并将不同波长的光散开；
数据采集与处理子系统，用于收集光纤传输与分光子系统分光后的等离子体发光像，将等离子体发光像呈现出来并分析不同位置等离子体发光光谱；
电路控制子系统，用于向激光激发与收集子系统和数据采集与处理子系统发送控制信号，以控制各个子系统之间的时间同步。
2.根据权利要求1所述的一种单次多点同时测量的激光诱导击穿光谱系统，其特征在于，激光激发与收集子系统包括柱面镜、球面镜和中孔反射镜，激光脉冲经过柱面镜与球面镜的组合被聚焦成线光斑，样品光斑位置产生的等离子体发光被同一个球面镜收集并用中孔反射镜进行反射，该球面镜与另一个球面镜组成成像系统，然后将信号光成像到光纤传输与分光子系统。
3.根据权利要求1所述的一种单次多点同时测量的激光诱导击穿光谱系统，其特征在于，光纤传输与分光子系统包括传像光纤束和光谱仪，传像光纤束用于将等离子体发光像传输到光谱仪上，光谱仪用于将不同波长的光散开。
4.根据权利要求1所述的一种单次多点同时测量的激光诱导击穿光谱系统，其特征在于，数据采集与处理子系统包括ICCD相机即增强型阵列光电探测器，ICCD相机用于将等离子体发光像呈现出来并分析不同位置等离子体发光光谱。
5.一种单次多点同时测量的激光诱导击穿光谱系统的测量方法，其特征在于，包括：
电路控制子系统输出控制信号；
激光激发与收集子系统在接收到电路控制子系统输出的控制信号后输出激光脉冲，并将激光脉冲聚焦成线光斑，收集样品光斑位置产生的等离子体发光并成像到光纤传输与分光子系统；
光纤传输与分光子系统对等离子体发光像进行传输，并将不同波长的光散开；
数据采集与处理子系统收集光纤传输与分光子系统分光后的等离子体发光像，将等离子体发光像呈现出来并分析不同位置等离子体发光光谱。
6.根据权利要求5所述的一种单次多点同时测量的激光诱导击穿光谱系统的测量方法，其特征在于，采用柱面镜与球面镜将激光脉冲聚焦成线光斑，并用同一个球面镜收集样品光斑位置产生的等离子体发光，然后用中孔反射镜进行反射，将该球面镜与另一个球面镜组成成像系统，然后将信号光成像到光纤传输与分光子系统。
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|---|---|
| CN109030463B (zh) | 2024-01-30 |
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