CN109239055B - 共心多径腔增强激光诱导击穿光谱高灵敏检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于激光光谱技术应用领域。一种激光诱导击穿光谱的高灵敏微量元素检测装置，包括与数字延时脉冲发生器（1）连接的第一激光器（2）和第二激光器（3）、处于第一激光器（2）激光发射方向的激光脉冲反射镜（5）、第一聚光装置（6）、第二聚光装置（4）、共心多径腔（8）、光纤及光谱仪（10）。本发明还涉及一种激光诱导击穿光谱的高灵敏微量元素检测方法。本发明将共心多径腔耦合入平行于样品的激光光路，对该束激光进行多次反射并会聚于样品烧蚀点附近，将正交双脉冲击穿过程中的剩余激光能量进行回收利用，可以有效增强谱线信号，达到更低的检测限。

Description

共心多径腔增强激光诱导击穿光谱高灵敏检测装置及方法

技术领域

本发明属于激光光谱技术应用领域，特别涉及一种共心多径腔增强激光诱导击穿光谱高灵敏检测装置及检测方法。

背景技术

统计数据显示，截至2017年，我国的战略原油储备仅能维持32天，远低于国际能源署设定的90天安全标准线。我国煤炭资源丰富，以煤补充原油储备缺口，就成为我国的战略急需技术。目前，我国已在煤制油、煤制烯烃等煤化工技术取得了重大突破，而具体工艺流程中要对原煤进行全元素快速分析，例如检测煤中As、Na等微量元素以防止反应催化剂的中毒失活，现有的煤质分析方法均难以满足这个需求。此外，其他领域也急需微量元素快速分析技术，例如对冶炼中Mn、Zn等的检测能够预控并保障高炉的安全稳定作业，对土壤中生物毒性显著的Cu、Hg等的检测有助于污染源监管和修复治理。激光诱导击穿光谱技术通过测定激光诱导等离子体的发射光谱来确定样品所含元素种类和含量，能实现多元素同时快速分析，可以适应以上检测的需求。

另一方面，针对该技术检测限的不足，可以通过增强元素谱线信号、改善谱线信噪比来实现。目前应用较为普遍的是使用双脉冲激光，通过二次激光脉冲重新激发等离子体，提高探测灵敏度并降低检测限。虽然双脉冲的应用可使元素检测限较单脉冲情况降低2~14倍，但仍不能满足某些行业要求。例如，国家《商品煤质量管理暂行办法》规定煤化工用煤中As含量应低于80 ppm，而目前双脉冲检测限为160 ppm；国标GB /T24487《氧化铝》规定氧化铝中Mn含量应低于8 ppm，而目前双脉冲检测限为38 ppm；国标GB15618《土壤环境质量标准》中规定一级土壤中Cu含量应低于35 ppm，而目前双脉冲检测限为80 ppm。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：如何提高激光诱导击穿光谱的检测灵敏度，降低检测限。

本发明所采用的技术方案是：一种激光诱导击穿光谱的高灵敏微量元素检测装置，包括与数字延时脉冲发生器（1）连接的第一激光器（2）和第二激光器（3）、处于第一激光器（2）激光发射方向的激光脉冲反射镜（5）、第一聚光装置（6）、第二聚光装置（4）、共心多径腔（8）、光纤及光谱仪（10），第一激光器（2）发出的激光经过反射镜（5）反射和第一聚光装置（6）会聚后射入共心多径腔（8）形成垂直于共心多径腔（8）轴线方向的烧蚀激光，烧蚀激光在第一聚光装置（6）作用下聚焦于一点即烧蚀点，第二激光器（3）发出的激光经过第二聚光装置（4）会聚后射入共心多径腔（8）形成平行于共心多径腔（8）轴线方向的增强激光，增强激光到烧蚀点间的垂直距离为0-2.5mm。

作为一种优选方式：共心多径腔（8）由具有共同曲率中心的两面凹镜及处于两面凹镜之间的腔体组成，其中一块凹镜上偏离主光轴的位置上有一个小孔，经过第二聚光装置（4）会聚后的激光通过小孔射入共心多径腔（8）的内部腔体。

一种激光诱导击穿光谱的高灵敏微量元素检测装置检测微量元素的方法，将样品（9）的上表面置于烧蚀点，通过数字延时脉冲发生器（1）使第一激光器（2）和第二激光器（3）发出相同频率、具有固定时间间隔的脉冲激光，第一激光器（2）和第二激光器（3）的发射激光的时间差为-10~10微秒，第一激光器（2）发出的激光经过反射镜（5）反射后以垂直方向射入第一聚光装置（6），通过第一聚光装置（6）射出的激光聚焦于样品（9）的上表面的烧蚀点烧蚀样品产生等离子体；从第二激光器（3）射出的激光经过第二聚光装置（4）会聚后以垂直于烧蚀激光方向通过共心多径腔（8）的一面凹镜上的孔进入共心多径腔（8），然后在共心多径腔（8）作用下会聚于烧蚀点上方垂直距离0-2.5mm处对等离子体发射光谱进行增强，增强的等离子体发射光谱被光纤及光谱仪（10）收集。

本发明的有益效果是：本发明将共心多径腔耦合入平行于样品的激光光路，对该束激光进行多次反射并会聚于样品烧蚀点附近，将正交双脉冲击穿过程中的剩余激光能量进行回收利用，可以有效增强谱线信号，达到更低的检测限。

附图说明

图1是本发明装置原理图；

图2是共心多径腔示意图；

图3是Al原子谱线强度和信噪比图

其中，1、数字延时脉冲发生器，2、第一激光器，3、第二激光器，4、第二聚光装置，5、反射镜，6、第一聚光装置，7、微负压抑尘装置，8、共心多径腔，9、样品，10、光纤及光谱仪，11、第一凹面镜，12、第二凹面镜，13、烧蚀激光。

具体实施方式

如图1所示，在数字延时脉冲发生器1的控制下，第一激光器2和第二激光器3按照-10~10微秒时间间隔分别输出相同频率激光。其中，激光器2输出的激光经反射镜5及第一聚光系统6垂直聚焦于样品9表面，烧蚀样品产生等离子体，称为烧蚀激光；激光器3输出的激光脉冲经第二聚光系统4垂直于烧蚀激光会聚方向射入共心多径腔8，并聚焦在激光烧蚀点上方0-2.5mm处，具体高度取决于烧蚀激光产生等离子体的大小，共心多径腔的中心高度与此相对应。微负压抑尘装置可以采用也可以不采用，其实质为一台真空吸气机。

如图2所示，共心多径腔由具有共同曲率中心的两面凹镜及处于两面凹镜之间的腔体组成，其中一块凹镜上偏离主光轴的位置上一个小孔，经过第二聚光装置4会聚后的激光通过小孔射入共心多径腔8的内部腔体。第一凹面镜11和第二凹面镜12拥有共同的曲率中心，半径可以不相同，在第一凹面镜11上偏离主光轴的位置上开有圆形孔，激光由该圆形孔射入腔内，会聚激光束的中轴线、两腔镜的主光轴处于同一平面，令激光束的会聚点位于偏离曲率中心0.1-1.5mm处，且会聚点与曲率中心的连线跟入射腔镜主光轴的夹角约为90°，这样激光束在腔内的反射光不沿原路径返回，而是向顺时针或者逆时针方向偏转，直到射出腔外。激光的会聚中心位于以曲率中心为圆心，0.2-3mm半径的圆上，由于反射次数有限，近似于两个间距为圆直径的会聚点。因共心多径腔8的中心，也就是曲率中心，位于激光烧蚀点上方0-2.5mm处，腔内的激光能够会聚到等离子体扩散的区域并实现多次作用.

使用1064nm、6ns、10Hz、33mJ/Pulse的脉冲激光作为第一激光器2，532nm、8ns、10Hz、27mJ/Pulse的脉冲激光作为第二激光器3；使用反射率82%，半径50mm的球面反射镜作第一凹面镜11和第二凹面镜12；使用光纤及光谱仪对200~400nm波段的光谱进行采集。调整激光入射角度使腔内两激光会聚点相距1.4mm，并实现3次入射激光反射，光路高度高于样品表面0.4mm。所用样品为铝样品。

如图3所示，对Al I 236.73nm、Al I 237.22nm、Al I 256.78nm等10条Al原子谱线强度的监测显示在使用共心多径腔前后，它们的谱线强度增强了40%~130%，平均信噪比改善了146%，元素的检测下限得到一定程度的降低。据此推测，在更优化的装置条件下，共心多径腔的反射次数进一步提升，元素检测限可降低5~10倍。

Claims (2)

1.一种共心多径腔增强激光诱导击穿光谱高灵敏检测装置，其特征在于：包括与数字延时脉冲发生器（1）连接的第一激光器（2）和第二激光器（3）、处于第一激光器（2）激光发射方向的激光脉冲反射镜（5）、第一聚光装置（6）、第二聚光装置（4）、共心多径腔（8）、光纤及光谱仪（10），第一激光器（2）发出的激光经过反射镜（5）反射和第一聚光装置（6）会聚后射入共心多径腔（8）形成垂直于共心多径腔（8）轴线方向的烧蚀激光，烧蚀激光在第一聚光装置（6）作用下聚焦于一点即烧蚀点，第二激光器（3）发出的激光经过第二聚光装置（4）会聚后射入共心多径腔（8）形成平行于共心多径腔（8）轴线方向的增强激光，增强激光到烧蚀点间的垂直距离为0-2.5mm，共心多径腔（8）由具有共同曲率中心的两面凹镜及处于两面凹镜之间的腔体组成，其中一块凹镜上偏离主光轴的位置上开有一个小孔，经过第二聚光装置（4）会聚后的激光通过小孔射入共心多径腔（8）的内部腔体。

2.一种利用权利要求1所述共心多径腔增强激光诱导击穿光谱高灵敏检测装置检测微量元素的方法，其特征在于：将样品（9）的上表面置于烧蚀点，通过数字延时脉冲发生器（1）使第一激光器（2）和第二激光器（3）发出相同频率、具有固定时间间隔的脉冲激光，第一激光器（2）和第二激光器（3）的发射激光的时间差为-10~10微秒，第一激光器（2）发出的激光经过反射镜（5）后以垂直方向射入第一聚光装置（6），通过第一聚光装置（6）射出的激光聚焦于样品（9）的上表面的烧蚀点烧蚀样品产生等离子体；从第二激光器（3）射出的激光经过第二聚光装置（4）会聚后以垂直于烧蚀激光方向通过共心多径腔（8）的一面凹镜上的孔进入共心多径腔（8），然后在共心多径腔（8）作用下多次会聚于烧蚀点上方垂直距离0-2.5mm处对等离子体发射光谱进行增强，增强的等离子体发射光谱被光纤及光谱仪（10）收集。

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