CN110220884A - 一种用于水下检测的光纤libs探测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于水下检测的光纤LIBS探测系统及方法，所述系统包括激光输出模块、水下光纤LIBS探头以及控制处理模块，采用本发明的系统在检测时通过气嘴向水下光纤LIBS探头充气，将光学窗口之下的液体通过排水口排出，使得待测样品表面附近营造出一种类空气环境，从而大幅度提高激光击穿诱导等离子体的效率和收集光谱信背比；并且可根据实际需求在水下光纤LIBS探头内制造多种气体介质环境，以满足激光检测各种元素的介质环境要求；本发明可实现多种元素的同时分析，操作安全可靠，重复性高，灵敏度高，测量精度高，光谱信噪比高，元素检测限高，分析速度快，效率高，能够进行远程在线监测，有效解决了水下进行LIBS元素检测的难点。

Description

一种用于水下检测的光纤LIBS探测系统及方法

技术领域

本发明涉及激光诊断技术领域，具体涉及一种用于水下检测的光纤LIBS探测系统及方法。

背景技术

激光诱导击穿光谱技术（Laser Induced Breakdown Spectroscopy, 以下简称LIBS技术）是利用激光诱导待测材料表面产生的等离子体的发射光谱定量测量样品元素组分、力学参数等的测量技术。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。

光纤传输激光诱导击穿光谱技术（以下简称光纤LIBS技术）是对前有的传统诱导击穿光谱技术的改进与创新，更加适应极端场合的检测任务：利用光纤传输激光聚焦样品表面形成等离子体，同时对等离子体发射光谱进行收集，并采用光谱后处理算法分析以确定待测样品的物质成分及含量。该技术在核电厂、核电站检修维护企业、核燃料制造厂、乏燃料处理厂等场所具有巨大的潜在应用价值，可以通过光纤LIBS技术检测高温、高压、高辐射的生产线中主管道或蒸汽过热弯管道等人工难以到达的地方。

然而，结合我国核电站的应用要求，目前亟需通过LIBS技术检测水中异物以及蒸汽过热弯管等人工难以到达的地方。为此，利用搭载光纤LIBS系统的机器人可实现上述部位的在线远程测量。但是，光纤LIBS系统的传输激光功率小，传输效率低，光谱信背比低，导致测量精度较差。为了在小激光功率情况下，获得可信度高的检测结果，需要利用一定复合约束的方法增强等离子体辐射光谱强度，提高信背比。另一方面，针对核电站水中检测环境，也还需要该方法在水中可以实施。然而水环境中的激光诱导等离子体物理过程与在空气中有着显著的不同，受液体环境热力学与压力的影响，等离子体被约束在气泡中。水下等离子体受水和气泡的双重影响，造成发射谱线被吸收和散射，因此水下LIBS探测的信号较弱。目前来说，针对核电站中复杂的水下检测环境，可实现远程控制可靠运行的LIBS探测系统仍有待于进一步发展。

发明内容

本发明基于现有技术存在的缺陷提供一种用于水下检测的光纤LIBS探测系统，其在进行水下LIBS探测过程中通过充气排水法在待测样品表面附近营造出一种类空气环境，从而大幅度提高激光击穿诱导等离子体的效率和收集光谱信背比，并可制造多种所需气体介质环境，以满足激光检测各种元素的介质环境要求；通过远程实时在线检测的方式，可定性或定量分析测定物质中的元素成分，有效解决水下进行LIBS元素检测的难点。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种用于水下检测的光纤LIBS探测系统，包括激光输出模块、水下光纤LIBS探头以及控制处理模块；所述水下光纤LIBS探头包括第一光组件和第二光组件；

所述第一光组件包括第一套筒以及设于所述第一套筒中且将所述第一套筒分隔为上部空腔和下部空腔的光学窗口，所述上部空腔依次设有位于同一光路的第一光纤转接件、第二平凸透镜、第三平凸透镜和二向色镜，所述第一光纤转接件与所述激光输出模块相连；所述下部空腔的下端面设有用以紧贴待测样品的排水口，所述下部空腔的两侧分别设有用以与外部气源相连的气嘴；

所述第二光组件包括位于所述第一套筒一侧的第二套筒且依次设于所述第二套筒中且位于同一光路的第二光纤转接件、第四平凸透镜、第五平凸透镜和第二反射镜，所述第二光纤转接件与所述控制处理模块中的光谱仪相连，经过所述第一光组件的激光聚焦击穿所述待测样品表面后产生的等离子体羽的发光光束经过所述二向色镜反射后传向所述第二反射镜。

进一步的，所述光学窗口位于所述下部空腔的一端连接有磁空约束体，所述磁空约束体具有环状壁面以及由所述环状壁面围绕形成的正对所述光学窗口的通道，所述磁空约束体的壁面下部设有相对的两磁极。

进一步的，所述光学窗口为一圆柱体形石英玻璃且其两面均镀有增透膜；所述第四平凸透镜和第五平凸透镜的表面均镀有增透膜。

进一步的，所述第三平凸透镜的侧面设有外螺纹，所述第三平凸透镜与所述第一套筒的内壁螺纹配合，所述水下光纤LIBS探头还包括用以对所述第三平凸透镜进行轴向位置调整的微调控制器，所述微调控制器包括与所述第三平凸透镜的外螺纹螺纹配合的微调螺杆、用以限制所述微调螺杆轴向移动的限位结构以及用以驱使所述微调螺杆转动的微型电机，所述微型电机与所述控制处理模块电连接。

进一步的，所述激光输出模块包括纳秒激光器、用以对所述纳秒激光器输出的激光进行分光的第一分光镜和光电探测器、用以对透过所述第一分光镜的激光进行分光的第二分光镜和激光能量计，以及与所述第二分光镜依次连接的第一反射镜和光纤耦合端，所述光电探测器和所述激光能量计分别与所述控制处理模块相连。

进一步的，所述纳秒激光器、所述第一分光镜、所述第二分光镜和所述第一反射镜（5）均位于同一光路且其各自的中心位于同一直线；所述第一分光镜、所述第二分光镜和所述第一反射镜均与所述纳秒激光器的输出激光光轴成45°夹角。

进一步的，所述光纤耦合端包括第一平凸透镜以及用以与高功率传输光纤的一端相连的输入端，所述高功率传输光纤的另一端与所述第一光纤转接件相连，所述第一反射镜的中心和所述第一平凸透镜的中心位于同一光路，所述第一反射镜、所述第一平凸透镜、以及所述高功率传输光纤的输入端其各自的中心位于同一直线，所述第一平凸透镜与所述纳秒激光器的输出激光光轴平行。

进一步的，所述高功率输出光纤的输出端、所述第一光纤转接件、所述第二平凸透镜、所述第三平凸透镜、所述二向色镜以及所述光学窗口其各自的中心位于同一直线；所述第二光纤转接件通过收集光纤与所述光谱仪相连，所述收集光纤的输入端、所述第二光纤转接件、所述第四平凸透镜、所述第五平凸透镜、所述第二反射镜其各自的中心位于同一直线。

进一步的，所述控制处理模块包括计算机、可编程脉冲延迟发生器、示波器、所述光谱仪以及ICCD，所述可编程脉冲延迟发生器分别与所述纳秒激光器、所述光谱仪和所述ICCD电性连接；所述示波器分别与所述光电探测器和所述ICCD电性连接；所述计算机分别与所述激光能量计和所述光谱仪电性连接。

本发明还公开一种根据上述系统进行水下检测的方法，包括如下步骤：

S1、将水下光纤LIBS探头至于水箱中，使排水口紧贴待测样品表面；

S2、通过气嘴向水下光纤LIBS探头的下部空腔中充入不溶性的气体介质，同时将下部空腔中的水通过排水口排出；

S3、待观测到有气泡从排水口向外排出，将纳秒激光器设置为内触发模式，设置可编程脉冲延迟发生器的参数，改变纳秒激光器的激光出光信号与ICCD门宽信号的延时，使得在计算机的软件上观测到的光谱图为线性辐射谱图；

S4、调整第三平凸透镜在第一套筒中的轴向位置；

S5、观测特征线辐射光谱的信背比和光谱图的纵坐标，直至观测到光谱图纵坐标数值最大的特征线辐射光谱，否则返回S4的步骤；

S6、将纳秒激光器的工作模式改为外触发模式，通过可编程脉冲延迟发生器控制纳秒激光器的出光及ICCD的门宽信号延时；

S7、设置激光打靶的累加次数，使用光谱仪采样背景光，得到待测样品的累加光谱信息；

S8、对比NIST数据库中LIBS光谱数据，分析得到所含的元素种类及对应的谱线强度；

S9、进行标准样品的水下光纤LIBS实验，通过LIBS元素定标曲线定量检测待测样品中的元素含量。

采用以上技术方案后，本发明与现有技术相比具有如下优点：

（1）本发明通过气嘴向水下光纤LIBS探头中充入不溶性气体，并将光学窗口之下部分的水通过排水口排到探头外，这样使得在进行水下激光聚焦击穿待测样品表面时营造出一种类空气介质环境，以避免出现激光液相烧蚀产生的水等离子体和空化气泡，影响光纤LIBS探测光谱的准确性和稳定性；另一方面，针对待测样品内非金属元素的检测，可以通过气嘴向水下光纤LIBS探头B内充入氩气、氦气以及氮气等不溶性气体介质用来增强LIBS的光谱强度，以提高探测灵敏度和元素检出限。

（2）本发明在激光聚焦待测样品表面击穿诱导产生等离子过程中，将磁场约束和平板型空间约束相结合，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，能够大幅度增强水下LIBS的探测光谱强度，从而改进探测灵敏度和元素检出限。

（3）本发明可根据实际需求在磁空约束体内放入不同材料和大小的磁极来形成不同场强的约束磁场，以达到不同强度的磁场约束效果。另一方面，本发明可选择不同空间约束距离及尺寸参数的磁空约束体，可构造分别为3-10mm的等离子体空间约束距离，可根据需求得到不同程度空间约束加强的等离子体。

（4）本发明可实现在水下对待测样品进行多种元素的同时分析，测量过程安全可靠，重复性高，灵敏度高，测量精度高，光谱信噪比高，元素检测限高，测量过程安全可靠分析速度快，效率高，能够进行远程在线监测，有效解决了水下进行LIBS元素检测的难点。

附图说明

附图1为本发明的用于水下检测的光纤LIBS探测系统的总体结构图；

附图2为本发明中水下光纤LIBS探头的三维结构图；

附图3为本发明中水下光纤LIBS探头探测打靶时磁空约束增强等离子体的示意图；

附图4为本发明的用于水下检测的光纤LIBS探测系统的工作流程图。

其中，

A、激光输出模块；B、水下光纤LIBS探头；B1、第一光组件；B2、第二光组件；B3、微调控制器；C、控制处理模块；

1、纳秒激光器；2、第一分光镜；3、光电探测器；4、第二分光镜；5、第一反射镜；6、第一平凸透镜；7、光纤耦合端；8、激光能量计；9、高功率传输光纤；10、控制电缆；11、水箱；12、待测样品；13、等离子体羽；14、收集光纤；15、可编程脉冲延迟发生器；16、计算机；17、光谱仪；18、ICCD；19、示波器；20、直杆；21、第一光纤转接件；22、第二光纤转接件；23、第二套筒；24、第四平凸透镜；25、卡环；26、第五平凸透镜；27、第二反射镜；28、气嘴；29、磁极；30、；31、磁空约束体；32、光学窗口；33、二向色镜；34、第三平凸透镜；35、微调螺杆；36、第二平凸透镜；37、微型电机；38、第一套筒；39、冲击波；40、反射波。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

参见附图1至附图4，本发明公开一种用于水下检测的光纤LIBS探测系统，包括激光输出模块A、水下光纤LIBS探头B以及控制处理模块C三个部分。

激光输出模块A包括纳秒激光器1、第一分光镜2、光电探测器3、第二分光镜4、第一反射镜5、光纤耦合端7和激光能量计8；其中，光纤耦合端7包括第一平凸透镜6和高功率传输光纤9的激光输入端。

水下光纤LIBS探头B包括第一光组件B1、第二光组件B2和微调控制器B3。

控制处理模块C包括计算机16、可编程脉冲延迟发生器15、示波器19、光谱仪17和ICCD18。

可编程脉冲延迟发生器15分别与纳秒激光器1、光谱仪17和ICCD18电性连接；示波器19分别与光电探测器3和ICCD18电性连接；计算机16分别与激光能量计8和光谱仪17电性连接，并与水下光纤LIBS探头B中的微调控制器B3通过控制电缆10相连接。

所述水下光纤LIBS探头B中的第一光纤转接件21和激光输出模块A中的光纤耦合端7通过高功率传输光纤9相连接。水下光纤LIBS探头B中的第二光纤转接件22与控制处理模块C中的光谱仪17通过收集光纤14相连接。

本发明中的高功率传输光纤9和收集光纤14为二氧化硅包层的多模光纤。高功率传输光纤9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1GW/cm2；收集光纤14的长度为3m，光纤芯径为400μm，数值孔径为0.22。在使用时可根据实际需要更换不同包层材料、不同型号、不同长度、不同直径和不同数值孔径的高功率传输光纤9以及收集光纤14。

纳秒激光器1、第一分光镜2、第二分光镜4、第一反射镜5均位于同一光路且其各自的中心在同一直线上。第一分光镜2、第二分光镜4和第一反射镜5均与纳秒激光器1的输出激光光轴呈45°夹角；纳秒激光器1输出激光一路透过第一分光镜2，一路被其分光到光电探测器3中，光电探测器3对外连接到示波器19上，用于监控主脉冲激光的输出信号；透过第一分光镜2的激光一路继续透过第二分光镜4，一路被其分光到激光能量计8中，激光能量计8对外连接到计算机16上，通过实验提前测得进入激光能量计8的激光能量与纳秒激光器1输出的激光能量的比例，在计算机16中设置相应的分光系数，从而可以监控纳秒激光器1输出激光的实际能量。

其中，第一反射镜5的中心、第一平凸透镜6的中心、高功率传输光纤9均位于同一光路，且第一反射镜5、第一平凸透镜6、高功率传输光纤9的输入端其各自的中心均位于同一直线。透过第二分光镜4的激光光束被第一反射镜5反射后进入到光纤耦合端7中；进入到光纤耦合端7的平行激光通过第一平凸透镜6聚焦到高功率传输光纤9中。第一平凸透镜6的直径为12.7mm，焦距均为40mm，且与纳秒激光器1的输出光轴平行。

本发明所使用的纳秒激光器1为Nd：YAG纳秒激光器，输出激光波长为1064nm，频率为1-10Hz，脉冲宽度FWHM为10 ns，脉冲能量为0~150mJ可调，激光光束直径为6mm。

图2是水下光纤LIBS探头B的三维结构图。水下光纤LIBS探头B包括第一光组件B1、第二光组件B2和微调控制器B3。其中，微调控制器B3包括控制电缆10、微型电机37以及微调螺杆35；第一光组件B1包括第一套筒38、第一光纤转接件21、第二平凸透镜36、第三平凸透镜34、二向色镜33、光学窗口32、磁空约束体31、磁极29、气嘴28以及排水口30；第二光组件B2包括第二套筒23、第二光纤转接件22、第四平凸透镜24、第五平凸透镜26以及第二反射镜27。

高功率传输光纤9一端连接到激光输出模块A中的光纤耦合端7上，另一端与第一套筒38中的第一光纤转接件21相连；收集光纤14一端连接到控制处理模块C中的光谱仪17上，另一端与第二套筒23中的第二光纤转接件22相连。光纤的两端使用SMA905不锈钢光纤连接器连接。对光纤输入端而言，数值孔径大的光纤有利于激光聚焦耦合进入；而在输出端，小数值孔径的光纤有利于输出的光束传播后再次聚焦打靶，这是由于光束在多模光纤中传输的发散性和离轴性使输出的激光光束难以聚焦打靶，低数值孔径的光纤提供了较低的光束发散度和均匀的光斑尺寸。

二向色镜33为长波通二向色镜，直径为25.4mm，截止波长为900nm。对于400-872nm波长的光，二向色镜33的反射率可以达到90%以上；对于波长为932-1300nm波长的光，其通光率也能达到90%以上。

第一套筒38中的第一光纤转接件21、第二平凸透镜36、第三平凸透镜34、二向色镜33和光学窗口32均在同一光路上，且高功率输出光纤9输出端、第一光纤转接件21、第二平凸透镜36、第三平凸透镜34、二向色镜33、光学窗口32其各自的中心位于同一直线。从高功率传输光纤9输出的发散激光通过第二平凸透镜36变为平行光，然后再经过第三平凸透镜34，并透过二向色镜33和光学窗口32聚焦到待测样品12表面，产生等离子体羽13。第二平凸透镜36的直径为25.4mm，焦距为35.1mm；第三平凸透镜34的直径为25.4mm，焦距为16mm。由于经过第三平凸透镜34往下汇聚的激光光束又经过二向色镜33和光学窗口32，传播介质的折射率发生改变，延长了激光聚焦时传输的光程，因此经过第一套筒38的激光光束的聚焦光斑点与第三平凸透镜34中心之间的距离大于其焦距16mm。

选用较大焦距的第二平凸透镜36，使从高功率传输光纤9输出的激光光束透过第二平凸透镜36变为平行光时拥有较大面积的光斑；选用焦距小一些的第三平凸透镜34，目的是为了使平行激光光束经过第三平凸透镜34汇聚时能聚焦到更小面积的聚焦光斑，加强激光打靶的效果。

第二套筒23中的第二光纤转接件22、第四平凸透镜24、第五平凸透镜26、第二反射镜27在同一光路上，且收集光纤14的输入端、第二光纤转接件22、第四平凸透镜24、第五平凸透镜26、第二反射镜27其各自的中心在同一直线上。当经过第一套筒38的激光聚焦击穿待测样品12表面后产生的等离子体羽13发光光束被长波通二向色镜33反射后传向第二反射镜27，再被第二反射镜27反射向第五平凸透镜26，等离子体发光光束经过第五平凸透镜26变为平行光，再由第四平凸透镜24聚焦到收集光纤14内，沿着收集光纤14进入到光谱仪17中。第四平凸透镜24的直径为25.4mm，焦距为35mm；第五平凸透镜26的直径为25.4mm，焦距为40mm。第四平凸透镜24和第五平凸透镜26表面均镀有增透膜，增强波长为：350-700nm。

所述光学窗口32为一圆柱体形石英玻璃，直径为25.4mm，厚度为8mm；光学窗口32两面均镀有增透膜，目的是为了抑制其对激光和等离子体自发光的反射作用。光学窗口32安装固定于第一套筒38下部，并将整个水下光纤LIBS探头B分为以光学窗口32为界的上部空腔和下部空腔；当水下光纤LIBS探头B置于水箱11中，紧贴待测样品12表面时，水下光纤LIBS探头B中光学窗口32之上的上部空腔仍处于气体介质环境，则第一光纤转接件21、第二平凸透镜36、第三平凸透镜34、二向色镜33、第二光纤转接件22、第四平凸透镜24、第五平凸透镜26、第二反射镜27、微调螺杆35以及微型电机37处于气体介质环境中；水下光纤LIBS探头B中光学窗口32之下的下部空腔则处于液体介质环境，包括气嘴28、磁极29、排水口30以及磁空约束体31。

所述第一套筒38的头部左右两侧分别开有一个气嘴28，气嘴28与外部气瓶之间通过气嘴接头和气管相连，并通过调节阀可以调节从气嘴28喷出的气流流速。在使用本发明的系统进行水下光纤LIBS探测时，通过气嘴28向水下光纤LIBS探头B中充入不溶性气体，由于不溶性气体的密度要低于水，不溶性气体会往上飘并在光学窗口32下表面处堆积，并将水下光纤LIBS探头B中光学窗口32之下部分的水通过排水口30排到探头外，目的是为了在进行水下激光聚焦击穿待测样品12表面时营造出一种类空气介质环境，以避免出现激光液相烧蚀产生的水等离子体和空化气泡，影响光纤LIBS探测光谱的准确性和稳定性；另一方面，针对待测样品12内非金属元素的检测，需要通过气嘴28向水下光纤LIBS探头B内充入氩气、氦气以及氮气等不溶性气体介质增强LIBS的光谱强度，以提高探测灵敏度和元素检出限。

所述的排水口30设置在与两个气嘴28所在直线相垂直的方向上，开口高度为1mm，开口弧度为90°，两个排水口30关于第一套筒38中心对称。两个排水口30的高度设置较低的原因在于，希望在气嘴28向水下光纤LIBS探头B中充气并排水结束后，光学窗口32之下部分中的残余水位能尽可能的低，保证在光纤LIBS探头B贴合待测样品12表面的贴合面中心位置处始终位于一个类空气介质环境。

所述第一光纤转接件21、第二平凸透镜36、第三平凸透镜34、光学窗口32、第二光纤转接件22、第四平凸透镜24、第五平凸透镜26均平行于待测样品12表面，其中第一光纤转接件21、第二平凸透镜36、光学窗口32、第二光纤转接件22、第四平凸透镜24、第五平凸透镜26均由卡环25安装固定于第一套筒38和第二套筒23上的特定位置。二向色镜33和第二反射镜27表面平行，且分别与高功率传输光纤9输出端光路和收集光纤14输入端光路成45°夹角，两者分别安装固定于第一套筒38和第二套筒23内的两个特定位置处的斜45°框架上。

所述水下光纤LIBS探头B中的第一套筒38和微调控制器B3之间设有一2.7mm高的贯穿通道；所述微调螺杆35通过直杆20与微型电机37的转轴相连，并固定在该贯穿通道处，且微调螺杆35的位置不可调节；所述第三平凸透镜34上设有外螺纹，通过与第一套筒38内部内螺纹配合，安置于该贯穿通道区域。

所述微调控制器B3中的微型电机37通过控制电缆10与计算机16电性相连，可以通过计算机16控制微型电机37转轴正转或反转，带动微调螺杆35顺时针或逆时针转动，进一步通过螺纹结构带动第三平凸透镜34在第一套筒38中的逆时针或顺时针转动，微调第三平凸透镜34在第一套筒38中的上下位置。进一步地，第三平凸透镜34在第一套筒38中的位移信息也将通过控制电缆10反馈到计算机16上，其控制精度可达到20μm。

图3为水下光纤LIBS探头B进行LIBS探测打靶时磁空约束增强等离子体的剖面示意图。本发明在激光聚焦到待测样品12表面击穿诱导产生等离子体羽13过程中，将磁场约束和平板型空间约束相结合，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。

如图3所示，所述磁空约束体31通过螺纹结构连接到光学窗口32上。磁空约束体31下部分的两个长方体的凹槽长度为8mm，宽度为5mm，高度为8mm。在凹槽中放入磁极29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。本发明可根据需求在磁空约束体31内放入不同材料和大小的磁极29来形成不同场强的约束磁场。

另一方面，激光聚焦击穿待测样品12表面后产生的等离子体羽13和冲击波39在向外扩散的过程中撞到磁空约束体31中的装有磁极29的两个长方体凹槽的壁面发生反射，反射波40沿冲击波39传播的原路径向等离子体羽13中心反向回传，反射波40对向外扩散速度较慢的等离子体羽13造成平板型空间约束，加强了等离子体的发光强度。本发明设有两个长方体凹槽之间距离分别从3-10mm不等的不同尺寸参数的磁空约束体31，可构造分别为3-10mm的等离子体空间约束距离，可根据需求得到不同程度空间约束加强的等离子体。

图4为用于水下检测的光纤LIBS探测系统的工作流程图。首先选择合适空间约束距离的磁空约束体29；将空间约束体29安装在水下光纤LIBS探头B上后，将水下光纤LIBS探头B至于水箱11中，使其贴紧待测样品12表面；打开气管开关和调节阀，使不溶性介质气流通过两个气嘴28向水下光纤LIBS探头B内充入所需的气体介质，同时将水下光纤LIBS探头B中光学窗口32之下部分的水通过排水口30排出下部空腔；待观测到开始有气泡不断从排水口30向外排出时，认为此时光学窗口32之下的下部空腔中的水被完全排出探头外，光纤LIBS探头B贴合待测样品12表面的贴合面中心位置处开始位于一个类气体介质环境。

将纳秒激光器1工作在内触发模式下，激光器间隔发出连续脉冲。设置可编程脉冲延迟发生器15的参数，改变纳秒激光器1的激光出光信号与ICCD18门宽信号的延时，使得在计算机16的软件上观测到的光谱图为效果较好的线性辐射谱图。通过计算机16控制微动电机37微调第三平凸透镜34在第一套筒38中的上下位置，使得聚焦在待测样品12表面上的激光击穿诱导产生出的等离子体羽13的发光强度最大，表现在谱线强度上即为从光谱仪17上采集到的谱线强度最大。

将纳秒激光器1的工作模式改为外触发，通过可编程脉冲延迟发生器26控制纳秒激光器1的出光及ICCD18的门宽信号延时；在计算机16的软件中设置激光打靶的累加次数；每次打靶前光谱仪17将进行环境背景光谱的采样；每次水下光纤激光打靶结束后，光谱仪17将采集到的多次光谱累加传递到计算机16中；光谱仪17将采集到的多次脉冲产生的光谱累加传递到计算机16中提供给用户，计算机上的光谱分析软件可以自动将得到的光谱数据与NIST数据库中的LIBS元素光谱信息进行分析对比，提供给用户待测样品12中所含的元素种类及对应的谱线强度，并且可以进一步进行标准样品的水下光纤激光打靶实验，通过LIBS元素定标曲线定量检测待测样品12中的元素含量。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于水下检测的光纤LIBS探测系统，其特征在于：包括激光输出模块（A）、水下光纤LIBS探头（B）以及控制处理模块（C）；所述水下光纤LIBS探头（B）包括第一光组件（B1）和第二光组件（B2）；

所述第一光组件（B1）包括第一套筒（38）以及设于所述第一套筒中且将所述第一套筒（38）分隔为上部空腔和下部空腔的光学窗口（32），所述上部空腔依次设有位于同一光路的第一光纤转接件（21）、第二平凸透镜（36）、第三平凸透镜（34）和二向色镜（33），所述第一光纤转接件（21）与所述激光输出模块（A）相连；所述下部空腔的下端面设有用以紧贴待测样品（12）的排水口（30），所述下部空腔的两侧分别设有用以与外部气源相连的气嘴（28）；

所述第二光组件（B2）包括位于所述第一套筒（38）一侧的第二套筒（23）且依次设于所述第二套筒（23）中且位于同一光路的第二光纤转接件（22）、第四平凸透镜（24）、第五平凸透镜（26）和第二反射镜（27），所述第二光纤转接件（22）与所述控制处理模块（C）中的光谱仪（17）相连，经过所述第一光组件（B1）的激光聚焦击穿所述待测样品（12）表面后产生的等离子体羽（13）的发光光束经过所述二向色镜（33）反射后传向所述第二反射镜（27）。

2.根据权利要求1所述的一种用于水下检测的光纤LIBS探测系统，其特征在于：所述光学窗口（32）位于所述下部空腔的一端连接有磁空约束体（31），所述磁空约束体（31）具有环状壁面以及由所述环状壁面围绕形成的正对所述光学窗口（32）的通道，所述磁空约束体（31）的壁面下部设有相对的两磁极（29）。

3.根据权利要求1所述的一种用于水下检测的光纤LIBS探测系统，其特征在于：所述光学窗口（32）为一圆柱体形石英玻璃且其两面均镀有增透膜；所述第四平凸透镜（24）和第五平凸透镜（26）的表面均镀有增透膜。

4.根据权利要求1所述的一种用于水下检测的光纤LIBS探测系统，其特征在于：所述第三平凸透镜（34）的侧面设有外螺纹，所述第三平凸透镜（34）与所述第一套筒（38）的内壁螺纹配合，所述水下光纤LIBS探头（B）还包括用以对所述第三平凸透镜（34）进行轴向位置调整的微调控制器（B3），所述微调控制器（B3）包括与所述第三平凸透镜（34）的外螺纹螺纹配合的微调螺杆（35）、用以限制所述微调螺杆（35）轴向移动的限位结构以及用以驱使所述微调螺杆（35）转动的微型电机（37），所述微型电机（37）与所述控制处理模块（C）电连接。

5.根据权利要求1所述的一种用于水下检测的光纤LIBS探测系统，其特征在于：所述激光输出模块（A）包括纳秒激光器（1）、用以对所述纳秒激光器（1）输出的激光进行分光的第一分光镜（2）和光电探测器（3）、用以对透过所述第一分光镜（2）的激光进行分光的第二分光镜（4）和激光能量计（8），以及与所述第二分光镜（4）依次连接的第一反射镜（5）和光纤耦合端（7），所述光电探测器（3）和所述激光能量计（8）分别与所述控制处理模块（C）相连。

6.根据权利要求5所述的一种用于水下检测的光纤LIBS探测系统，其特征在于：所述纳秒激光器（1）、所述第一分光镜（2）、所述第二分光镜（4）和所述第一反射镜（5）均位于同一光路且其各自的中心位于同一直线；所述第一分光镜（2）、所述第二分光镜（4）和所述第一反射镜 （5）均与所述纳秒激光器（1）的输出激光光轴呈45°夹角。

7.根据权利要求6所述的一种用于水下检测的光纤LIBS探测系统，其特征在于：所述光纤耦合端（7）包括第一平凸透镜（6）以及用以与高功率传输光纤（9）的一端相连的输入端，所述高功率传输光纤（9）的另一端与所述第一光纤转接件（21）相连，所述第一反射镜（5）的中心和所述第一平凸透镜（6）的中心位于同一光路，所述第一反射镜（5）、所述第一平凸透镜（6）、以及所述高功率传输光纤（9）的输入端其各自的中心位于同一直线，所述第一平凸透镜（6）与所述纳秒激光器（1）的输出激光光轴平行。

8.根据权利要求7所述的一种用于水下检测的光纤LIBS探测系统，其特征在于：所述高功率输出光纤（9）的输出端、所述第一光纤转接件（21）、所述第二平凸透镜（36）、所述第三平凸透镜（34）、所述二向色镜（33）以及所述光学窗口（32）其各自的中心位于同一直线；所述第二光纤转接件（22）通过收集光纤（14）与所述光谱仪（17）相连，所述收集光纤（14）的输入端、所述第二光纤转接件（22）、所述第四平凸透镜（24）、所述第五平凸透镜（26）、所述第二反射镜（27）其各自的中心位于同一直线。

9.根据权利要求8所述的一种用于水下检测的光纤LIBS探测系统，其特征在于：所述控制处理模块（C）包括计算机（16）、可编程脉冲延迟发生器（15）、示波器（19）、所述光谱仪（17）以及ICCD（18），所述可编程脉冲延迟发生器（15）分别与所述纳秒激光器（1）、所述光谱仪（17）和所述ICCD（18）电性连接；所述示波器（19）分别与所述光电探测器（3）和所述ICCD（18）电性连接；所述计算机（16）分别与所述激光能量计（8）和所述光谱仪（17）电性连接。

10.一种根据权利要求9所述的系统进行水下检测的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、将水下光纤LIBS探头（B）至于水箱（11）中，使排水口（30）紧贴待测样品（12）表面；

S2、通过气嘴（28）向水下光纤LIBS探头（B）的下部空腔中充入不溶性的气体介质，同时将下部空腔中的水通过排水口（30）排出；

S3、待观测到有气泡从排水口（30）向外排出，将纳秒激光器（1）设置为内触发模式，设置可编程脉冲延迟发生器（15）的参数，改变纳秒激光器（1）的激光出光信号与ICCD（18）门宽信号的延时，使得在计算机（16）的软件上观测到的光谱图为线性辐射谱图；

S4、调整第三平凸透镜（34）在第一套筒（38）中的轴向位置；

S5、观测特征线辐射光谱的信背比和光谱图的纵坐标，直至观测到且光谱图纵坐标数值最大的特征线辐射光谱，否则返回S4的步骤；

S6、将纳秒激光器（1）的工作模式改为外触发模式，通过可编程脉冲延迟发生器（15）控制纳秒激光器（1）的出光及ICCD（18）的门宽信号延时；

S7、设置激光打靶的累加次数，使用光谱仪（34）采样背景光，得到待测样品（12）的累加光谱信息；

S8、对比NIST数据库中LIBS光谱数据，分析得到所含的元素种类及对应的谱线强度；

S9、进行标准样品的水下光纤LIBS实验，通过LIBS元素定标曲线定量检测待测样品（12）中的元素含量。