CN110296976A - 一种涡旋光激光诱导击穿光谱增强方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种利用可控涡旋光激光诱导击穿光谱增强的方法，其中所采用的硬件包括光源、变形镜、计算机、高数值孔径透镜、光谱探测器和光谱仪，所述变形镜设置在涡旋激光产生装置发出的涡旋激光的光路上，所述变形镜的信号输出输入端分别与计算机的对应接口连接；所述高数值孔径透镜设置在变形镜反射光的光路上，待测样品设置在高数值孔径透镜的光聚焦点上，光谱探测器与光谱仪连接。本发明的优点在于利用可控制涡旋光实现激光诱导击穿光谱增强，利用可控制涡旋光产生的光场梯度力对离子体产生约束作用，利用涡旋光变化，对产生分立谱线的粒子进行定向的引导作用，从而达到LIBS光谱增强的目的。本发明光谱增强效果好，测量精度高。

Description

一种涡旋光激光诱导击穿光谱增强方法
技术领域
本发明涉及一种基于原子或离子的发射光谱分析方法，特别是提供了一种利用可控涡旋光实现激光诱导击穿光谱增强的方法。
背景技术
随着社会和生产需要的发展，传统的LIBS技术越来越不能满足生产上的应用，越发暴露其自身存在的局限性，主要如下：（1）LIBS各元素检出极限差别较大；（2）受样品的性质，表面情况和机体效应的影响，元素检出限较高，导致探测器灵敏度差；（3）LIBS光谱谱线强度与元素含量相关，对于含量较低的元素，其光谱谱线往往比较弱，导致谱线分辨困难，容易形成误判。本发明的实现针对以上LIBS的不足，增强LIBS的光谱强度，改善LIBS检测的灵敏度和精度，从而提高LIBS的探测灵敏度。
传统LIBS采用空间约束方式得到增强，传统的空间约束方式采用平行面板空间约束，使用２块大小相同，内壁平整的面板置于样品上，入射激光束在两款面板中心位置烧蚀样品激发出等离子体，而两侧放置的平行面板会对激发出等离子体进行空间约束，但是平行板只能从两侧压缩等离子体，压缩效率低，增强效果差。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用可控涡旋光实现激光诱导击穿光谱增强的方法。光谱增强效果好，检查精度高。
采用的技术方案是：
一种利用可控涡旋光激光诱导击穿光谱增强的方法，所涉及的硬件抱括光源，变形镜，计算机，高数值孔径透镜，光谱探测器和光谱仪，均为市购已知产品，其其特征在于所述光源为涡旋激光产生装置；在于该方中变形镜设置在涡旋激光生产装置发出的涡旋激光的光路上，变形镜的信号输出输入端分别与计算机的对应接口连接，高数值孔径透镜设置在变形镜反射光的光路上，待测样品设置在高数值孔径透镜的的光聚焦点上，光谱探测器与光谱仪连接，光谱仪的信号输入输出端与计算机的对应接口连接。变形镜内置多个驱动器，通过计算机控制驱动器使变形镜的对应镜片达到设定的最佳相位，从而通过控制变形镜控制涡旋激光光强分布，进而实现光场梯度力改变，实现对产生分立线谱的粒子进行定向操制引导，从而达到LIBS光谱增强的目的。
涡旋光激光产生装置发出涡旋激光光束，被变形镜反射通过高数值孔径透镜，汇聚到待测样品上，由于激光烧蚀激发样品产生等离子体，等离子体在光阱中受到光场梯度力的约束，使得等离子体内部粒子互相碰撞的几率增强，等离子体发光强度也随之增强，同时其向外膨胀和扩张的速度也大大降低，等离子体存在寿命也将延长。通过计算机对变形镜以及光谱探测器的控制，当激发粒子产生分立谱线时，触发变形镜，使其每个镜面单元倾斜度改变，进而改变涡旋光相位分布，改变光场梯度力分布，达到对产生分立光谱的粒子进行定向操控引导作用，然后触发光谱探测器接受光信号，从而达到LIBS光谱增强的目的。
本发明的优点：
（1）利用可控制涡旋光实现激光诱导击穿光谱增强；
（2）利用可控制涡旋光产生的光场梯度力对离子体产生约束作用；
（3）利用涡旋光变化，对产生分立谱线的粒子进行定向的引导作用，从而达到LIBS光谱增强的目的。光谱增强效果好，测量精度高。
附图说明
图1为本发明涉及的硬件布设示意图。
图2为本发明样品产生的等离子体被约束在光学势阱中心示意图。
图3是驱动器工作原理图。
图4是69单元变形镜的驱动器分布示意图。
具体实施方式
一种利用可控涡旋光激光诱导击穿光谱增强的方法，所使用的硬件包括光源1、变形镜2、光谱探测器4、光谱仪5、计算机6、高数值孔径透镜7，其特征在于：所述光源1为涡旋激光产生装置。所述变形镜2，其变形镜参数如下表：
变形镜（Deformation Mirror, DM）参数
说明：本发明使用的变形镜有69个驱动器，其中DM为变形镜的英文简写。
变形镜由可变形镜面和驱动器组成，控制信号通过控制驱动器改变变形镜的镜面形状，从而改变入射光的波前传输的光程，进而改变入射光的波前相位结构。
变形镜驱动器数量为69，镜面直径为10.5mm，各驱动器之间的归一化距离为1.5mm，镜面最大形变量为60μm，该变形镜稳定所需要的时间为800μs，带宽大于750Hz。
69单元变形镜的驱动器分布示意
变形镜控制原理简述：利用简化夏克哈特曼（SH）法，其中夏克哈特曼是一种由波前斜率重构波前相位的方法，系统中探测波前斜率的器件为夏克哈特曼传感器。采用SH法校正畸变涡旋光，借鉴经典的有波前传感器的自适应光学校正系统，并引入基模高斯光作为信标光。由于此LIBS系统中影响涡旋光的因素主要是系统中的像差，该像差是静态的，由于信标光与涡旋光经过同一系统，受到相同的相位扰动，因此光场产生了相同的波前畸变。使用自适应光学系统对信标光进行波前畸变校正，得到校正信标光波前畸变的修复模型，再使用同一模型来校正增强涡旋光束。
SH法校正涡旋光束的核心在于引入信标光，一因为与平面光相比，涡旋光束具有相位奇点，夏克哈特曼波前传感器无法直接获取涡旋光束的波前斜率信息，二是基模高斯光与涡旋光束的偏振态具有正交性。利用夏克哈特曼波前传感器的涡旋光束波前畸变校正方案。利用偏振分光棱镜将涡旋光束与正交偏振高斯光束进行合束，合束后的光束在LIBS系统中传播。在接收端，利用自适应光学补偿系统进行波前畸变补偿。在该系统中，先利用偏振分光棱镜将畸变的高斯光束与涡旋光束分离，此时基模高斯光作为探针光束进行波前失真估计并计算取得所需的校正模式，在利用反馈控制器对两个波前校正器采用相同的修正模式进行更新，以补偿高斯探针相位前沿和畸变的涡旋光束，达到校正增强涡旋光束的目的。
在得到校正增强涡旋光束后，记录此时变形镜的各个驱动器的状态，即增强阶段的变形镜驱动矩阵v1，此阶段，涡旋光束的牢笼作用，可以增强LIBS系统中离子体的激发；等待激发离子的寿命周期达到最优后，即进入控制离子体定向移动阶段，控制离子体移动方向朝向光纤耦合器，使待测离子体最大可能的被光谱探测器捕获，此阶段为定向控制阶段，记录此时变形镜驱动矩阵v2。
控制流程：
第一步：判断待激发物质离子体生命周期，并且设置生命周期；
第二步：开启LIBS系统，同时启动变形镜；
第三步：生命周期开始记录，同步进入增强阶段，读取增强阶段的变形镜驱动矩阵V1，该矩阵记录控制变形镜每个驱动器的电压值，控制变形镜达到预期状态。
第四步：等到生命周期达到最优状态，转换为定向控制阶段，此时读取定向控制阶段的变形镜驱动矩阵V2，控制激发等离子体定向移动。
第五步：循环第三步，第四步。
二、LIBS系统的工作原理简述
激光器发射脉冲激光，经过汇聚透镜将高能量密度的脉冲激光汇聚在样品表面，待测样品表面少量物质瞬间加热发生电离，产生等离子体，等离子体的发射谱线经过光纤耦合进入光谱仪进行分光探测，并且传到计算机进行样品成分及含量分析。
本发明方法中所涉及到的原器件的布设：变形镜2设置在涡旋激光产生器1发出的激光的光路上，变形镜2的信号输出输入端与计算机6的对应接口连接，高数值孔径透镜7设置在变形镜2反射光的光路上，样品3设置在高数值孔径透镜7的下方，且位于该透镜的焦点上，光谱探测器4的信号输出端与光谱仪5的采集信号输入端连接，光谱探测器5的信号输出端和指令信号输入端与计算机6的对应接口连接。本发明的光谱增强原理：控制通过涡旋激光产生装置1生成涡旋光，涡旋激光通过变形镜2经过高数值孔径透镜7，汇聚到待测样品3上，由于激光烧蚀激发样品产生等离子体，等离子体在光阱中受到光场梯度力的约束，使得等离子体内部粒子互相碰撞的几率增强，等离子体发光强度也随之增强，同时其向外膨胀和扩张的速度也大大降低，等离子体存在寿命也将延长，通过计算机6对变形镜2以及光谱探测器4的控制，当激发粒子产生分立谱线时，触发变形镜2，使其每个镜面单元倾斜度改变，进而改变涡旋光相位分布，改变光场梯度力分布，达到对产生分立光谱的粒子进行定向操控引导作用，然后触发光谱仪5接受光信号，从而达到LIBS光谱增强的目的。
涡旋光束经过高数值孔径透镜后，汇聚到待测样品上，在高能量激光烧蚀作用下，使待测样品激发产生等离子向外膨胀，此时由于涡旋光产生的光场梯度力形成一个三维光学势阱对激发出的等离子起到约束作用，如图2所示产生的等离子体，受到光场梯度力影响，被约束在光学势阱的中心。

Claims (2)

1.一种利用可控涡旋光激光诱导击穿光谱增强的方法，所涉及的硬件包括光源（1）、变形镜（2）、计算机（6）、高数值孔径透镜（7）、光谱探测器（4）和光谱仪（5），其特征在于：所述光源（1）为涡旋激光产生装置。
2.根据权利要求1所述的一种利用可控涡旋光激光诱导击穿光谱增强的方法，其特征在于：所述变形镜（2）设置在涡旋激光产生装置发出的涡旋激光的光路上，所述变形镜（2）的信号输出输入端分别与计算机（6）的对应接口连接；所述高数值孔径透镜（7）设置在变形镜（2）反射光的光路上，待测样品（3）设置在高数值孔径透镜（7）的光聚焦点上，光谱探测器（4）与光谱仪（5）连接；
涡旋激光产生装置发出涡旋激光光束，被变形镜（2）反射通过高数值孔径透镜（7），汇聚到待测样品（3）上，由于激光烧蚀激发样品产生等离子体，等离子体在光阱中受到光场梯度力的约束，使得等离子体内部粒子互相碰撞的几率增强，等离子体发光强度也随之增强，同时其向外膨胀和扩张的速度也大大降低，等离子体存在寿命也将延长；通过计算机（6）对变形镜（2）以及光谱探测器（4）的控制，当激发粒子产生分立谱线时，触发变形镜，使其每个镜面单元倾斜度改变，进而改变涡旋光相位分布，改变光场梯度力分布，达到对产生分立光谱的粒子进行定向操控引导作用，然后触发光谱探测器（4）接受光信号，从而达到LIBS光谱增强的目的。
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