CN110470652A - 一种小型集成化基于高压电诱导的击穿光谱测量系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种小型集成化基于高压电诱导的击穿光谱测量系统，所述控制模块控制所述高压电光源根据预设的工作指令向所述聚焦采集装置发射高压电光束，所述聚焦采集装置将高压电光束聚焦照射到待测样品上，并且所述聚焦采集装置将所述待测样品产生的等离子体光采集传送给所述的光谱获取模块；还有，所述的控制模块对所述光谱获取模块接收的光谱数据进行分析，得到待测样品的检测结果。因此，所述一种小型集成化基于高压电诱导的击穿光谱测量系统能够解决现有高压电诱导击穿光谱测量技术高压电聚焦和光谱采集分开，导致难以集成化、小型化的问题。

Description

一种小型集成化基于高压电诱导的击穿光谱测量系统
技术领域
本发明涉及光学技术领域，特别是指一种小型集成化基于高压电诱导的击穿光谱测量系统。
背景技术
高压电诱导击穿光谱技术(Laser Induced Breakdown Spectroscopy，LIBS)，是一种典型的发射光谱分析方法。该技术通过将高能量脉冲高压电聚焦到测量样品表面烧蚀样品产生等离子体，在产生的高压电诱导等离子体冷却膨胀过程中会发射出一系列特定波长的光，通过采集和探测这些信号光获得相应的光谱信号，进而进行相应的数据处理和分析，即可得到测量样品中组成元素的相应浓度。
LIBS技术具有无需进行复杂样品预处理、多元素同时分析、可对固态、液态、气态样品进行测量、可实现远程无接触实时在线分析等优势，自高压电器发明以来，此技术被广泛应用于冶金工业、考古分析、金属回收，生物医学和食品安全等领域。
由于高压电具有良好的光束质量，聚焦到待测材料上的作用点极小，且高压电和材料相互作用只发生在材料表面，破坏仅有微米量级，故可视为无损测量；同时高压电具有良好的方向性，利用光纤传导或望远系统，可以实现远距离测量和深海探测；工业冶炼现场可以直接定量分析，故无需样品准备。基于LIBS技术固有的优势，近 20年来，得到各研究机构的重视，通过不断的研究与完善，并且随着高压电技术的飞速发展，此技术正逐渐走向集成化、小型化、商品化，已在多个领域投入使用，具有极大的发展前景。
现有的LIBS系统主要包括3个部分：①能使待测材料激发光谱的高压电聚焦系统；②波长覆盖范围广且具有高分辨的光谱收集系统；③快速的数据处理系统。可以看出，现有技术中是把高压电聚焦和光谱采集系统分开，不利于集成化、小型化的发展。
发明内容
为了解决上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于解决现有高压电诱导击穿光谱测量技术高压电聚焦和光谱采集分开，导致难以集成化、小型化的问题。
为了实现上述目的，本发明提供了一种小型集成化基于高压电诱导的击穿光谱测量系统，包括：高压电光源、控制模块、光谱获取模块以及聚焦采集装置；
其中，所述控制模块控制所述高压电光源根据预设的工作指令向所述聚焦采集装置发射高压电光束，所述聚焦采集装置将高压电光束聚焦照射到待测样品上，并且所述聚焦采集装置将所述待测样品产生的等离子体光采集传送给所述的光谱获取模块；还有，所述的控制模块对所述光谱获取模块接收的光谱数据进行分析，得到待测样品的检测结果。
所述光谱获取模块包括分光元件和图像探测器件；其中，所述的分光元件将接收到的等离子体光光按不同波长、不同级次的单色光区分开来，所述的图像探测器件用来将所述分光元件得到的单色光经过电荷耦合器件探测数字化后成像。
所述聚焦采集装置包括透镜、带孔透镜、二向色镜以及光谱仪探头；其中，所述光谱仪探头位于所述高压电光源附近，所述二向色镜位于所述高压电光源和所述带孔透镜之间，所述带孔透镜位于所述二向色镜和所述透镜之间；
而且，所述二向色镜为一个与主轴具有倾角的分束镜，将所述高压电光源发出的高压电光束全部透过，然后高压电光束依次通过所述带孔透镜、所述透镜汇聚到待测样品的表面；所述二向色镜将待测样品产生的等离子体光全反射到所述光谱仪探头中，所述的光谱仪探头耦合二向色镜全反射的等离子体光，并传输给所述光谱获取模块。
所述分束镜倾角为45°。
所述的聚焦采集装置包括透镜、抛物反射镜以及光谱仪探头；其中，所述抛物反射镜位于所述透镜和所述光谱仪探头之间；所述抛物反射镜将高压电光源发出的高压电光束全部透过，然后高压电光束通过所述透镜汇聚到待测样品的表面；还有，所述抛物反射镜将待测样品反射的等离子体光汇聚到所述光谱仪探头中，实现大范围光谱波段的探测；然后，所述的光谱仪探头将抛物反射镜反射的等离子体光传输给所述光谱获取模块。
所述抛物反射镜为一个与主轴具有倾角，并且为内层镀金属膜。
所述抛物反射镜与主轴的倾角在1度至45度之间。
所述聚焦采集装置包括透镜、带孔透镜以及双排光钎耦合探头；其中，所述带孔透镜位于所述透镜及所述双排光钎耦合探头之间；所述带孔透镜为一个上半部分带有圆孔的双凸镜，与主轴方向垂直，用来将所述高压电光源发送的高压电光束进行离轴聚焦；然后，所述的高压电光束再经过所述透镜汇聚到待测样品的表面；还有，所述双排光纤耦合探头将待测样品产生的离焦的不同波段的等离子体光耦合到所述光谱获取模块。
所述聚焦采集装置包括透镜、带孔透镜以及双排光钎耦合探头；其中，所述带孔透镜为一个上半部分带有圆孔的双凸镜，与主轴形成一定夹角，用来将所述高压电光源发送的高压电光束进行离轴聚焦；然后，所述的高压电光束再经过透镜汇聚到待测样品的表面；还有，所述双排光纤耦合探头将待测样品产生的离焦的不同波段的等离子体光耦合到所述光谱获取模块。
所述带孔透镜与主轴的夹角为1度至20度之间。
本发明的有益效果：将高压电聚焦和光谱采集采用共轴方案集成在同一侧，从而大大缩小了光学空间结构，同时透镜的复用简化了设计结构，调节方便，降低了成本，提高了光谱传递效率，具有很好的实用意义。
附图说明
图1为本发明实施例中一种小型集成化基于高压电诱导的击穿光谱测量系统的结构示意图；
图2为本发明第一实施例中一种小型集成化基于高压电诱导的击穿光谱测量系统的结构示意图；
图3为本发明第二实施例中一种小型集成化基于高压电诱导的击穿光谱测量系统的结构示意图；
图4为本发明第三实施例中一种小型集成化基于高压电诱导的击穿光谱测量系统的结构示意图；
图5为本发明第四实施例中一种小型集成化基于高压电诱导的击穿光谱测量系统的结构示意图。
具体实施方式
为了能够进一步了解本发明的结构、特征及其他目的，现结合所附较佳实施例附以附图详细说明如下，本附图所说明的实施例仅用于说明本发明的技术方案，并非限定本发明。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
需要说明的是，本发明实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对本发明实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。
参阅图1所示，为本发明实施例中一种小型集成化基于高压电诱导的击穿光谱测量系统的结构示意图，所述一种小型集成化基于高压电诱导的击穿光谱测量系统包括高压电光源1、控制模块2、光谱获取模块3以及聚焦采集装置4。其中，控制模块2控制高压电光源1根据预设的工作指令向聚焦采集装置4发射高压电光束，所述聚焦采集装置4将高压电光束聚焦照射到待测样品上，并且所述聚焦采集装置4将所述待测样品产生的等离子体光采集传送给所述的光谱获取模块3。还有，所述的控制模块2对光谱获取模块3接收的光谱数据进行分析，得到待测样品的检测结果。
较佳地，高压电光源1可以产生激发击穿光谱的高能量光束，高压电光源1采用的是激光器。其中，高压电器按泵浦方式主要分为灯泵和二极管泵浦，按工作介质分为固体高压电器、气体高压电器、染料高压电器、光纤高压电器等等。另外，所述的控制模块2可以对光谱获取模块3接收的光谱数据进行剔除、去噪、寻峰等预处理之后，再进行分析得到待测样品的检测结果。
优选地，光谱获取模块3包括分光元件301和图像探测器件302。其中，所述的分光元件301将接收到的等离子体光光按不同波长、不同级次的单色光区分开来，使用的光栅有中阶梯光栅、全息光栅和刻划光栅等等。还有，所述的图像探测器件302用来将分光元件301得到的单色光经过电荷耦合器件探测数字化后成像，可以一次性地将特定波长范围内的信号拍摄下来，根据获取的信号性质不同，可选用不同的探测器。若只需要进行稳态的光谱测量，则使用CCD(电感耦合器件)即可。其中，CCD分为线阵CCD和面阵CCD。若需要获取时间分辨的光谱，则选用ICCD(像增强型耦合器件)。若获取较弱信号的光谱，则选用EMCCD(电子倍增耦合器件)。
更进一步地，光谱获取模块3用来获取聚焦采集装置4的光谱数据，光谱获取模块3可以采用光谱仪。其中，光谱仪分类主要有火花直读光谱仪、拉曼光谱仪、中阶梯光栅光谱仪、光纤光谱仪和荧光光谱仪等等。
作为本发明的第一实施例，如图2所示，所述聚焦采集装置4包括透镜401、带孔透镜402、二向色镜403以及光谱仪探头404。其中，光谱仪探头404位于高压电光源1附近，二向色镜403位于高压电光源1和带孔透镜402之间，带孔透镜402位于二向色镜403和透镜401之间。而且，二向色镜403为一个与主轴具有倾角的分束镜，可以将高压电光源1发出的高压电光束全部透过，然后高压电光束依次通过带孔透镜402、透镜401汇聚到待测样品的表面。然后，二向色镜403将待测样品产生的等离子体光全反射到光谱仪探头 404中，所述的光谱仪探头404可以耦合二向色镜403全反射的等离子体光，并传输给光谱获取模块3。
较佳地，倾角为45°分束镜。并且，二向色镜403采用镀膜方式，即在二向色镜403的两个透光大面上镀膜，一侧镀增透膜，一侧镀全反膜。在该实施例中，采用的全反膜为金属膜。另一较佳地实施例，光谱仪探头404可以经过光纤将等离子体光传输到分光元件 301中。其中，光谱仪探头404由聚焦透镜和光纤组成。还需要说明的是，带孔透镜402为一个中心带圆孔的双凸镜，而透镜401为石英玻璃制成的双凸镜。
在该实施例中，待测样品为待测量的铁合金材料。分光元件301 采用中阶梯光栅分光，在二维方向上将不同波长、不同级次的单色光区分开来。而图像探测器件302将单色光经过图像传感器件探测数字化后成像，可以一次性地将特定波长范围内的信号拍摄下来，采用ICCD(像增强型耦合器件)。因此，光谱获取模块3采用一个高分辨全谱直读的中阶梯光栅光谱仪，它以中阶梯光栅为主色散元件，经低色散元件进行交叉色散后(即棱镜的色散方向与中阶梯光栅的色散方向互相垂直)，在焦面处形成二维谱图，该二维谱图被ICCD探测、接收、数字化后，采用特定的谱图还原方法可以转换为高分辨率的一维光谱信息，同时可实现对光谱的时间分辨，找到以最优信背比(SBR)为目标的采集延时时间。高压电光源1为泵浦方式为灯泵的Nd:YAG全固态高压电器，波长1064nm，脉冲输出最大能量900mJ，频率1Hz，脉宽13ns。控制模块2为实验专配的台式电脑，用来整个实验过程中对中阶梯光栅光谱仪和全固态高压电器的控制，即控制全固态高压电器高压电脉冲击打次数，以及通过中阶梯光栅光谱仪获取光谱数据进行后期分析处理。
作为本发明的第二实施例，如图3所示，所述的聚焦采集装置4 包括透镜401、抛物反射镜402以及光谱仪探头403。其中，抛物反射镜402位于透镜401光谱仪探头403之间。抛物反射镜402可以将高压电光源1发出的高压电光束全部透过，然后高压电光束通过透镜401汇聚到待测样品的表面。还有，抛物反射镜402将待测样品反射的等离子体光汇聚到光谱仪探头403中，可以实现大范围光谱波段的探测。然后，所述的光谱仪探头403将抛物反射镜402反射的等离子体光传输给光谱获取模块3。
较佳地，抛物反射镜402为一个与主轴具有倾角，并且为内层镀金属膜。优选地，倾角在1度至45度之间。所述的透镜401为石英玻璃制成的双凸镜。另一较佳地实施例，光谱仪探头403可以经过光纤将等离子体光传输到分光元件301中。其中，光谱仪探头403由聚焦透镜和光纤组成。
在该实施例中，待测样品为待测量的铝合金材料。分光元件301 采用中阶梯光栅分光，在二维方向上将不同波长、不同级次的单色光区分开来。而图像探测器件302将单色光经过图像传感器件探测数字化后成像，可以一次性地将特定波长范围内的信号拍摄下来，可以采用ICCD(像增强型耦合器件)。因此，光谱获取模块3采用一个高分辨全谱直读的中阶梯光栅光谱仪，它以中阶梯光栅为主色散元件，经低色散元件进行交叉色散后(即棱镜的色散方向与中阶梯光栅的色散方向互相垂直)，在焦面处形成二维谱图，该二维谱图被ICCD 探测、接收、数字化后，采用特定的谱图还原方法可以转换为高分辨率的一维光谱信息，同时可实现对光谱的时间分辨，找到以最优信背比(SBR)为目标的采集延时时间。高压电光源1为泵浦方式为灯泵的Nd:YAG全固态高压电器，波长1064nm，脉冲输出能量200mJ，频率10Hz，脉宽11ns。控制模块2为实验专配的台式电脑，用来整个实验过程中对中阶梯光栅光谱仪和全固态高压电器的控制，即控制全固态高压电器高压电脉冲击打次数，以及通过中阶梯光栅光谱仪获取光谱数据进行后期分析处理。
作为本发明的第三实施例，如图4所示，所述聚焦采集装置4包括透镜401、带孔透镜402以及双排光钎耦合探头403。其中，带孔透镜402位于透镜401及双排光钎耦合探头403之间。带孔透镜403 为一个上半部分带有圆孔的双凸镜，与主轴方向垂直，用来将高压电光源1发送的高压电光束进行离轴聚焦。然后，所述的高压电光束再经过透镜401汇聚到待测样品的表面。较佳地，透镜401为石英玻璃制成的双凸镜。还有，双排光纤耦合探头403将待测样品产生的离焦的不同波段的等离子体光耦合到光谱获取模块3。
在该实施例中，待测样品为待测量的煤块材料。分光元件301采用中阶梯光栅分光，在二维方向上将不同波长、不同级次的单色光区分开来。图像探测器件302将单色光经过图像传感器件探测数字化后成像，可以一次性地将特定波长范围内的信号拍摄下来，采用 ICCD(像增强型耦合器件)。因此，光谱获取模块3采用一个高分辨全谱直读的中阶梯光栅光谱仪，它以中阶梯光栅为主色散元件，经低色散元件进行交叉色散后(即棱镜的色散方向与中阶梯光栅的色散方向互相垂直)，在焦面处形成二维谱图，该二维谱图被ICCD探测、接收、数字化后，采用特定的谱图还原方法可以转换为高分辨率的一维光谱信息，同时可实现对光谱的时间分辨，找到以最优信背比 (SBR)为目标的采集延时时间。高压电光源1为泵浦方式为二极管泵浦的全固态高压电器，波长1064nm，脉冲能量150μJ，频率7KHz，脉宽4ns。控制模块2为实验专配的台式电脑，用来整个实验过程中对中阶梯光栅光谱仪和全固态高压电器的控制，即控制全固态高压电器高压电脉冲击打次数，以及通过中阶梯光栅光谱仪获取光谱数据进行后期分析处理。
作为本发明的第四实施例，如图5所示，所述聚焦采集装置4包括透镜401、带孔透镜402以及双排光钎耦合探头403。其中，带孔透镜402为一个上半部分带有圆孔的双凸镜，与主轴形成一定夹角，用来将高压电光源1发送的高压电光束进行离轴聚焦。优选地，所述夹角为1度至20度之间。然后，所述的高压电光束再经过透镜401 汇聚到待测样品的表面。较佳地，透镜401为石英玻璃制成的双凸镜。还有，双排光纤耦合探头403将待测样品产生的离焦的不同波段的等离子体光耦合到光谱获取模块3。
在该实施例中，待测样品为待测量的食用油材料。分光元件301 采用全息光栅，将多色光分解为单色光。图像探测器件302使用线阵CCD。而光谱获取模块3为基于Czerny-Turner光学平台设计的光纤光谱仪，具有8个探测通道，每个探测通道耦合了一个2048像素的线阵CCD，整体波长范围为175-1075nm，光谱分辨率0.05-0.1nm。其中，等离子体光由一个标准的SMA905光纤接口接入光学平台，先经一个球面镜准直，然后由一个平面光栅把该准直色散，经由第二块球面镜聚焦，最后光谱的像被投射到一块一维线性探测器阵列上。
另外，高压电光源1为泵浦方式为灯泵的Nd:YAG全固态高压电器，波长532nm，最大输出脉冲能量100mJ，频率1Hz，脉宽7ns。控制模块2为实验专配的台式电脑，用来整个实验过程中对光纤光谱仪和全固态高压电器的控制，即控制全固态高压电器高压电脉冲击打次数，以及通过光纤光谱仪获取光谱数据进行后期分析处理。
综上所述，本发明提供的一种小型集成化基于高压电诱导的击穿光谱测量系统，将高压电聚焦和光谱采集于一体，完成高压电光束聚焦和等离子体光的采集；而且，高压电聚焦和光谱采集采用共轴结构，便于调节；节省了光学结构空间，实现了镜组的复用；并且，降低了调节难度，有利于光学系统的集成化、小型化实现；从而，本发明具有广泛、重大的推广意义；最后，整个所述紧凑的高压电诱导击穿光谱测量系统易于实现、控制。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。
另外，为简化说明和讨论，并且为了不会使本发明难以理解，在所提供的附图中可以示出或可以不示出与集成电路(IC)芯片和其它部件的公知的电源/接地连接。此外，可以以框图的形式示出装置，以便避免使本发明难以理解，并且这也考虑了以下事实，即关于这些框图装置的实施方式的细节是高度取决于将要实施本发明的平台的 (即，这些细节应当完全处于本领域技术人员的理解范围内)。在阐述了具体细节(例如，电路)以描述本发明的示例性实施例的情况下，对本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下或者这些具体细节有变化的情况下实施本发明。因此，这些描述应被认为是说明性的而不是限制性的。
尽管已经结合了本发明的具体实施例对本发明进行了描述，但是根据前面的描述，这些实施例的很多替换、修改和变型对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。例如，其它存储器架构(例如，动态RAM(DRAM))可以使用所讨论的实施例。
本发明的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种小型集成化基于高压电诱导的击穿光谱测量系统，其特征在于，包括：高压电光源、控制模块、光谱获取模块以及聚焦采集装置；
其中，所述控制模块控制所述高压电光源根据预设的工作指令向所述聚焦采集装置发射高压电光束，所述聚焦采集装置将高压电光束聚焦照射到待测样品上，并且所述聚焦采集装置将所述待测样品产生的等离子体光采集传送给所述的光谱获取模块；还有，所述的控制模块对所述光谱获取模块接收的光谱数据进行分析，得到待测样品的检测结果。
2.根据权利要求1所述的一种小型集成化基于高压电诱导的击穿光谱测量系统，其特征在于，所述光谱获取模块包括分光元件和图像探测器件；其中，所述的分光元件将接收到的等离子体光光按不同波长、不同级次的单色光区分开来，所述的图像探测器件用来将所述分光元件得到的单色光经过电荷耦合器件探测数字化后成像。
3.根据权利要求2所述的一种小型集成化基于高压电诱导的击穿光谱测量系统，其特征在于，所述聚焦采集装置包括透镜、带孔透镜、二向色镜以及光谱仪探头；其中，所述光谱仪探头位于所述高压电光源附近，所述二向色镜位于所述高压电光源和所述带孔透镜之间，所述带孔透镜位于所述二向色镜和所述透镜之间；
而且，所述二向色镜为一个与主轴具有倾角的分束镜，将所述高压电光源发出的高压电光束全部透过，然后高压电光束依次通过所述带孔透镜、所述透镜汇聚到待测样品的表面；所述二向色镜将待测样品产生的等离子体光全反射到所述光谱仪探头中，所述的光谱仪探头耦合二向色镜全反射的等离子体光，并传输给所述光谱获取模块。
4.根据权利要求3所述的一种小型集成化基于高压电诱导的击穿光谱测量系统，其特征在于，所述分束镜倾角为45°。
5.根据权利要求2所述的一种小型集成化基于高压电诱导的击穿光谱测量系统，其特征在于，所述的聚焦采集装置包括透镜、抛物反射镜以及光谱仪探头；其中，所述抛物反射镜位于所述透镜和所述光谱仪探头之间；所述抛物反射镜将高压电光源发出的高压电光束全部透过，然后高压电光束通过所述透镜汇聚到待测样品的表面；还有，所述抛物反射镜将待测样品反射的等离子体光汇聚到所述光谱仪探头中，实现大范围光谱波段的探测；然后，所述的光谱仪探头将抛物反射镜反射的等离子体光传输给所述光谱获取模块。
6.根据权利要求5所述的一种小型集成化基于高压电诱导的击穿光谱测量系统，其特征在于，所述抛物反射镜为一个与主轴具有倾角，并且为内层镀金属膜。
7.根据权利要求6所述的一种小型集成化基于高压电诱导的击穿光谱测量系统，其特征在于，所述抛物反射镜与主轴的倾角在1度至45度之间。
8.根据权利要求2所述的一种小型集成化基于高压电诱导的击穿光谱测量系统，其特征在于，所述聚焦采集装置包括透镜、带孔透镜以及双排光钎耦合探头；其中，所述带孔透镜位于所述透镜及所述双排光钎耦合探头之间；所述带孔透镜为一个上半部分带有圆孔的双凸镜，与主轴方向垂直，用来将所述高压电光源发送的高压电光束进行离轴聚焦；然后，所述的高压电光束再经过所述透镜汇聚到待测样品的表面；还有，所述双排光纤耦合探头将待测样品产生的离焦的不同波段的等离子体光耦合到所述光谱获取模块。
9.根据权利要求2所述的一种小型集成化基于高压电诱导的击穿光谱测量系统，其特征在于，所述聚焦采集装置包括透镜、带孔透镜以及双排光钎耦合探头；其中，所述带孔透镜为一个上半部分带有圆孔的双凸镜，与主轴形成一定夹角，用来将所述高压电光源发送的高压电光束进行离轴聚焦；然后，所述的高压电光束再经过透镜汇聚到待测样品的表面；还有，所述双排光纤耦合探头将待测样品产生的离焦的不同波段的等离子体光耦合到所述光谱获取模块。
10.根据权利要求9所述的一种小型集成化基于高压电诱导的击穿光谱测量系统，其特征在于，所述带孔透镜与主轴的夹角为1度至20度之间。
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CN106124483A (zh) * 2016-06-16 2016-11-16 中国科学院光电研究院 一种紧凑的激光诱导击穿光谱测量系统

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