CN111579491A - 一种平面式激光诱导击穿光谱扫描仪 - Google Patents

一种平面式激光诱导击穿光谱扫描仪 Download PDF

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CN111579491A CN202010651123.7A CN202010651123A CN111579491A CN 111579491 A CN111579491 A CN 111579491A CN 202010651123 A CN202010651123 A CN 202010651123A CN 111579491 A CN111579491 A CN 111579491A
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周培聪
梅佳磊
廖辉磊
张庆月
熊真
李忠秀
钟海坚
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Jiangxi Agricultural University
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    • G—PHYSICS
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Abstract

本发明涉及光谱扫描仪技术领域，尤其涉及一种平面式激光诱导击穿光谱扫描仪，包括用于发射脉冲光束的激光发射器、聚焦透镜、反射光栅、振镜、陷波滤镜、半透半反射振镜、高速面阵CCD阵列、光谱探头以及样品台，所述激光发射器发射出的脉冲光束通过所述聚焦透镜聚焦后经过倾斜设置的反射光栅和振镜反射偏转汇聚于所述样品台上的被测物体表面，被测物体表面的原子激发并发出光，激发出的光通过所述滤波滤镜与倾斜设置的半透半反射振镜，部分光通过所述光谱探头捕捉，另一部分成像到所述高速面阵CCD阵列的感光面上。本发明可以在进行激光打标作业的同时快速获取平面样品中的光谱信息，并通过矫正算法对物体表面成分进行进一步的定性定量分析。

Description

一种平面式激光诱导击穿光谱扫描仪
技术领域
本发明涉及光谱扫描仪技术领域，尤其涉及一种平面式激光诱导击穿光谱扫描仪。
背景技术
激光诱导击穿光谱仪(LIBS)是光谱分析领域一种分析仪器，其基本原理是使用高能量激光光源，在分析材料表面形成高强度激光光斑，使样品表面灼烧剥离并出现等离子体，高能量的等离子体使纳米粒子熔化，将其中的原子激发并且发出光，这些光随后通过光谱系统和检测系统进行分析。这种技术对材料中的绝大部分无机元素非常敏感.。同时能分析低原子数元素例如：氢-钠的元素，这些元素用其他技术很难分析。LIBS弥补了传统元素分析方法的不足，尤其在微小区域材料分析、镀层/薄膜分析、缺陷检测、珠宝鉴定、法医证据鉴定、粉末材料分析、合金分析等应用领域优势明显，同时，LIBS还可以广泛适用于地质、煤炭、冶金、制药、环境、科研等不同领域的应用。
在测量表面成分不均匀的样品时，LIBS需多次测量样品表面不同单点以获取光谱信息，因此样品表面的不均匀性对测试结果的影响很大，一般情况下一次测量很难保证结果的准确性和精确度。因此LIBS往往局限于物质成分单一且分布均匀的单点测量。
激光打标机常见于工业生产流水线中，其原理是由激光发生器生成高能量的连续激光光束，聚焦后的激光作用于承印材料，使表面材料瞬间熔融，甚至气化，通过控制激光在材料表面的路径，从而形成需要的图文标记。
正是基于上述原因，本发明提供了一种平面式激光诱导击穿光谱扫描仪，可以在进行激光打标作业的同时快速获取平面样品中的光谱信息，并通过矫正算法对物体表面成分进行进一步的定性定量分析。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种平面式激光诱导击穿光谱扫描仪，可以在进行激光打标作业的同时快速获取平面样品中的光谱信息，并通过矫正算法对物体表面成分进行进一步的定性定量分析。
为了实现本发明的目的,本发明公开了一种平面式激光诱导击穿光谱扫描仪，包括用于发射脉冲光束的激光发射器、聚焦透镜、反射光栅、振镜、陷波滤镜、半透半反射振镜、高速面阵CCD阵列、光谱探头以及样品台，所述激光发射器发射出的脉冲光束通过所述聚焦透镜聚焦后经过倾斜设置的反射光栅和振镜反射偏转汇聚于所述样品台上的被测物体表面，被测物体表面的原子激发并发出光，激发出的光通过所述滤波滤镜与倾斜设置的半透半反射振镜，部分光通过所述光谱探头捕捉，另一部分成像到所述高速面阵CCD阵列的感光面上。
所述反射光栅呈倾斜设置，其上表面能够将经过所述聚焦透镜聚焦后的脉冲光束反射至所述振镜的下表面，所述振镜呈倾斜设置能够将脉冲光束完全反射至样品台上的被测物体表面。
所述高速面阵CCD阵列的感光面上获取的CCD的输出信号与积分时间成正比，CCD的真值信号会进行频谱搬移，需对积分时间进行调制，积分时间变化如公式所示，
Figure BDA0002575015220000021
式中：tn为第n次采样的积分时间；t0为采用低通滤波法时的积分时间；ω为正弦调制的数字频率；
设实测信号为S1，实际信号为S2，白噪声为ωn则，如公式所示：
Figure BDA0002575015220000022
假设S1的快速傅里叶变换为S1 *，数字带通滤波器的传输函数为H(n)，那么S1经过带通滤波后输出信号S为，如公式所示：
Figure BDA0002575015220000023
本发明的有益效果在于：
(1)本发明所有的光学元件都采用反射式使光谱工作范围不受材料的色散性质影响，可在一定程度上减小像差；
(2)光谱仪工作时，除振镜外所有的元件都是固定的，在很大程度上提高了仪器工作的可靠性；
(3)可一次性快速检测被测物体平面各点光谱信息，检测具有实时性。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明光谱辐射信号随积分时间的变化；
图3为本发明当时间延迟与积分时间之和小于连续辐射时辐射信号的变化以及当时间延迟与积分时间之和大于连续辐射时辐射信号的变化。
图中1.激光发射器，2.聚焦透镜，3.反射光栅，4.振镜，5.陷波滤镜，6.半透半反射振镜，7.高速面阵CCD阵列，8.光谱探头，9.样品台。
具体实施方式
下面对本发明进一步说明：
请参阅图1-图3，
本发明公开了一种平面式激光诱导击穿光谱扫描仪，包括用于发射脉冲光束的激光发射器1、聚焦透镜2、反射光栅3、振镜4、陷波滤镜5、半透半反射振镜6、高速面阵CCD阵列7、光谱探头8以及样品台9，聚焦透镜2能够将脉冲光束聚焦，达到所需要的脉冲能量，在整个扫描平面内形成均匀大小的聚焦光斑；反射光栅3能够反射激光并滤除杂光；陷波滤镜5能够滤除激光能量。
扫描过程：如图1所示，激光发射器1发射出脉冲光束，通过聚焦透镜2将脉冲光束能量聚焦，经过反射光栅3和振镜4的偏转后会聚到样品台9上的被测物体表面，该被测物体表面烧灼剥离并出现高能等离子体，高能量的等离子体使纳米粒子熔化，将其中的原子激发并且发出光，激发出的光经过陷波滤镜5与半透半反射镜6，一部分被光谱探头8捕捉，另一部分成像到高速面阵CCD阵列7的感光面上，光谱信号就可以转化为相应的电信号，由后续电路来处理和分析；最终将高速面阵CCD阵列7与光谱探头8采集的各点数据并加以算法矫正，得到被测物体二维光谱数据信息。
如图2-图3所示，CCD信号去噪：由于CCD的输出信号与积分时间成正比，CCD的真值信号会进行频谱搬移，所以需对积分时间进行调制。理想情况下是将积分时间按正弦函数变化，但积分时间不能为负，因此将积分时间按下式变化：
Figure BDA0002575015220000031
式中：tn为第n次采样的积分时间；t0为采用低通滤波法时的积分时间；ω为正弦调制的数字频率。
设实测信号为S1，实际信号为S2，白噪声为ωn则
Figure BDA0002575015220000041
假设S1的快速傅里叶变换为S1 *，数字带通滤波器的传输函数为H(n)，那么S1经过带通滤波后输出信号S为：
Figure BDA0002575015220000042
在激光诱导等离子体早期，连续背景辐射非常强，但随着时间的推移，连续背景辐射很快衰减，离子谱线也迅速衰减。虽然原子谱线强度增长相对较慢，但下降速率更慢，且可以维持较长时间。因此，为了得到较高的信号背景比，需要适当的时间延迟和积分时间。
当时间延迟与积分时间之和小于连续辐射τ，即t0+t1≤τ时，各点采样所得的辐射信号会有重叠，无法完全分辨各点信号，而当时间延迟与积分时间之和小于连续辐射τ，即t0+t1≥τ时，各点信号可被清晰分辨，因此通过高速CCD的积分时间时延，本装置可实现平面多点光谱信息的同时检测。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (3)

1.一种平面式激光诱导击穿光谱扫描仪，其特征在于：包括用于发射脉冲光束的激光发射器(1)、聚焦透镜(2)、反射光栅(3)、振镜(4)、陷波滤镜(5)、半透半反射振镜(6)、高速面阵CCD阵列(7)、光谱探头(8)以及样品台(9)，
所述激光发射器(1)发射出的脉冲光束通过所述聚焦透镜(2)聚焦后经过倾斜设置的反射光栅(3)和振镜(4)反射偏转汇聚于所述样品台(9)上的被测物体表面，被测物体表面的原子激发并发出光，激发出的光通过所述滤波滤镜(5)与倾斜设置的半透半反射振镜(6)，部分光通过所述光谱探头(8)捕捉，另一部分成像到所述高速面阵CCD阵列(7)的感光面上。
2.根据权利要求1所述的一种平面式激光诱导击穿光谱扫描仪，其特征在于：所述反射光栅(3)呈倾斜设置，其上表面能够将经过所述聚焦透镜(2)聚焦后的脉冲光束反射至所述振镜(4)的下表面，所述振镜(4)呈倾斜设置能够将脉冲光束完全反射至样品台(9)上的被测物体表面。
3.根据权利要求1所述的一种平面式激光诱导击穿光谱扫描仪，其特征在于：所述高速面阵CCD阵列(7)的感光面上获取的CCD的输出信号与积分时间成正比，CCD的真值信号会进行频谱搬移，需对积分时间进行调制，积分时间变化如公式所示，
Figure FDA0002575015210000011
式中：tn为第n次采样的积分时间；t0为采用低通滤波法时的积分时间；ω为正弦调制的数字频率；
设实测信号为S1，实际信号为S2，白噪声为ωn则，如公式所示：
Figure FDA0002575015210000012
假设S1的快速傅里叶变换为S1 *，数字带通滤波器的传输函数为H(n)，那么S1经过带通滤波后输出信号S为，如公式所示：
Figure FDA0002575015210000013
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115791756A (zh) * 2022-11-24 2023-03-14 北京杏林睿光科技有限公司 一种一次测量全谱的激光诱导击穿光谱装置
CN117629891A (zh) * 2023-11-29 2024-03-01 北矿检测技术股份有限公司 基于双模式光谱采集的libs系统

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