CN111912831A - 一种水下光谱检测的装置与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种可实现水中元素种类及浓度原位、实时、高灵敏光谱检测的装置与方法。该装置由封装于密封舱（8）内部的水下激光诱导击穿光谱模块和放置于密封舱（8）外部的微气柱辅助模块组成，其中激光诱导击穿光谱模块包括脉冲激光器（1）、聚焦和收集光路、光纤（7）、光谱仪（2）和控制电路板（3）等部件；微气柱辅助模块主要由蠕动泵、缓冲舱（9）和针头等部件组成。该装置工作时，通过微气柱辅助模块在水体中产生一个直径微小、形状稳定的柱状气流，进而改变激光脉冲击穿水体样品时的样品形态，达到增强LIBS光谱信号，实现水中元素原位高灵敏检测的目的。因此，所涉及的方法与装置，能够通过一个体积小、能耗低、安装与拆卸便捷的微气柱辅助模块改善光谱检测的灵敏度，适用于相关水体环境检测或科学调查等领域。

Description

一种水下光谱检测的装置与方法
技术领域
本发明专利涉及一种水下原位、实时元素成分光谱检测分析技术，属于光学仪器领域，有望在水体环境监测、自然水体科学调查等领域应用。
背景技术
随着人类对于水体环境污染重视程度的不断提高，以及在海洋科学等相关领域研究的不断深入，人们发现：发展水下原位、实时的水体中元素成分检测分析的技术，对于水体环境保护和自然水体科学调查等领域有着非常重要的积极作用。激光诱导击穿光谱技术（Laser induced breakdown spectroscopy， LIBS），是一种利用高能量激光脉冲击穿样品产生高温等离子体，通过测量等离子体冷却复合时目标元素的原子或离子的辐射光谱来进行元素成分检测以及定量分析的技术。有望发展成为水体元素的原位、实时检测分析技术。然而受到水体压力环境和热传导率高等因素的影响，该技术的光谱信号强度和稳定性较差。本发明提出了一种利用微气柱辅助LIBS检测的方法和装置，能够实现水体元素光谱信号的改善，有望在相关领域得到推广。
发明内容
本发明利用微气柱辅助模块在水下形成一小段微气柱，通过激光脉冲同时击穿水体和微气柱，再利用激光诱导击穿光谱模块分析等离子体的辐射光谱。
本发明可以分为微气柱辅助模块以及激光诱导击穿光谱模块两部分。其中微气柱辅助模块主要利用蠕动泵、针头以及载气等在水下制造出一小段稳定的柱状气流；激光诱导击穿光谱模块主要包括密封舱（8）及舱内的脉冲激光器（1）、聚焦与收集光路、光纤（7）、光谱仪（2）、控制电路板（3）以及岸基计算机（16）等，用来同时击穿微气柱和水体产生等离子体，并对击穿产生的辐射光谱进行采集、传输与分析。
附图说明
下面将结合附图图1对本发明做进一步说明。
附图图1为微气柱辅助激光诱导击穿光谱检测装置示意图(气柱辅助水下光谱检测装置示意图)，附图图1中标号所示：
1、脉冲激光器，2、光谱仪，3、控制电路板，4、聚焦透镜组，5、二向色镜，6、收集透镜组，7、光纤，8、密封舱，9、缓冲舱，10、进气蠕动泵，11、喷射针头，12、导流蠕动泵，13、导流针头，14、导管，15、密封舱窗口，16、岸基计算机。
具体实施方式
本发明按照如下方式进行实施。
将脉冲激光器（1）、光谱仪（2）、控制电路板（3）、聚焦透镜组（4）、二向色镜（5）、收集透镜组（6）、光纤（7）、放置于密封舱（8）中，构成水下激光诱导击穿光谱模块；由缓冲舱（9）、进气蠕动泵（10）、喷射针头（11）、导流蠕动泵（12）、导流针头（13）和导管（14）组成微气柱辅助模块固定于密封舱（8）相应位置。
工作时，在控制电路板（3）的控制下，脉冲激光器（1）发射出激光脉冲，被聚焦透镜组（4）聚焦后，透过密封舱窗口（15）聚焦于密封舱窗口（15）外侧的水体中，进气蠕动泵（10）抽取缓冲舱（9）内的气体，经由喷射针头（11）喷出，导流蠕动泵（12）和导流针头（13）吸收水体和喷射出的气体，在激光焦点位置形成直径微小、形状稳定的圆柱形气柱，激光在水体和微气柱界面位置上击穿形成等离子体，等离子体的辐射由聚焦透镜组（4）所收集，经二向色镜（5）反射、收集透镜组（6）聚焦后进入光纤（7），由光谱仪（2）分光得到光谱数据，并将光谱信号转换为电信号，再由控制电路板（3）读取，并将光谱数据传输至岸基计算机（16）进行数据处理，实现水中元素成分的分析。导流针头（13）收集的气体和水体经导管（14）注入缓冲舱（9），气体上浮至缓冲舱（9）上部以循环使用，多余水体经缓冲舱（9）下部的单向阀流出。
开启检测后，脉冲激光器（1）会始终保持正常工作，控制电路板（3）的时序控制模块在接收触发信号后，延时t1发射出激光脉冲，在时间间隔t2后打开光谱仪（2）探测器的门控开关，探测器门宽为t3，之后关闭，获得激光诱导击穿光谱信号。时间间隔t2在200ns-1200ns之间设置。
缓冲舱（9）可以在现场可实现的情况下省略，利用水面以上的空气或气瓶来为微气柱辅助模块提供载气。
载气可根据检测目标的不同，在空气、氦气、氖气和氩气中选择不同的气体种类。
喷射针头（11）和导流针头（13）的孔径、，喷射针头（11）和导流针头（13）之间的距离、进气蠕动泵（10）和导流蠕动泵（12）的流速等参数可以根据需要选择和调整。
聚焦透镜组（4）可以根据检测环境的限制来做出调整，用不同焦距的凸透镜、双胶合透镜和弯月形透镜搭配出合适的聚焦透镜组合。使激光脉冲光束聚焦在微气柱与液体的气液交界处或者聚焦在微气柱内部。
脉冲激光器（1）输出的激光波长为1064nm，脉冲的能量可以根据检测目标和检测环境进行调整，单脉冲能量在几个毫焦到几百个毫焦之间，脉冲的脉宽也可在飞秒量级到纳秒量级中选择。
光谱仪（2）的工作光谱范围为185nm~1000nm，探测器的采集门延时时间在200ns-1200ns之间选择。

Claims (8)

1.一种水下光谱检测的装置与方法，其特征在于：
将脉冲激光器（1）、光谱仪（2）、控制电路板（3）、聚焦透镜组（4）、二向色镜（5）、收集透镜组（6）、光纤（7）、放置于密封舱（8）中，构成水下激光诱导击穿光谱模块；由缓冲舱（9）、进气蠕动泵（10）、喷射针头（11）、导流蠕动泵（12）、导流针头（13）和导管（14）组成微气柱辅助模块；工作时，在控制电路板（3）的控制下，脉冲激光器（1）发射出激光脉冲，被聚焦透镜组（4）聚焦后，透过密封舱窗口（15）聚焦于密封舱窗口（15）外侧的水体中，进气蠕动泵（10）抽取缓冲舱（9）内的气体，经由喷射针头（11）喷出，导流蠕动泵（12）和导流针头（13）吸收喷射出的全部气体和部分液体，在激光焦点位置形成直径微小、形状稳定的圆柱形气柱，激光在水体和微气柱界面位置上击穿形成等离子体，等离子体的辐射光谱由聚焦透镜组（4）所收集，经二向色镜（5）反射、收集透镜组（6）聚焦后进入光纤（7），由光谱仪（2）分光得到光谱数据，再由控制电路板（3）读取，并将光谱数据传输至岸基计算机（16）进行数据处理，最终实现水中元素成分的分析。
2.根据权利要求1所述的微气柱辅助模块，其特征在于：载气可根据检测目标的不同，在空气、氦气、氖气、氩气中选择不同的气体种类。
3.根据权利要求1所述的微气柱辅助模块，其特征在于：喷射针头（11）和导流针头（13）的孔径、喷射针头（11）和导流针头（13）之间的距离、进气蠕动泵（10）和导流蠕动泵（12）的流速等参数可以根据检测环境中压力、温度等的变化进行选择和调整。
4.根据权利要求1所述的缓冲舱（9），其特征在于：可以在现场可实现的情况下省略，利用水面以上的空气或气瓶来提供载气。
5.根据权利要求1所述的聚焦透镜组（4），其特征在于：其焦距可以根据工作的水体环境情况调整，使激光脉冲光束聚焦在微气柱的表面或微气柱的内部。
6.根据权利要求1所述的脉冲激光器（1），其特征在于：所输出的激光波长为1064nm，激光单脉冲能量可在几个毫焦到几百个毫焦调节，脉冲的脉宽也可在飞秒量级到纳秒量级中选择。
7.权利要求1所述的光谱仪（2），其特征在于：根据探测目标的要求，其工作光谱范围在185nm到1000nm之间。
8.一种水下光谱检测的装置与方法，其特征在于：开启检测后，脉冲激光器（1）会始终保持正常工作，控制电路板（3）的时序控制模块在接收触发信号后，延时t1发射出激光脉冲，在时间间隔t2后打开光谱仪（2）探测器的门控开关，探测器门宽为t3，之后关闭，获得激光诱导击穿光谱信号；时间间隔t2在200ns-1200ns之间设置。
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