CN111912836B - 一种同轴环形双脉冲libs系统 - Google Patents

一种同轴环形双脉冲libs系统 Download PDF

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Abstract

本发明属于光谱探测技术领域，具体涉及一种同轴环形双脉冲LIBS系统，所述脉冲激光器沿光路方向上依次设置有扩束镜、准直镜、旋镜、圆锥镜、第一反射镜，所述第一反射镜的反射光路上设置有半透半反射镜、聚焦镜，所述旋镜连接有旋镜控制器，所述旋镜控制器控制旋镜旋转，所述旋镜的反射光路上设置有第二反射镜，所述半透半反射镜设置在第二反射镜的反射光路上。本发明使等离子发射光谱增强，提高分析灵敏度；本发明将两台激光器减少为一台，减少了体积，降低了成本；同时本发明不会将第一发脉冲激发的等离子体击飞，经过双脉冲的照射，等离子体更容易被检测到，提高了信号稳定性，提高信噪比，减小了相对标准偏差。本发明用于光谱的探测。

Description

一种同轴环形双脉冲LIBS系统
技术领域
本发明属于光谱探测技术领域，具体涉及一种同轴环形双脉冲LIBS系统。
背景技术
激光诱导击穿光谱（简称LIBS）技术是一种激光烧蚀光谱分析技术，通过将高能量密度超短脉冲打到被测样品表面，会使得样品物质等离子化，产生一个小范围等离子体，进而对等离子体发射光谱进行分析以确定样品的物质成分及含量。LIBS技术的优势明显，需要样品量极少，对样品的破坏性小，可以对固相、液相和气相的样品进行检测，几乎不需要对样品进行预处理，可以实现快速实时在线分析，因此LIBS技术广泛应用于地质、煤炭、冶金、环境、科研等领域。
单脉冲LIBS产生的等离子体温度和密度比较低，检测到的等离子体信号较弱，因此单脉冲LIBS技术的分析灵敏度较低，测量结果误差较大，可以采用双脉冲激光来使等离子体发射光谱增强，提高信号稳定性，提高分析灵敏度。传统双脉冲LIBS技术采用两发脉冲照射在样品表面，当第一发脉冲照射在样品表面后产生等离子体，第二发脉冲打到等离子体上，会使等离子体粉末击飞，不容易收集等离子信号，降低了信号的稳定性，因而传统双脉冲LIBS技术也有其局限性。
发明内容
针对上述单脉冲LIBS技术的分析灵敏度较低、传统双脉冲LIBS技术会使等离子体粉末击飞且不容易收集等离子信号的技术问题，本发明提供了一种信号稳定性强、信噪比高、相对标准偏差小的同轴环形双脉冲LIBS系统。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种同轴环形双脉冲LIBS系统，包括脉冲激光器、扩束镜、准直镜、旋镜、旋镜控制器、圆锥镜、第一反射镜、第二反射镜、半透半反射镜、聚焦镜，所述脉冲激光器沿光路方向上依次设置有扩束镜、准直镜、旋镜、圆锥镜、第一反射镜，所述第一反射镜的反射光路上设置有半透半反射镜、聚焦镜，所述旋镜连接有旋镜控制器，所述旋镜控制器控制旋镜旋转，所述旋镜的反射光路上设置有第二反射镜，所述半透半反射镜设置在第二反射镜的反射光路上。
所述聚焦镜的焦点处设置有被测物体。
所述被测物体的一侧设置有光纤束，所述光纤束连接有光谱仪，所述光谱仪连接有计算机。
所述被测物体的另一侧设置有光电探测器，所述光电探测器连接有光电检测电路，所述光电检测电路连接有延时电路，所述延时电路分别与脉冲激光器、旋镜控制器连接。
所述脉冲激光器发射第一发脉冲通过扩束镜、准直镜，所述旋镜控制器控制旋镜旋转至与准直镜出射光平行的位置，所述准直镜出射光经过圆锥镜产生环形光束，所述环形光束再经过第一反射镜、半透半反射镜照射到被测物体表面，所述脉冲激光器发射二发脉冲，所述旋镜控制器控制旋镜旋转至准直镜出射光的光路上，所述准直镜出射光经旋镜反射后通过第二反射镜和半透半反射镜照射到被测物体表面。
所述光电探测器检测第一发脉冲产生的等离子体信号，所述光电检测电路检测到信号后传递给延时电路，所述延时电路延时发出信号传递给脉冲激光器和旋镜控制器，所述脉冲激光器发射第二发脉冲，所述旋镜控制器控制旋镜旋转45°，所述第二发脉冲通过旋镜、第二反光镜、半透半反射镜、聚焦镜发射照射在第一发脉冲产生的等离子体粉末上。
所述光纤束采用高透过率材料。
所述光谱仪采用中阶梯光栅光谱仪或光纤光谱仪。
本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：
与单脉冲LIBS技术相比，本发明使等离子发射光谱增强，提高分析灵敏度；与传统双脉冲LIBS技术相比，本发明将两台激光器减少为一台，减少了体积，降低了成本；同时本发明不会将第一发脉冲激发的等离子体击飞，经过双脉冲的照射，等离子体更容易被检测到，提高了信号稳定性，提高信噪比，减小了相对标准偏差。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
其中：1为脉冲激光器，2为扩束镜，3为准直镜，4为旋镜，5为旋镜控制器，6为圆锥镜，7为第一反射镜，8为第二反射镜，9为半透半反射镜10为聚焦镜，11为光电探测器，12为光电检测电路，13为延时电路，14为光纤，15为光谱仪，16为计算机，17为被测物体。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种同轴环形双脉冲LIBS系统，如图1所示，包括脉冲激光器1、扩束镜2、准直镜3、旋镜4、旋镜控制器5、圆锥镜6、第一反射镜7、第二反射镜8、半透半反射镜9、聚焦镜10，脉冲激光器1沿光路方向上依次设置有扩束镜2、准直镜3、旋镜4、圆锥镜6、第一反射镜7，第一反射镜7的反射光路上设置有半透半反射镜9、聚焦镜10，旋镜4连接有旋镜控制器5，旋镜控制器5控制旋镜4旋转，旋镜4的反射光路上设置有第二反射镜8，半透半反射镜9设置在第二反射镜8的反射光路上。
进一步，聚焦镜10的焦点处设置有被测物体17。
进一步，被测物体17的一侧设置有光纤束14，光纤束14连接有光谱仪15，光谱仪15连接有计算机16。
进一步，被测物体17的另一侧设置有光电探测器11，光电探测器11连接有光电检测电路12，光电检测电路12连接有延时电路13，延时电路13分别与脉冲激光器1、旋镜控制器5连接。
进一步，脉冲激光器1发射第一发脉冲通过扩束镜2、准直镜3，旋镜控制器5控制旋镜4旋转至与准直镜3出射光平行的位置，准直镜3出射光经过圆锥镜6产生环形光束，环形光束再经过第一反射镜7、半透半反射镜9照射到被测物体17表面，脉冲激光器1发射二发脉冲，旋镜控制器5控制旋镜4旋转至准直镜3出射光的光路上，准直镜3出射光经旋镜4反射后通过第二反射镜8和半透半反射镜9照射到被测物体17表面。
进一步，光电探测器11检测第一发脉冲产生的等离子体信号，光电检测电路11检测到信号后传递给延时电路12，延时电路12延时发出信号传递给脉冲激光器1和旋镜控制器5，脉冲激光器1发射第二发脉冲，旋镜控制器5控制旋镜旋转45°，第二发脉冲通过旋镜4、第二反光镜8、半透半反射镜9、聚焦镜10发射照射在第一发脉冲产生的等离子体粉末上。
进一步，光纤束14采用高透过率材料，将接收到的等离子体光辐射传送到光谱仪15中。
进一步，光谱仪15采用中阶梯光栅光谱仪或光纤光谱仪，得到被测物体17被激发出的等离子体产生的光谱信号。
本发明的工作流程为：脉冲激光器发射的第一发脉冲通过扩束镜、准直镜、水平放置的旋镜、圆锥镜后产生环形光束，再经第一反射镜、半透半反射镜、聚焦镜照射在待测样品表面进行预烧蚀，产生等离子体粉末，等离子体粉末向中心集聚；此时光电探测器可以检测到第一发脉冲产生的等离子体信号，光电检测电路检测到信号后传递给延时电路，延时电路经过一段时间后发出一个TTL电平信号信号传递给脉冲激光器和旋镜控制器，脉冲激光器发射第二个脉冲，旋镜控制器控制旋镜旋转45°，第二发脉冲通过旋镜、第二反光镜、半透半反射镜、聚焦镜发射照射在第一发脉冲产生的等离子体粉末上，待测样品经双脉冲强激光照射后，被激发出的等离子体产生的光谱信号经光纤吸收后传送至光谱仪，产生的光谱数据输入到计算机中进行处理和显示。
上面仅对本发明的较佳实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化，各种变化均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种同轴环形双脉冲LIBS系统，其特征在于：包括脉冲激光器(1)、扩束镜(2)、准直镜(3)、旋镜(4)、旋镜控制器(5)、圆锥镜(6)、第一反射镜(7)、第二反射镜(8)、半透半反射镜(9)、聚焦镜(10)，所述脉冲激光器(1)沿光路方向上依次设置有扩束镜(2)、准直镜(3)、旋镜(4)、圆锥镜(6)、第一反射镜(7)，所述第一反射镜(7)的反射光路上设置有半透半反射镜(9)、聚焦镜(10)，所述旋镜(4)连接有旋镜控制器(5)，所述旋镜控制器(5)控制旋镜(4)旋转，所述旋镜(4)的反射光路上设置有第二反射镜(8)，所述半透半反射镜(9)设置在第二反射镜(8)的反射光路上；所述聚焦镜(10)的焦点处设置有被测物体(17)；所述被测物体(17)的一侧设置有光纤束(14)，所述光纤束(14)连接有光谱仪(15)，所述光谱仪(15)连接有计算机(16)；所述被测物体(17)的另一侧设置有光电探测器(11)，所述光电探测器(11)连接有光电检测电路(12)，所述光电检测电路(12)连接有延时电路(13)，所述延时电路(13)分别与脉冲激光器(1)、旋镜控制器(5)连接；所述脉冲激光器(1)发射第一发脉冲通过扩束镜(2)、准直镜(3)，所述旋镜控制器(5)控制旋镜(4)旋转至与准直镜(3)出射光平行的位置，所述准直镜(3)出射光经过圆锥镜(6)产生环形光束，所述环形光束再经过第一反射镜(7)、半透半反射镜(9)照射到被测物体(17)表面，所述脉冲激光器(1)发射二发脉冲，所述旋镜控制器(5)控制旋镜(4)旋转至准直镜(3)出射光的光路上，所述准直镜(3)出射光经旋镜(4)反射后通过第二反射镜(8)和半透半反射镜(9)照射到被测物体(17)表面；所述光电探测器(11)检测脉冲激光器(1)发射的第一发脉冲产生的等离子体信号，所述光电检测电路(12)检测到信号后传递给延时电路(13)，所述延时电路(13)延时发出信号传递给脉冲激光器(1)和旋镜控制器(5)，所述脉冲激光器(1)发射第二发脉冲，所述旋镜控制器(5)控制旋镜旋转45°，所述第二发脉冲通过旋镜(4)、第二反射镜(8)、半透半反射镜(9)、聚焦镜(10)发射照射在第一发脉冲产生的等离子体粉末上。
2.根据权利要求1所述的一种同轴环形双脉冲LIBS系统，其特征在于：所述光纤束(14)采用高透过率材料。
3.根据权利要求1所述的一种同轴环形双脉冲LIBS系统，其特征在于：所述光谱仪(15)采用中阶梯光栅光谱仪或光纤光谱仪。
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