CN112213297B - 一种基于环形光束的旁轴双脉冲libs系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于双脉冲系统技术领域，具体涉及一种基于环形光束的旁轴双脉冲LIBS系统，所述第一各种波长的激光器通过扩束镜、锥形透镜产生环形光束，所述环形光束的光路方向上设置有被测样品，所述被测样品的一侧设置有光电探测器，所述光电探测器通过导线连接有延迟电路，所述延迟电路通过导线连接有第二各种波长的激光器，所述第二各种波长的激光器的光路方向上设置有离轴抛物面镜，所述被测样品设置在离轴抛物面镜的反射光路上。本发明利用环形光束将被测物品表面物质向中心聚集后发出第二束激光对汇集后的被测样品进行烧蚀从而可以产生更高能量的等离子体光谱信号，通过提高光谱信号的强度进一步提高探测精度。本发明用于光谱的探测。

Description

一种基于环形光束的旁轴双脉冲LIBS系统

技术领域

本发明属于双脉冲系统技术领域，具体涉及一种基于环形光束的旁轴双脉冲LIBS系统。

背景技术

激光诱导击穿光谱（Laser-Induced Breakdown Spectroscopy，简称LIBS），LIBS技术是通过透镜组将脉冲激光聚焦于被测样品表面，通过烧蚀样品产生等离子体，等离子体辐射出包含被测样品原子和离子特征谱线的光谱信号到光谱仪进行分析，可用于探测样品的组成元素等。

在采用LIBS技术对被测样品元素的种类和含量进行分析检测时现多用双脉冲LIBS装置及方法，双脉冲LIBS的原理是通过发射第一束脉冲激光对北侧样品进行预烧蚀，促使被测样品表面粉末向脉冲激光中心聚集，优化激发环境，之后发射第二束脉冲激光对被测样品进行二次诱导激发，从而获得强度更高的等离子体辐射光谱信号。被测样品通过双脉冲LIBS测量系统对不同区域进行检测得到光谱，采集到光谱后光谱仪再传递到计算机中，计算机上的软件将采集到的光谱数据与NIST数据库中的LIBS元素光谱信息进行分析比对，得到待测样品中所含的元素种类和相应的谱线信息，我们通过分析其中相关元素的特征谱线及其强度，最终获得待测样品中所含元素种类和含量的探测结果。

然而传统的双脉冲LIBS分析装置及方法的探测精度在某些情况下还是难以达到要求，主要原因有在进行探测时脉冲激光稳定性差；探测器会产生噪声；信号有损耗在传输过程中；待检测样品物质分散，难以达到高能量的等离子体信号；会受环境的影响等。而且烧蚀过程也不可重复，使用安全性低，导致了最终得到的特征谱线不明显难以对其进行准确的分析。随着激光诱导击穿光谱的应用范围日益扩展，传统的双脉冲激光诱导击穿光谱技术已不能满足某些情况下的需要。如何在提高等离子体光谱收集效率的基础上，提高光谱信号的强度进一步提高探测精度，是当下需要解决的关键问题。另外传统的双脉冲LIBS系统通过调整光路延时器改变延时光路的光程，从而改变两束激光的光程差来实现延迟时间的改变，光速很快而且光在不同环境下光速有差别，导致延时时间很难控制，精度也不高。

发明内容

针对上述传统的双脉冲LIBS系统探测精度差、延时时间很难控制的技术问题，本发明提供了一种高精度、范围大、易控制的基于环形光束的旁轴双脉冲LIBS系统。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种基于环形光束的旁轴双脉冲LIBS系统，包括第一各种波长的激光器、第二各种波长的激光器、扩束镜、锥形透镜、环形光束、被测样品、光电探测器、延迟电路、离轴抛物面镜，所述第一各种波长的激光器的光路方向上依次设置有扩束镜、锥形透镜，所述第一各种波长的激光器通过扩束镜、锥形透镜产生环形光束，所述环形光束的光路方向上设置有被测样品，所述被测样品的一侧设置有光电探测器，所述光电探测器通过导线连接有延迟电路，所述延迟电路通过导线连接有第二各种波长的激光器，所述第二各种波长的激光器的光路方向上设置有离轴抛物面镜，所述被测样品设置在离轴抛物面镜的反射光路上。

还包括透镜、全波段高分辨率光纤束、光谱仪、计算机，所述透镜设置在被测样品的另一侧，所述全波段高分辨率光纤束的一端连接在透镜的焦点处，所述全波段高分辨率光纤束的另一端连接在光谱仪的入射狭缝处，所述光谱仪通过导线连接有计算机。

所述锥形透镜的材料采用聚甲基丙烯酸甲酯或玻璃。

所述第一各种波长的激光器、第二各种波长的激光器均采用单一波长激光的激光器或至少两个输出不同单一波长激光的激光器或一个输出几种不同波长激光的激光器。

所述离轴抛物面镜的材料采用玻璃或金属，所述离轴抛物面镜上镀有高反射率膜。

所述光谱仪采用中阶梯光栅光谱仪或光纤光谱仪。

所述全波段高分辨率光纤束采用对整个探测光谱波段具有高透过率的材料。

所述锥形透镜、离轴抛物面镜均采用非球面反射式结构。

本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：

1、本发明第一各种波长的激光器产生的激光经过锥形透镜形成环形光束，利用环形光束将被测物品表面物质向中心聚集后发出第二束激光对汇集后的被测样品进行烧蚀从而可以产生更高能量的等离子体光谱信号，通过提高光谱信号的强度进一步提高探测精度；

2、本发明所采用的锥形棱镜为非球面反射式系统，既没有像差、色差，而且可以将不同波长的激光经锥形棱镜折射为环形光束聚集到被测样品表面促使待测物质向环形光束中心聚集，因此，对于各种被测样品，样品无需预处理均能得到好的等离子体辐射效果；

3、本发明的延迟电路是通过FPGA电路接收到脉冲信号后，延迟指定时钟周期后发出，延迟精度更高，可以达到纳秒级别，延时范围更广，延迟时间的控制也更简单快捷；

4、本发明所采用的离轴抛物面反射镜为非球面反射式系统，无像差和色差，不同波长的激光可经抛物面反射镜聚焦到同一个理想焦点上，因此，对于多波长激光激发时，样品无需调整位置均能得到好的聚焦效果；

5、本发明所采用的透镜和透镜焦点处采用对整个探测光谱波段具有高透过率的材料制成的全波段高分辨率光纤束，可以实现辐射的等离子体光谱高精度聚集与传输。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

其中：1为第一各种波长的激光器，2为第二各种波长的激光器，3为扩束镜，4为锥形透镜，5为环形光束，6为被测样品，7为光电探测器，8为延迟电路，9为离轴抛物面镜，10为透镜，11为全波段高分辨率光纤束，12为光谱仪，13为计算机。

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。

一种基于环形光束的旁轴双脉冲LIBS系统，如图1所示，包括第一各种波长的激光器1、第二各种波长的激光器2、扩束镜3、锥形透镜4、环形光束5、被测样品6、光电探测器7、延迟电路8、离轴抛物面镜9，第一各种波长的激光器1的光路方向上依次设置有扩束镜3、锥形透镜4，第一各种波长的激光器1通过扩束镜3、锥形透镜4产生环形光束5，环形光束5的光路方向上设置有被测样品6，被测样品6的一侧设置有光电探测器7，光电探测器7通过导线连接有延迟电路8，延迟电路8通过导线连接有第二各种波长的激光器2，第二各种波长的激光器2的光路方向上设置有离轴抛物面镜9，被测样品6设置在离轴抛物面镜9的反射光路上。第一各种波长激光器1发射激光脉冲经扩束镜3对激光脉冲的光束直径进行扩大后，扩束后的激光脉冲再经过锥形棱镜4折射形成环形光束聚焦到被测样品6表面，环形光束的能量促使被测物体表面的微小颗粒不断向环形光束的中心聚集，从而优化激发环境。第二路脉冲主要是由光电探测器7检测到环形光束5产生后，输出一定幅度的脉冲信号到延时电路8，延时电路8对脉冲信号延时一定时间后促使第二各种波长的激光器2发出激光脉冲，再经过离轴抛物面镜9反射后聚焦到放置在其焦点的被测样品6表面。

进一步，还包括透镜10、全波段高分辨率光纤束11、光谱仪12、计算机13，透镜10设置在被测样品6的另一侧，全波段高分辨率光纤束11的一端连接在透镜10的焦点处，全波段高分辨率光纤束11的另一端连接在光谱仪12的入射狭缝处，光谱仪12通过导线连接有计算机13。产生的LIBS信号经过透镜10聚焦到放置在其焦点处的全波段高分辨率光纤束11的入射端面上，经全波段高分辨率光纤束11传输后输入到光谱仪12中。光谱仪12对等离子体光辐射进行分光和采集，产生的光谱数据输入到计算机13中进行处理和显示。

进一步，优选的，锥形透镜4的材料采用聚甲基丙烯酸甲酯或玻璃，起到将光束折射成环形光束的作用。

进一步，优选的，第一各种波长的激光器1、第二各种波长的激光器2均采用单一波长激光的激光器或至少两个输出不同单一波长激光的激光器或一个输出几种不同波长激光的激光器。输出几种不同波长激光时，可以是几种波长共窗口输出，也可以是分窗口输出，可以是几种波长同时输出，也可以是按照一定的时序关系分时输出。

进一步，优选的，离轴抛物面镜9的材料采用玻璃或金属，离轴抛物面镜9上镀有高反射率膜，起到反射脉冲激光的作用。

进一步，优选的，光谱仪12采用中阶梯光栅光谱仪或光纤光谱仪，其作用是得到所发射的等离子体光谱。

进一步，优选的，全波段高分辨率光纤束11采用对整个探测光谱波段具有高透过率的材料，其作用是将接收到的等离子体光辐射传送到光谱仪12中。

进一步，优选的，锥形透镜4、离轴抛物面镜9均采用非球面反射式结构，锥形棱镜4采用非球面反射式结构，既没有像差、色差，而且还可以将不同波长的激光经锥形棱镜4折射为环形光束5聚集到被测样品6表面促使待测物质向环形光束5中心聚集，对于各种被测样品6，被测样品6无需预处理均能得到好的等离子体辐射效果；离轴抛物面镜9采用非球面反射式结构，无像差和色差，不同波长的激光可经离轴抛物面镜9聚焦到同一个理想焦点上，对于多波长激光激发时，被测样品6无需调整位置均能得到好的聚焦效果。

本发明的工作流程为：第一各种波长激光器1发射激光脉冲经扩束镜3对激光脉冲的光束直径进行扩大后，扩束后的激光脉冲再经过锥形棱镜4折射形成环形光束聚焦到被测样品6表面，环形光束的能量促使被测物体表面的微小颗粒不断向环形光束的中心聚集，从而优化激发环境。第二路脉冲主要是由光电探测器7检测到环形光束5产生后，输出一定幅度的脉冲信号到延时电路8，延时电路8对脉冲信号延时一定时间后促使第二各种波长的激光器2发出激光脉冲，再经过离轴抛物面镜9反射后聚焦到放置在其焦点的被测样品6表面（环形光束5的中心位置）。最后烧蚀产生的LIBS信号经过透镜10聚焦到放置在其焦点处的全波段高分辨率光纤束11的入射端面上，经全波段高分辨率光纤束11传输后输入到光谱仪12中。光谱仪12对等离子体光辐射进行分光和采集，产生的光谱数据输入到计算机13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 (7)

1.一种基于环形光束的旁轴双脉冲LIBS系统，其特征在于：包括第一各种波长的激光器（1）、第二各种波长的激光器（2）、扩束镜（3）、锥形透镜（4）、环形光束（5）、被测样品（6）、光电探测器（7）、延迟电路（8）、离轴抛物面镜（9），所述第一各种波长的激光器（1）的光路方向上依次设置有扩束镜（3）、锥形透镜（4），所述第一各种波长的激光器（1）通过扩束镜（3）、锥形透镜（4）产生环形光束（5），所述环形光束（5）的光路方向上设置有被测样品（6），所述被测样品（6）的一侧设置有光电探测器（7），所述光电探测器（7）通过导线连接有延迟电路（8），所述延迟电路（8）通过导线连接有第二各种波长的激光器（2），所述第二各种波长的激光器（2）的光路方向上设置有离轴抛物面镜（9），所述被测样品（6）设置在离轴抛物面镜（9）的反射光路上；还包括透镜（10）、全波段高分辨率光纤束（11）、光谱仪（12）、计算机（13），所述透镜（10）设置在被测样品（6）的另一侧，所述全波段高分辨率光纤束（11）的一端连接在透镜（10）的焦点处，所述全波段高分辨率光纤束（11）的另一端连接在光谱仪（12）的入射狭缝处，所述光谱仪（12）通过导线连接有计算机（13）。

2.根据权利要求1所述的一种基于环形光束的旁轴双脉冲LIBS系统，其特征在于：所述锥形透镜（4）的材料采用聚甲基丙烯酸甲酯或玻璃。

3.根据权利要求1所述的一种基于环形光束的旁轴双脉冲LIBS系统，其特征在于：所述第一各种波长的激光器（1）、第二各种波长的激光器（2）均采用单一波长激光的激光器或至少两个输出不同单一波长激光的激光器或一个输出几种不同波长激光的激光器。

4.根据权利要求1所述的一种基于环形光束的旁轴双脉冲LIBS系统，其特征在于：所述离轴抛物面镜（9）的材料采用玻璃或金属，所述离轴抛物面镜（9）上镀有高反射率膜。

5.根据权利要求1所述的一种基于环形光束的旁轴双脉冲LIBS系统，其特征在于：所述光谱仪（12）采用中阶梯光栅光谱仪或光纤光谱仪。

6.根据权利要求1所述的一种基于环形光束的旁轴双脉冲LIBS系统，其特征在于：所述全波段高分辨率光纤束（11）采用对整个探测光谱波段具有高透过率的材料。

7.根据权利要求1所述的一种基于环形光束的旁轴双脉冲LIBS系统，其特征在于：所述锥形透镜（4）、离轴抛物面镜（9）均采用非球面反射式结构。

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