CN112666128A - 一种多光谱联用检测系统及其检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多光谱联用检测系统及其检测方法，包括受激布里渊散射测量支路和拉曼/激光诱导击穿测量支路，用以检测不同样品的体弹性模量、黏弹性等物理信息和分子结构与元素的组成成分等化学信息，用激光能量调节结合变焦镜组实现对拉曼光谱和激光诱导击穿光谱自由切换，对第一待检样品中分子结构和元素信息分析，通过多光谱联合检测获得待测第一待检样品和第二待检样品的物理和化学成分信息，且计算机用于对接收的光谱数据进行处理，得到样品元素或分子成分含量，结合不同检测样品所对应的光谱数据，建立不同样品检测的指纹鉴别数据库，最终形成一种有效的多种样品快速检测方法和技术。
Description
技术领域
本发明涉及一种光学检测技术领域，具体涉及一种多光谱联用检测系统及方法。
背景技术
布里渊散射(Brillouin Scattering)是激光光谱学中的一个重要研究方向，依据布里渊散射发生的物理机制，当入射激光强度达到或超过某一阈值时，会在介质内部产生电致伸缩效应，引起介质的密度涨落，从而激发出“运动的”声波场，这种声波会在特定方向上对入射光产生散射(即受激布里渊散射，SBS)，散射光则会由于多普勒效应而发生频移，频移量大小与入射光波长λ、介质的折射率n、以及声速υS有关，已被广泛应用于材料结构分析、介质参数测量等实际应用中，而弹性模量可由布里渊声波的波速与油的密度得到。然而，布里渊散射只能检测物质的折射率、密度、粘滞系数等物理性质，不能检测物质的化学成分。
拉曼光谱(Raman Spectroscopy)是一种散射光谱。拉曼光谱分析法是基于印度科学家C.V.拉曼(Raman)所发现的拉曼散射效应，对与入射光频率不同的散射光谱进行分析以得到分子振动、转动方面信息，可应用于分子结构及其组成的一种分析方法。拉曼光谱在检测过程中不会损伤样品，同时样品的前期处理工作要求也相对较低。但是，拉曼光谱不能检测物质折射率、密度、粘滞系数等的物理性质，也不能分析物质的元素组成。
激光诱导击穿光谱(LIBS)通过脉冲激光聚焦样品表面形成等离子体，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是一种化学元素分析技术，可用于评估每个构成元素的组成及其相对丰度。LIBS技术的优点包括分析快度(秒级)，固体样品直接分析，几乎覆盖所有元素，包括轻元素和非金属元素。然而，LIBS仅适于分析物质的元素组成，不能实现对物质分子结构及物理性质的检测。
为解决上述方法的不足，本发明提出一种多光谱联用检测系统和方法，将SBS、Raman和LIBS三种技术相结合，实现了三种技术的高度互补，从弹性模量、黏弹性等物理性质、分子结构和元素组成等角度对样品检测。
发明内容
针对单一光谱检测的技术的问题和不足，本发明提供了一种集受激布里渊散射、拉曼光谱和激光诱导击穿光谱于一体的多光谱联用检测系统及其检测方法，包括受激布里渊散射测量支路和拉曼/激光诱导击穿光谱测量支路，用以检测待测样品的体弹性模量、黏弹性等物理信息和组成成分等化学信息。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为，一种多光谱联用检测系统，包括受激布里渊散射探测系统、受激布里渊散射信号采集系统、拉曼和激光诱导击穿光谱探测系统和拉曼和激光诱导击穿光谱采集系统；
受激布里渊散射探测系统由计算机、时序控制器、Nd:YAG固体激光器、能量计、第一分束镜、第二分束镜、偏振分光镜、二分之一波片、四分之一波片、第一全反镜、第一透镜和第二待测样品组成，其中，第一全反镜、第二全反镜、二分之一波片、偏振分光镜、四分之一波片、第一透镜和第二待测样品处于同一水平光轴；
受激布里渊散射信号采集系统由第二待测样品、第一透镜、第二透镜、第三透镜、第二全反镜、四分之一波片、偏振分光镜、针孔滤波器、F-P标准具、ICCD和计算机组成，其中，计算机连接ICCD，时序控制器连接Nd:YAG固体激光器和ICCD，第二全反镜、第二透镜、第三透镜、针孔滤波器、F-P标准具和ICCD处于同一水平光轴，且与第二待测样品、第一透镜、四分之一波片和偏振分光镜处于不同水平光轴；
拉曼/激光诱导击穿光谱探测系统由计算机、时序控制器、Nd:YAG固体激光器、能量计、第一分束镜、第二分束镜、变焦镜组、第一待测样品组成，其中，第一分束镜、第二分束镜、变焦镜组和第一待测样品处于同一水平光轴；
拉曼和激光诱导击穿光谱采集系统由计算机、采集镜组、光纤、光谱仪、探测器、第一待测样品组成，其中，采集镜组的出口通过光纤与光谱仪相连，探测器与光谱仪相连，光谱仪连接计算机。
本发明还提供了一种多光谱联用检测系统的检测方法，使用上述的多光谱联用检测系统实现，Nd:YAG固体激光器输出激光先经第一分束镜分成反射光和透射光，反射光照射能量计用于实时探测激光能量；后透射光再经第二分束镜将激光分为两束，反射光作布里渊散射激发光，透射光作拉曼光谱或激光诱导击穿光谱激发光，反射光先经第一全反镜反射后依次经二分之一波片、偏振分光镜及四分之一波片后变成圆偏振光，随后通过第一透镜聚焦到第二待测样品中并激发受激布里渊散射，散射信号由其相位共轭特性沿背向180°返回，再次经过第一透镜和四分之一波片后变成竖直偏振光，并被偏振分光镜及第二全反镜反射后依次通过第二透镜、针孔滤波器、第三透镜、F-P标准具，最后进入ICCD信号采集系统生成受激布里渊散射信号。透射光进入变焦系统，调整激光聚焦点到第一待测样品的位置，同时根据拉曼光谱和激光诱导击穿光谱的需要调节Nd:YAG固体激光器输出的激光能量，当调至高能量输出激光和聚焦时，高能量密度激光脉冲对第一待测样品进行激发产生等离子体，对等离子体光进行采集得到激光诱导击穿光谱，对其进行分析以获得样品中元素种类及含量；当切换低能量输出激光且非聚焦时，低能量密度激光与第一待测样品作用产生拉曼光谱，可获得第一待测样品的分子结构信息，使用采集光路获取拉曼或激光诱导击穿光谱信号，经光纤传输至光谱仪进行分光，分光后获得的光谱信息由探测器进行光电转换、积累和放大；计算机用于对接收的光谱数据进行处理，得到第一待测样品和/或第二待测样品的元素或分子成分含量。
本发明的有益效果：能够对不同样品的弹性模量、黏弹性等物理特性和化学成分的同时检测，利用激光能量调节结合变焦镜组实现对拉曼光谱和激光诱导击穿光谱自由切换，对第一待检样品中分子结构和元素信息分析，通过多光谱联合检测获得待测第一待检样品和第二待检样品的物理和化学成分信息，且计算机用于对接收的光谱数据进行处理，得到样品元素或分子成分含量，结合不同检测样品所对应的光谱数据，建立不同样品检测的指纹鉴别数据库，最终形成一种有效的多种样品快速检测方法和技术。
附图说明
图1是本发明的检测系统原理图；
在图1中，001-Nd:YAG固体激光器，002A-第一分束镜，002B-第二分束镜，003-变焦镜组，004A-第一待测样品，005-采集镜组，006-光纤，007-光谱仪，008-探测器，009A-第一全反镜，010-二分之一波片，011-偏振分光镜，012-四分之一波片，013A-第一透镜，004B-第二待测样品，009B-第二全反镜，013B-第二透镜，014-针孔过滤器，013C-第三透镜，015-F-P标准具，016-ICCD，017-时序控制器，018-能量计，019-计算机。
具体实施方式
在图1中，一种多光谱联用检测系统及其检测方法，受激布里渊散射探测系统中，计算机019连接ICCD 016，时序控制器017连接Nd:YAG固体激光器001和ICCD 016，第一全反镜009A、二分之一波片010、偏振分光镜011、四分之一波片012、透镜013A和待测样品004B处于同一水平光轴。计算机019启动时序控制器017控制Nd:YAG固体激光器001脉冲宽度为10ns，Nd:YAG固体激光器001输出532nm竖直偏振光，通过第一分束镜002A分为两束，能量计018接收反射光用于检测能量，透射光经第二分束镜002B后反射光经过第一全反镜009A反射后通过二分之一波片010变成532nm水平偏振光，并以布儒斯特角入射通过偏振分光镜011(偏振分光镜011表面镀膜，对水平偏振光高透)，再通过四分之一波片012，使水平偏振光变为圆偏振光。激光通过第一透镜013A聚焦射入第二待测样品004B。在受激布里渊散射信号采集系统中，第二全反镜009B、第二透镜013B、针孔滤波器014、第三透镜013C、F-P标准具015和ICCD 016处于同一水平光轴。第二待测样品004B、第一透镜013A、四分之一波片012和偏振分光镜011处于另一水平光轴。第二待测样品004B受激布里渊散射信号沿入射光背向180°方向通过第一透镜013A和四分之一波片012后，受激布里渊散射信号变成竖直偏振信号，通过偏振分光镜011和第二全反镜009B反射后穿过第二透镜013B，经过针孔滤波器014和F-P标准具015准直，ICCD 016采集受激布里渊散射信号并传输到计算机019。在拉曼/激光诱导击穿光谱探测系统中，计算机019连接光谱仪007，光谱仪007连接时序控制器017，第一分束镜002A、变焦镜组003和第一待测样品004A处于同一水平光轴。计算机019启动时序控制器017控制Nd:YAG固体激光器001脉冲宽度为10ns，Nd:YAG固体激光器001输出532nm激光，当进行拉曼光谱探测时，切换至低能量输出激光，通过第一分束镜002A分为两束，能量计018接收反射光用于检测能量，透射光经第二分束镜002B后，变焦镜组003调节透射光对第一待测样品004A表面为非聚焦状态，低能量密度激光作用与第一待测样品004A产生拉曼信号。当进行激光诱导击穿光谱探测时，切换高能量输出激光，通过第一分束镜002A分为两束，能量计018接收反射光用于检测能量，透射光经第二分束镜002B后，变焦镜组003调节透射光对第一待测样品004A表面为聚焦状态,高能量密度激光脉冲对第一待测样品004A进行激发产生等离子体。在拉曼/激光诱导击穿光谱采集系统中，采集镜组005的出口通过光纤006与光谱仪007相连，探测器008与光谱仪007相连。光谱仪007连接计算机019。拉曼信号和激光诱导击穿信号经采集镜组005采集后经光纤006传输至光谱仪007进行分光，分光后获得的光谱信息由探测器008进行光电转换、积累和放大；计算机019用于对接收的光谱数据进行处理分析。
动作过程及操作步骤：计算机019和时序控制器017控制Nd:YAG激光器001输出532nm单纵模竖直偏振光，先经第一分束镜002A，反射光被能量计018接收用于检测激光能量，透射光经第二分束镜002B后反射光经过第一全反镜009A反射后通过二分之一波片010变成532nm水平偏振光，并以布儒斯特角入射通过偏振分光镜011(表面镀膜，对水平偏振光高透)，再通过四分之一波片012，使水平偏振光变为圆偏振光。激光通过第一透镜013A聚焦射入第二待测样品004B并激发受激布里渊散射，散射信号由其相位共轭特性沿背向(180°)返回，再次经过第一透镜013A和四分之一波片012后变成竖直偏振光，并被偏振分光镜011及第二全反镜009B反射到由第二透镜013B、针孔滤波器014、第三透镜013C、F-P标准具015以及ICCD 016组成的受激布里渊散射信号采集系统。通过对光谱信号进行去噪和去展宽等信号处理技术后，可得到受激布里渊散射频移及线宽信息。
计算机019启动时序控制器017控制Nd:YAG固体激光器001脉冲宽度为10ns，Nd:YAG固体激光器001输出532nm激光，当进行拉曼光谱探测时，切换低能量输出激光，通过第一分束镜002A分为两束，能量计018接收反射光用于检测能量，透射光经第二分束镜002B后，透射光在经过变焦镜组003为非聚焦状态时，低能量密度激光作用于第一待测样品004A产生拉曼信号。拉曼信号经采集镜组005采集后经光纤006传输至光谱仪007进行分光，分光后获得的光谱信息由探测器008进行光电转换、积累和放大；计算机019用于对接收的光谱数据进行处理分析，可精确得到待测样品的分子结构组成及其含量信息。当进行激光诱导击穿光谱探测时，切换激光器输出高能量激光，通过第一分束镜002A分为两束，能量计018接收反射光用于检测能量，透射光经第二分束镜002B后，透射光在经过变焦镜组003为聚焦状态时,高能量密度激光脉冲对第一待测样品004A进行激发产生等离子体。等离子体光经采集镜组005采集后经光纤006传输至光谱仪007进行分光，分光后获得的光谱信息由探测器008进行光电转换、积累和放大；计算机019用于对接收的光谱数据进行处理分析，可得到待测样品的元素组成及含量信息。
Claims (2)
1.一种多光谱联用检测系统，包括受激布里渊散射测量支路和拉曼/激光诱导击穿测量支路，其特征在于：
包括受激布里渊散射探测系统、受激布里渊散射信号采集系统、拉曼和激光诱导击穿光谱探测系统和拉曼和激光诱导击穿光谱采集系统；
受激布里渊散射探测系统由计算机、时序控制器、Nd:YAG固体激光器、能量计、第一分束镜、第二分束镜、偏振分光镜、二分之一波片、四分之一波片、第一全反镜、第一透镜和第二待测样品组成，其中，第一全反镜、第二全反镜、二分之一波片、偏振分光镜、四分之一波片、第一透镜和第二待测样品处于同一水平光轴；
受激布里渊散射信号采集系统由第二待测样品、第一透镜、第二透镜、第三透镜、第二全反镜、四分之一波片、偏振分光镜、针孔滤波器、F-P标准具、ICCD和计算机组成，其中，计算机连接ICCD，时序控制器连接Nd:YAG固体激光器和ICCD，第二全反镜、第二透镜、第三透镜、针孔滤波器、F-P标准具和ICCD处于同一水平光轴，且与第二待测样品、第一透镜、四分之一波片和偏振分光镜处于不同水平光轴；
拉曼/激光诱导击穿光谱探测系统由计算机、时序控制器、Nd:YAG固体激光器、能量计、第一分束镜、第二分束镜、变焦镜组、第一待测样品组成，其中，第一分束镜、第二分束镜、变焦镜组和第一待测样品处于同一水平光轴；
拉曼和激光诱导击穿光谱采集系统由计算机、采集镜组、光纤、光谱仪、探测器、第一待测样品组成，其中，采集镜组的出口通过光纤与光谱仪相连，探测器与光谱仪相连，光谱仪连接计算机。
2.一种多光谱联用检测系统的检测方法，其特征在于：使用权利要求1所述的多光谱联用检测系统实现，Nd:YAG固体激光器输出激光先经第一分束镜分成反射光和透射光，反射光照射能量计用于实时探测激光能量；后透射光再经第二分束镜将激光分为两束，反射光作布里渊散射激发光，透射光作拉曼光谱或激光诱导击穿光谱激发光，反射光先经第一全反镜反射后依次经二分之一波片、偏振分光镜及四分之一波片后变成圆偏振光，随后通过第一透镜聚焦到第二待测样品中并激发受激布里渊散射，散射信号由其相位共轭特性沿背向180°返回，再次经过第一透镜和四分之一波片后变成竖直偏振光，并被偏振分光镜及第二全反镜反射后依次通过第二透镜、针孔滤波器、第三透镜、F-P标准具，最后进入ICCD信号采集系统生成受激布里渊散射信号，透射光进入变焦系统，调整激光聚焦点到第一待测样品的位置，同时根据拉曼光谱和激光诱导击穿光谱的需要调节Nd:YAG固体激光器输出的激光能量，当调至高能量输出激光和聚焦时，高能量密度激光脉冲对第一待测样品进行激发产生等离子体，对等离子体光进行采集得到激光诱导击穿光谱，对其进行分析以获得样品中元素种类及含量；当切换低能量输出激光且非聚焦时，低能量密度激光与第一待测样品作用产生拉曼光谱，可获得第一待测样品的分子结构信息，使用采集光路获取拉曼或激光诱导击穿光谱信号，经光纤传输至光谱仪进行分光，分光后获得的光谱信息由探测器进行光电转换、积累和放大；计算机用于对接收的光谱数据进行处理，得到第一待测样品和/或第二待测样品的元素或分子成分含量。
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