CN112730255B - 一种激光诱导击穿光谱检测系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种激光诱导击穿光谱检测系统，包括载物台、脉冲激光器、光谱仪、激光聚焦模块以及汇聚模块；载物台包括设于汇聚模块前侧的样品激发块，样品激发块设有用于与样品贴合的样品放置端面和与激光聚焦模块连接的第一接口，样品激发块的内部设有进光通道、信号光采集通道以及与进光通道连通的吹气通道，进光通道从第一连接部延伸至样品放置端面，信号光采集通道的第一端与进光通道连通，第二端延伸至样品激发块的端面且与汇聚模块的入射孔相对。本申请提供的激光诱导击穿光谱检测系统能够减小信号光传输过程中紫外信号的损耗、降低激光诱导击穿光谱检测系统的搭建难度，从而提高系统深紫外信号的采集强度以及检测的稳定性。

Description

一种激光诱导击穿光谱检测系统

技术领域

本申请涉及激光诱导击穿光谱检测技术领域，更具体地说，涉及一种激光诱导击穿光谱检测系统。

背景技术

钢铁材料冶炼是一个高温快节奏的过程，快节奏的生产能充分利用上炉的热量，减少辅料消耗，提高生产率，降低能耗和成本。目前根据炼钢工艺的过程，各钢厂在炼钢过程中需要等待钢样的分析结果，然后决定是否出钢。现在使用的钢样成分分析设备主要有火花直读光谱仪、ICP光谱仪、X荧光光谱仪等，它们完成一次钢样检测的时间需要3-5分钟，且不能用于钢样的在线分析。

激光诱导击穿光谱检测通过将脉冲激光聚焦在样品表面，利用激光聚焦的高能量激发出等离子体，元素被激发形成的等离子体发出特征谱线，通过采集和分析等离子体发出的谱线对物质成分进行定性和定量检测。激光诱导击穿光谱检测用于炼钢过程控制中的成分分析，可以分析等样的时间缩短至30秒，分析时间大为缩短，可以有效提高钢铁产能，并且激光诱导击穿光谱检测也是唯一可以用于在线钢水成分分析的技术。

现阶段激光诱导击穿光谱检测处于理论研究和初步产业化阶段，已有用于土壤、金属材料等的激光诱导击穿光谱成分分析设备。对于钢铁冶炼，C、P、S等非金属元素的含量控制对于钢材性能有重要影响，也是炼钢过程控制主要检测的元素，目前激光诱导击穿光谱检测成品设备主要以金属元素为主，用来分析的特征谱线主要在200nm以上。要对C、P、S等非金属元素进行分析，使用干扰少、激发稳定且灵敏的特征谱线是十分重要，而这些特征谱线主要位于200nm以下的深紫外波段。激光诱导击穿光谱检测钢铁成分时，实现对200nm以下非金属元素特征谱线的高效激发和采集，是激光诱导击穿光谱检测技术能有效应用于炼钢过程中钢铁样品检测的关键。

众所周知，深紫外信号在大气和一般介质中传输时极易被吸收，如何在激光诱导击穿光谱检测系统中提高深紫外信号的采集质量，得到灵敏、稳定、较高强度的特征谱线信号，是技术人员亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本申请的目的是提供一种激光诱导击穿光谱检测系统，目的在于减小信号光传输过程中紫外信号的损耗、降低激光诱导击穿光谱检测系统的搭建难度，提高系统深紫外信号的采集强度以及检测的稳定性。

为了实现上述目的，本申请提供如下技术方案：

一种激光诱导击穿光谱检测系统，包括载物台、脉冲激光器、光谱仪、将所述脉冲激光器的出射光束聚焦的激光聚焦模块以及将等离子体的特征谱线汇聚的汇聚模块；所述载物台包括设于所述汇聚模块前侧的样品激发块，所述样品激发块设有用于与样品贴合的样品放置端面、与激光聚焦模块连接的第一接口，所述样品激发块的内部设有进光通道、信号光采集通道以及与所述进光通道连通的吹气通道，所述进光通道从所述第一连接部延伸至所述样品放置端面，所述信号光采集通道的第一端与所述进光通道连通，第二端延伸至所述样品激发块的端面且与所述汇聚模块的入射孔相对。

可选的，所述载物台还包括信号采集块，所述信号采集块的前端与所述样品激发块固定连接，所述信号采集块的中部设有容纳所述汇聚模块的安装缺口，所述信号采集块的后端设有与所述光谱仪连接的第二接口。

可选的，所述样品激发块和所述信号采集块为一体式结构件。

可选的，所述第二接口与所述光谱仪插接配合；和/或，所述第一接口与所述激光聚焦模块螺纹连接。

可选的，还包括套管和环状连接片，所述套管一端与所述环状连接片固定连接，另一端与所述激光聚焦模块固定连接，所述环状连接片通过至少三个螺钉与所述脉冲激光器固定连接，所述套管的中心轴与所述脉冲激光器的出射光束中心线重合。

可选的，所述汇聚模块包括汇聚壳体和汇聚透镜，所述汇聚壳体设有两个汇聚壳体进气孔，所述汇聚透镜设于所述汇聚壳体的内部，且所述汇聚透镜设于两个所述汇聚壳体进气孔之间。

可选的，所述汇聚透镜有一个，所述汇聚透镜的中心至样品激发点和所述光谱仪的入射孔的距离均为49mm。

可选的，所述进光通道包括柱形腔、锥形腔和从所述样品放置端面凹陷形成半球腔；所述柱形腔的轴线与所述锥形腔的轴线重合、且轴线穿过所述半球腔的球心，所述柱形腔一端延伸至所述第一连接部，另一端与所述锥形腔的锥底连通，所述锥形腔的锥顶与所述半球腔的拱顶连通。

可选的，所述信号光采集通道呈柱状结构，所述信号光采集通道的轴线穿过所述半球腔的球心，所述信号光采集通道的轴线与所述样品放置端面之间的夹角范围为15°至70°。

可选的，所述吹气通道包括进气孔和排气孔，所述进气孔从所述样品激发块的前端面延伸至所述柱形腔或锥形腔，所述排气孔呈柱状结构，所述排气孔从所述样品激发块的前端面延伸至所述半球腔。

通过上述方案，本申请提供的激光诱导击穿光谱检测系统的有益效果在于：

本申请提供的激光诱导击穿光谱检测系统包括载物台、脉冲激光器、光谱仪、激光聚焦模块以及汇聚模块；载物台包括设于汇聚模块前侧的样品激发块，样品激发块设有用于与样品贴合的样品放置端面和与激光聚焦模块连接的第一接口，样品激发块的内部设有进光通道、信号光采集通道以及与进光通道连通的吹气通道，进光通道从第一连接部延伸至样品放置端面，信号光采集通道的第一端与进光通道连通，第二端延伸至样品激发块的端面且与汇聚模块的入射孔相对。

在工作过程中，脉冲激光器的出射光束经过激光聚焦模块进行聚焦后进入载物台的进光通道，并且聚焦在于样品放置端面贴合的样品上，激光聚焦的高能量会在样品上激发出等离子体，元素被激发形成的等离子体发出特征谱线，等离子体的特征谱线通过载物台的信号光采集通道后被汇聚模块汇聚，并最终进入光谱仪进行定性和定量检测。同时在检测过程中，保护气体通过吹气通道在进光通道和信号光采集通道内部流通，保护气体能够带走空气和其他杂质，并且保护气体不吸收光信号，提供深紫外透明环境，减小传输过程中紫外信号的损耗，提高激光诱导击穿光谱检测系统中信号尤其是深紫外信号强度和检测稳定性，实现提高激光诱导击穿光谱检测系统中深紫外信号质量的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种激光诱导击穿光谱检测系统的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的一种载物台的结构示意图；

图3为采用本申请实施例和相同条件下采用现有方案所获得的深紫外信号强度对比图；

图4为分别采用本申请实施例和相同条件下采用现有方案所获得的深紫外信号的多次重复实验时S特征谱线强度特征描述和波动对比；

图5为采用本申请实施例获得的P光谱强度-元素含量曲线图。

图中的附图标记为：

光谱仪1；脉冲激光器2；激光聚焦模块3；汇聚模块4、汇聚壳体41、汇聚壳体进气孔42；载物台5、样品激发块51、样品放置端面511、进光通道512、柱形腔5121、锥形腔5122、半球腔5123、信号光采集通道513、吹气通道514、进气孔5141、排气孔5142、信号采集块52、安装缺口521、第二接口522；环状连接片6；套管7。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

请参考图1和图2，本申请提供的激光诱导击穿光谱检测系统可以包括：光谱仪1、脉冲激光器2、激光聚焦模块3、汇聚模块4以及载物台5；

光谱仪1用于进行成分的检测和分析。光谱仪1的结构和工作原理可以参考现有技术。

脉冲激光器2用于发射激光光束。脉冲激光器2的结构和工作原理可以参考现有技术。

激光聚焦模块3主要包括聚焦透镜，其安装在脉冲激光器2的光束出射口和载物台5的第一接口之间，用于在脉冲激光器2的出射光束进入载物台5之前，对出射光束进行聚焦。

汇聚模块4主要包括汇聚透镜，其安装在载物台5的信号光采集通道513的出口和光谱仪1的入射孔之间，用于将载物台5中的等离子体的特征谱线汇聚。

载物台5包括样品激发块51。样品激发块51位于汇聚模块4的前侧，样品激发块51设有样品放置端面511和第一接口；其中，样品放置端面511为平面，用于贴合样品；第一接口与激光聚焦模块3连接，连接方式可以为螺纹连接或者卡接或者插接等。

样品激发块51的内部设有进光通道512、信号光采集通道513以及吹气通道514，三者连通。其中，进光通道512为直线型通道，其从第一连接部延伸至样品放置端面511，使得聚焦后的光束聚焦在样品表面。信号光采集通道513的第一端与进光通道512连通，第二端延伸至样品激发块51的端面，且第二端与汇聚模块4的入射孔相对，使得等离子体的特征谱线进入汇聚模块4。吹气通道514与气源连接，使得进光通道512和信号光采集通道513充满保护气体，保护气体不吸收光信号，其可以具体采用氩气。样品激发块51的内部通道集光束有效传输和气体流动吹扫的作用于一体。

进一步的，在一种实施例中，载物台5还包括信号采集块52，信号采集块52的前端与样品激发块51固定连接，信号采集块52的中部设有安装缺口521，信号采集块52的后端设有第二接口522，第二接口522与信号光采集通道513共轴。在实际装配时，汇聚模块4放置在安装缺口521中，并且汇聚模块4与安装缺口521相贴合，二者通过尺寸匹配进行卡接，安装缺口521的尺寸可以具体为35mm*40mm*40mm；汇聚模块4中的汇聚透镜的镜面与信号光采集通道513的中心轴线垂直，且两者共轴。可选的，汇聚模块4的两侧可以嵌入密封胶圈，实现紧固、缓冲与密封。第二接口522与光谱仪1连接，连接方式可以为插接配合。

在实际应用中，载物台5和汇聚模块4上的各个接口，除进光通道512在样品放置端面511的区域和吹气通道514的排气孔5142外，均为密封设计，保证载物台5的内部通道与外部没有不可控的气体交换，且保证载物台5的内部通道可以充满保护气体并有效通过气流带走空气和其他杂质。

进一步的，在一种实施例中，载物台5一体成形，即样品激发块51和信号采集块52为一体式结构件。具体的，采用一体式的载物台5，载物台5本身不需要进行组装，操作更加便捷，降低系统搭建难度。

进一步的，在一种实施例中，激光诱导击穿光谱检测系统还包括套管7和环状连接片6。其中，套管7第一端与激光聚焦模块3的光束入射端固定连接；套管7第二端与环状连接片6固定连接，连接方式可以为螺纹连接。环状连接片6上开设多个通孔，如具体开设四个通孔，每一通孔中安装一个螺钉，来与脉冲激光器2的出光口固定连接，通过光斑对中检测和调节后，确定了各个通孔的高度与位置并通过螺钉固定，保证套管7的中心轴与脉冲激光器2的出射光束中心线重合。在实际装配时，聚焦透镜通过匹配螺纹安装在激光聚焦模块3的壳体内，激光聚焦模块3的光束入射端与中心轴线调节好了的套管7连接固定，聚焦透镜与套管7共轴，聚焦透镜直接对激光出射光束进行聚焦。激光聚焦模块3光束出射端有与载物台5的第一接口匹配的螺纹，激光聚焦模块3光束出射端面为开孔设计，开孔直径可以为10mm，使出射聚焦光束无遮挡地进入载物台5的进光通道512。

进一步的，在一种实施例中，汇聚模块4包括汇聚壳体41和汇聚透镜，汇聚壳体41设有两个汇聚壳体进气孔42，汇聚透镜设于汇聚壳体41的内部，且汇聚透镜设于两个汇聚壳体进气孔42之间。具体的，汇聚壳体41内部的空间被汇聚透镜分割为前后两个独立腔体，两个汇聚壳体进气孔42与两个腔体一一对应，汇聚壳体进气孔42是保护气体的进气端，在装配完成后，一个汇聚壳体进气孔42与载物台5的信号光采集通道513相通，另一个汇聚壳体进气孔42与光谱仪1的的入射孔相通。汇聚壳体进气孔42可以与吹气通道514配合，增加载物台5内部通道的气流量。

进一步的，在一种实施例中，汇聚透镜有一个，汇聚透镜的中心至样品激发点和光谱仪1的入射孔的距离均为49mm。该种结构可以简化汇聚模块4的结构，缩短信号光光程。

进一步的，在一种实施例中，进光通道512采用三分段腔体结构，三分段腔体具体为柱形腔5121、锥形腔5122和半球腔5123。进光通道512整体长度依照激光聚焦距离设计，各分段腔体长度灵活设计。其中，半球腔5123由样品放置端面511向内部凹陷形成；柱形腔5121的轴线与锥形腔5122的轴线重合，且二者的轴线穿过半球腔5123的球心，半球腔5123的球心为样品激发点，柱形腔5121一端延伸至第一连接部，另一端与锥形腔5122的锥底连通，锥形腔5122的锥顶与半球腔5123的拱顶连通。采用该种结构，在进光通道512满足长度尺寸的基础上，可以让气流更加流畅，进光通道512内部无死角。

进一步的，在一种实施例中，信号光采集通道513呈柱状结构，信号光采集通道513的轴线穿过半球腔5123的球心，信号光采集通道513的轴线与样品放置端面511成一定角度，夹角范围为15°至70°，优选为30°。该种结构有利于等离子体的特征谱线进入汇聚模块4中。信号光采集通道513的直径可以为6mm。

进一步的，在一种实施例中，吹气通道514包括进气孔5141和排气孔5142，进气孔5141从样品激发块51的前端面延伸至柱形腔5121或锥形腔5122，排气孔5142呈柱状结构，排气孔5142从样品激发块51的前端面延伸至半球腔5123。具体的，进气孔5141可以采用气动接口结构，是保护气体进气端，在实际连接时，可以具体与1/8管接头配合连接。排气孔5142的直径可以为1mm，排气孔5142的轴线可以与样品放置端面511平行。

下面用实验来证明激光诱导击穿光谱检测系统的效果：

实验中，使用14个标准钢样作为检测样品，使用高纯度氩气作为保护气体。使用波长为1064nm的Nd：YAG调Q脉冲激光器和范围在175至304nm的紫外光谱仪。脉冲激光器的最大单脉冲能量为200mJ，脉冲持续时间为10ns，连续可调的频率为1至15Hz。本实验中，单脉冲能量设置为70mJ。将样品固定在一体式的载物台5的样品放置端面511，并且在每次测量后移动样品以确保样品表面激发的位置不重合。光谱仪1的入射孔直接与载物台5的第二接口522对接。本实验中，为了获得更好的信噪比，通过在样品表面不同位置上累积5次的激发信号来获得每次检测的深紫外信号。

图3至图5为上述实验检测结果图。图3中纵坐标表示深紫外信号强度，实线表示本申请方案，虚线表示现有方案；由图3和图4可以看出，深紫外信号与原系统实验结果相比信号均值增强1倍以上，多次重复实验中信号波动减小、稳定性得到提高。由图5可以看出，元素含量与谱线强度的相关性很好。

由上述实施方式可以见，本申请提供的激光诱导击穿光谱检测系统的有益效果在于：该激光诱导击穿光谱检测系统在集成系统硬件的基础上，保证光路指向性、对中性和信号光的高效采集，以简单、紧凑、有利于系统集成的稳定结构设计，缩短信号光光程，提供深紫外透明环境，减小传输过程中紫外线损耗、降低激光诱导击穿光谱检测系统的搭建难度。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各实施例之间相同相似部分互相参见即可。

以上对本申请所提供的激光诱导击穿光谱检测系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种激光诱导击穿光谱检测系统，其特征在于，包括载物台（5）、脉冲激光器（2）、光谱仪（1）、将所述脉冲激光器（2）的出射光束聚焦的激光聚焦模块（3）以及将等离子体的特征谱线汇聚的汇聚模块（4）；所述载物台（5）包括设于所述汇聚模块（4）前侧的样品激发块（51），所述样品激发块（51）设有用于与样品贴合的样品放置端面（511）、与激光聚焦模块（3）连接的第一接口，所述样品激发块（51）的内部设有进光通道（512）、信号光采集通道（513）以及与所述进光通道（512）连通的吹气通道（514），所述进光通道（512）从所述第一接口延伸至所述样品放置端面（511），所述信号光采集通道（513）的第一端与所述进光通道（512）连通，第二端延伸至所述样品激发块（51）的端面且与所述汇聚模块（4）的入射孔相对。

2.根据权利要求1所述的激光诱导击穿光谱检测系统，其特征在于，所述载物台（5）还包括信号采集块（52），所述信号采集块（52）的前端与所述样品激发块（51）固定连接，所述信号采集块（52）的中部设有容纳所述汇聚模块（4）的安装缺口（521），所述信号采集块（52）的后端设有与所述光谱仪（1）连接的第二接口（522）。

3.根据权利要求2所述的激光诱导击穿光谱检测系统，其特征在于，所述样品激发块（51）和所述信号采集块（52）为一体式结构件。

4.根据权利要求2所述的激光诱导击穿光谱检测系统，其特征在于，所述第二接口（522）与所述光谱仪（1）插接配合；和/或，所述第一接口与所述激光聚焦模块（3）螺纹连接。

5.根据权利要求1所述的激光诱导击穿光谱检测系统，其特征在于，还包括套管（7）和环状连接片（6），所述套管（7）一端与所述环状连接片（6）固定连接，另一端与所述激光聚焦模块（3）固定连接，所述环状连接片（6）通过至少三个螺钉与所述脉冲激光器（2）固定连接，所述套管（7）的中心轴与所述脉冲激光器（2）的出射光束中心线重合。

6.根据权利要求1所述的激光诱导击穿光谱检测系统，其特征在于，所述汇聚模块（4）包括汇聚壳体（41）和汇聚透镜，所述汇聚壳体（41）设有两个汇聚壳体进气孔（42），所述汇聚透镜设于所述汇聚壳体（41）的内部，且所述汇聚透镜设于两个所述汇聚壳体进气孔（42）之间。

7.根据权利要求6所述的激光诱导击穿光谱检测系统，其特征在于，所述汇聚透镜有一个，所述汇聚透镜的中心至样品激发点和所述光谱仪（1）的入射孔的距离均为49mm。

8.根据权利要求1至7任意一项所述的激光诱导击穿光谱检测系统，其特征在于，所述进光通道（512）包括柱形腔（5121）、锥形腔（5122）和从所述样品放置端面（511）凹陷形成半球腔（5123）；所述柱形腔（5121）的轴线与所述锥形腔（5122）的轴线重合、且轴线穿过所述半球腔（5123）的球心，所述柱形腔（5121）一端延伸至所述第一接口，另一端与所述锥形腔（5122）的锥底连通，所述锥形腔（5122）的锥顶与所述半球腔（5123）的拱顶连通。

9.根据权利要求8所述的激光诱导击穿光谱检测系统，其特征在于，所述信号光采集通道（513）呈柱状结构，所述信号光采集通道（513）的轴线穿过所述半球腔（5123）的球心，所述信号光采集通道（513）的轴线与所述样品放置端面（511）之间的夹角范围为15°至70°。

10.根据权利要求8所述的激光诱导击穿光谱检测系统，其特征在于，所述吹气通道（514）包括进气孔（5141）和排气孔（5142），所述进气孔（5141）从所述样品激发块（51）的前端面延伸至所述柱形腔（5121）或锥形腔（5122），所述排气孔（5142）呈柱状结构，所述排气孔（5142）从所述样品激发块（51）的前端面延伸至所述半球腔（5123）。