CN113109273A - 高性能便携式libs分析系统 - Google Patents

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付洪波
张志荣
张梦阳
王华东
吴边
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Abstract

本发明公开了一种高性能便携式LIBS分析系统，包括外壳、设置在外壳内的高能激光器、光谱仪、光机器件、电池组、微型计算机、设置在外壳外部的探头、外部供电接口，高能激光器、光谱仪均与微型计算机连接；所述光机器件包括光束整形单元、激光反射镜、二向色镜、汇聚透镜、光纤耦合器；所述探头包括非球面透镜、喷嘴，喷嘴中部开有柱形空间束缚腔；所述电池组和/或外部供电接口为整个装置供电。本发明采用高能脉冲激光器作为激发源，既可以激发金属(合金)样品，又可以激发非金属(岩石、土壤等)样品产生等离子体；通过采用高能脉冲激光和光束整形单元，同时优化了同轴光路和探头设计，有效提高了LIBS光谱的信号稳定性和分析能力。

Description

高性能便携式LIBS分析系统
技术领域
本发明涉及光学仪器技术和光谱检测技术领域，特别是涉及一种高性能便携式LIBS分析系统。
背景技术
激光诱导击穿光谱(Laser-Induced Breakdown Spectroscopy,简称LIBS)是通过汇聚脉冲激光到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，以确定样品的元素组成及含量的分析技术。LIBS采用脉冲激光作为激发源，使其与传统的分析方法相比具有许多优势，因此LIBS技术已广泛应用于环境污染检测、空间探索、材料分析和文物鉴定等诸多领域。同时，LIBS非常适用于工业现场生产过程中对各种物态样本的原位、在线检测。然而，由于激光-靶材和激光-等离子体相互作用的复杂性，光谱采集时等离子体的时间瞬态和空间梯度不均匀性，等离子体易受到样品表面的物理和化学性质及其所处环境的影响等，致使LIBS信号重复性差，从而导致定性定量分析准确度低，严重制约了LIBS技术的商业化和工业应用。
目前，基于LIBS技术的台式仪器虽然性能优越，但存在体积大，不易搬运，需要外部供电等缺点，不能有效发挥LIBS技术原位在线分析能力。现有的便携式LIBS分析仪，由于内部空间限制，只能采用低能激光作为激发光源(几十到几百微焦)和简单光路，只适用于金属样品分析，分析性能不足。
因此亟需提供一种新型的高性能便携式LIBS分析系统来解决上述问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能够稳定采集金属和非金属激光诱导等离子体发射光谱的高性能便携式LIBS分析系统，能够满足用户室外原位在线分析样品名称的定性识别和元素种类含量的定量分析需求。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种高性能便携式LIBS分析系统，包括外壳、设置在外壳内的高能激光器、光谱仪、光机器件、电池组、微型计算机、设置在外壳外部的探头、外部供电接口，高能激光器、光谱仪均与微型计算机连接；所述光机器件包括光束整形单元、激光反射镜、二向色镜、汇聚透镜、光纤耦合器；所述探头包括非球面透镜、喷嘴，喷嘴中部开有柱形空间束缚腔；所述电池组和/或外部供电接口为整个装置供电；
所述高能激光器的激光头发出的光依次经过光束整形单元、激光反射镜、二向色镜转换或反射后，通过非球面透镜汇聚到待分析样品表面产生等离子体，柱形空间束缚腔束缚等离子体发出的光经过同轴汇聚透镜汇聚到光纤耦合器端面，并经光纤传输到光谱仪，光谱仪采集光谱数据经过数据电缆传送到微型计算机进行光谱数据处理。
在本发明一个较佳实施例中，所述外部供电接口通过设置在外壳内的降压稳流器与电池组连接，所述外部供电接口连接220V/50HZ市电，并经过降压整流后可以为整个系统供电和电池组充电。
在本发明一个较佳实施例中，所述高能激光器包括激光头、与激光头连接的激光电源，所述高能激光器采用单脉冲激光器，单脉冲能量大于1mJ。
在本发明一个较佳实施例中，所述光束整形单元包括基于衍射光学元件的平顶光束整形器、扩束镜，平顶光束整形器用于将原始高斯能量分布激光束转化为平顶能量分布光束，扩束镜用于将平顶能量分布光束进行扩束。
在本发明一个较佳实施例中，所述激光反射镜与激光入射方向成45度放置，对激光束反射效率大于99.5％。
在本发明一个较佳实施例中，所述二向色镜与激光入射方向成45度放置，对激光束反射效率大于99.5％，同时允许等离子体发出的180nm—850nm光透射。
在本发明一个较佳实施例中，所述探头与外壳螺纹连接，探头长度依据非球面透镜的焦距而定，探头前端设有喷嘴，喷嘴中部开有柱形空间束缚腔。
在本发明一个较佳实施例中，所述光谱仪为单通道设置或多通道并排放置，对应光纤的数量为单根或多根。
进一步的，该系统还包括设置在外壳外表面的触控显示屏，用于显示所述微型计算机输出的数据分析结果。
进一步的，该系统还包括设置在外壳外的数据传输接口、设置在外壳内的散热风扇，数据传输接口与微型计算机连接，散热风扇与电池组连接。
本发明的有益效果是：
(1)适用范围广
相比于其它便携式LIBS设备，本系统采用高能脉冲激光器作为激发源，既可以激发金属(合金)样品，又可以激发非金属(岩石、土壤等)样品产生等离子体；
(2)光谱信号稳定性高
相较于直接激发和侧向收集光路，本系统基于光束整形单元、激发和采集的同轴光路设计、探头前端的圆柱形空间束缚腔，有效提高了等离子体发射光谱信号的稳定性和分析能力；
(3)便携性
整套装置集成到一个便携式手提箱内，采用电池供电，满足用户室外原位在线分析样品名称的定性识别和元素种类含量的定量分析需求。
附图说明
图1是本发明所述高性能便携式LIBS分析系统一较佳实施例的外部结构示意图；
图2是所述高性能便携式LIBS分析系统的内部结构示意图；
图3是所述探头的结构示意图。
附图中各部件的标记如下：1-外部供电接口，2-降压稳流器，3-电池组，4-激光器电源，5-激光头，6-光束整形单元，7-激光反射镜，8-二向色镜，9-非球面透镜，10-探头，11-待分析样品，12-等离子体，13-汇聚透镜，14-光纤耦合器，15-光纤，16-光谱仪，17-微型计算机，18-散热风扇，19-数据传输接口，20-外壳，21-触控显示屏，22-开关，23-螺纹锁固装置，24-汇聚调节螺纹柱，25-喷嘴，26-柱形空间束缚腔，27-壳体，28-内螺纹。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
请参阅图1和图2，本发明实施例包括：
一种高性能便携式LIBS分析系统，包括外壳20、设置在外壳20内的高能激光器、光谱仪16、光机器件、电池组3、微型计算机17、设置在外壳20外部的探头10、外部供电接口1，高能激光器、光谱仪16均与微型计算机17连接；所述光机器件包括光束整形单元6、激光反射镜7、二向色镜8、汇聚透镜13、光纤耦合器14；所述探头10包括非球面透镜9、喷嘴25，喷嘴25中部开有柱形空间束缚腔26；所述电池组3和/或外部供电接口1为整个装置供电；该系统还包括设置在外壳20外表面的触控显示屏21、设置在外壳20外的数据传输接口19、设置在外壳20内的散热风扇18，数据传输接口19与微型计算机17连接，散热风扇18与电池组3连接。本示例中，外壳20内设置有两个散热风扇18，分别位于外壳20内的顶部和底部，优选的，所述散热风扇18采用直流24V轴流风扇。
优选的，整套装置集成到一个便携式手提箱内，采用电池供电，满足用户室外原位在线分析样品名称的定性识别和元素种类含量的定量分析需求。
所述外部供电接口1通过设置在外壳20内的降压稳流器2与电池组3连接，所述外部供电接口1连接220V/50HZ市电，并经过降压整流后可以为整个系统供电和电池组充电。所述电池组3可以脱离外部供电单独为装置供电。当装置有外部供电或电池对整个装置供电后，开关22表面指示灯点亮；按动开关22，设备开机，并对高能激光器、微型计算机17和触控显示屏21等供电；通过触控显示屏21可以设定激光器频率、光谱仪采集延迟和积分时间等相关参数后，当点击触控显示屏21操控软件中的开始采集分析按钮或相关命令，微型计算机17对高能激光器和光谱仪16发送控制命令，激光头按照设定好的参数出光；激光束依次经过光束整形单元6、激光反射镜7、二向色镜8转换或反射后，通过非球面透镜9汇聚到待分析样品11表面产生等离子体12，柱形空间束缚腔26束缚等离子体12发出的光经过同轴汇聚透镜13汇聚到光纤耦合器14端面，并经光纤15传输到光谱仪16，光谱仪16采集光谱数据经过数据电缆传送到微型计算机17进行光谱数据处理，并将分析结果呈现到触摸显示屏21。
本实施例中的微型计算机17包括微处理器、存储器和输入输出端口等，其连接高能激光器和光谱仪16，并实现高能激光器和光谱仪16的逻辑控制、光谱数和运行参数获取、数据分析处理，其存储可包含参考材料数据、校准数据、样本材料数据、性能度量等的数据，并将数据分析结果呈现到箱体上的触控显示屏21上。
本实施例采用的高能激光器为小型化型高能二极管泵浦全固态调Q激光器，其中心波长1064±1nm、输出能量6mJ、频率1-10HZ、脉宽<5ns、光斑模式TEM00、出光口光斑1mm、发散角3mrad、工作方式为脉冲式；
本实施例所述光束整形单元6包括基于衍射光学元件的平顶光束整形器、扩束镜，其中基于衍射光学元件的平顶光束整形器将原始高斯能量分布激光束转化为平顶能量分布光束，扩束镜为适用于波长1064nm的20倍扩束镜。
本实施例中的激光反射镜7与激光入射方向成45度放置，对1064nm光束反射效率大于99.5％。
本实施例中的二向色镜8为紫外熔融石英基底，与激光束接触面镀1064nm反射膜；所述二向色镜与激光入射方向成45度放置，对激光束反射效率大于99.5％，同时允许等离子体发出的180nm—850nm光透射。
本实施例中的非球面透镜9为最佳形态非球面透镜，25mm直径×50mm焦距，镀1064nm V型增透膜。
结合图3，本实施例中的探头10，包括圆柱形壳体27，壳体27内设有内螺纹28，壳体27的一端设有螺纹紧固装置23，另一端与仪器螺纹连接，该端内部装有所述非球面透镜9。所述探头10还包括汇聚调节螺纹柱24，汇聚调节螺纹柱24与螺纹紧固装置23螺纹连接。在汇聚调节螺纹柱24的前端设有圆锥形的喷嘴25，喷嘴25中部开有柱形空间束缚腔26，紧贴待分析样品11表面。探头10的长度依据非球面透镜9的焦距而定，通过汇聚调节螺纹柱24和螺纹紧固装置23螺纹配合实现调节。进一步的，所述柱形空间束缚腔26的内径与深度根据不同待测样品及高能激光器的参数设置而定，本实施例中，柱形空间束缚腔26的深度为2—3mm。相比于现有结构中的开放式汇聚透镜，所述探头10的设计具有定焦及提高等离子体发射光谱信号的稳定性的作用。
所述光谱仪26，可以是单通道，也可以多通道并排放置，使用微型光纤光谱仪，其采用2048像素14x200μmCMOS探测器阵列、MN01200-0.25光栅(1200线/mm)、狭缝Slit-10、波长范围250-500nm、DCL-UV/VIS-200灵敏度增强透镜。预留空间可根据样品特性和测量需求增加光谱通道。
对应的，所述光纤15，可以是单根也可以是一分多，两端均采用SMA905接口。
本实施例中的光机器件选用光学调整架进行固定和调节。
相比于其它便携式LIBS设备，本系统采用高能脉冲激光器作为激发源，既可以激发金属(合金)样品，又可以激发非金属(岩石、土壤等)样品产生等离子体；同时相较于直接激发和侧向收集光路，本系统通过采用高能脉冲激光和光束整形单元，同时优化了同轴光路和探头设计，有效提高了LIBS光谱的信号稳定性和分析能力。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种高性能便携式LIBS分析系统，包括外壳，其特征在于，还包括设置在外壳内的高能激光器、光谱仪、光机器件、电池组、微型计算机、设置在外壳外部的探头、外部供电接口，高能激光器、光谱仪均与微型计算机连接；所述光机器件包括光束整形单元、激光反射镜、二向色镜、汇聚透镜、光纤耦合器；所述探头包括非球面透镜；所述电池组和/或外部供电接口为整个装置供电；
所述高能激光器的激光头发出的光依次经过光束整形单元、激光反射镜、二向色镜转换或反射后，通过非球面透镜汇聚到待分析样品表面产生等离子体，柱形空间束缚腔束缚等离子体发出的光经过同轴汇聚透镜汇聚到光纤耦合器端面，并经光纤传输到光谱仪，光谱仪采集光谱数据经过数据电缆传送到微型计算机进行光谱数据处理。
2.根据权利要求1所述的高性能便携式LIBS分析系统，其特征在于，所述外部供电接口通过设置在外壳内的降压稳流器与电池组连接。
3.根据权利要求1所述的高性能便携式LIBS分析系统，其特征在于，所述高能激光器包括激光头、与激光头连接的激光电源，所述高能激光器采用单脉冲激光器，单脉冲能量大于1mJ。
4.根据权利要求1所述的高性能便携式LIBS分析系统，其特征在于，所述光束整形单元包括基于衍射光学元件的平顶光束整形器、扩束镜，平顶光束整形器用于将原始高斯能量分布激光束转化为平顶能量分布光束，扩束镜用于将平顶能量分布光束进行扩束。
5.根据权利要求1所述的高性能便携式LIBS分析系统，其特征在于，所述激光反射镜与激光入射方向成45度放置，对激光束反射效率大于99.5％。
6.根据权利要求1所述的高性能便携式LIBS分析系统，其特征在于，所述二向色镜与激光入射方向成45度放置，对激光束反射效率大于99.5％，同时允许等离子体发出的180nm—850nm光透射。
7.根据权利要求1所述的高性能便携式LIBS分析系统，其特征在于，所述探头与外壳螺纹连接，探头长度依据非球面透镜的焦距而定，探头前端设有喷嘴，喷嘴中部开有柱形空间束缚腔。
8.根据权利要求1所述的高性能便携式LIBS分析系统，其特征在于，所述光谱仪为单通道设置或多通道并排放置，对应光纤的数量为单根或多根。
9.根据权利要求1至8任一项所述的高性能便携式LIBS分析系统，其特征在于，还包括设置在外壳外表面的触控显示屏，用于显示所述微型计算机输出的数据分析结果。
10.根据权利要求1至8任一项所述的高性能便携式LIBS分析系统，其特征在于，还包括设置在外壳外的数据传输接口、设置在外壳内的散热风扇，数据传输接口与微型计算机连接，散热风扇与电池组连接。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2023093922A1 (en) * 2021-11-26 2023-06-01 AtomTrace a.s. Equipment for chemical analyses to detect the presence and determine the content of elements in a sample and the measurement method using this equipment

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