CN113176251B - 脉冲激光的反馈调节方法、系统及激光诱导击穿光谱仪 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光谱仪器技术领域，具体涉及一种脉冲激光的反馈调节方法、系统及激光诱导击穿光谱仪。本发明的脉冲激光的反馈调节方法，包括：(a)将脉冲激光进行光电转换，得到电信号；(b)对所述电信号的波形参数进行监测，判断所述波形参数是否满足预设要求；(c)波形参数不满足预设要求时，通过反馈调节的方式改变所述脉冲激光的输出光能量；所述波形参数满足预设要求时，将所述电信号输出。本发明还提供了实现上述方法的系统，以及基于该系统的激光诱导击穿光谱仪(LIBS仪器)。本发明方法能够提高脉冲激光能量的稳定性，使其满足LIBS仪器的要求，有利于采用低成本的激光器实现的LIBS仪器小型化，应用价值很高。
Description
技术领域
本发明属于光谱仪器技术领域，具体涉及一种脉冲激光的反馈调节方法、系统及激光诱导击穿光谱仪。
背景技术
激光诱导击穿光谱技术(Laser Induced Breakdown Spectroscopy，LIBS)是一种以激光为激发源的原子发射光谱技术，该技术突出的优势是无需复杂样品前处理，分析速度快，可多元素同时分析并具备远程非接触分析能力，因而该技术在各行各业中都有及高的应用价值，近年来被给予了极大的关注。
LIBS仪器中，等离子体激发和光谱仪的触发通过脉冲激光实现。具体地，光谱仪触发方法是：利用光电管响应脉冲激光，进而实现光信号到电信号的转化，以获得光谱仪的外触发电信号。此过程中触发电信号的强度直接取决于脉冲激光的光强，且光电管所输出的电信号为具备快速上升沿的电压信号，该上升沿电压信号的上升沿时间与激光光信号的强度直接相关。当光信号强的时候，达到相同电压阈值所需的上升沿时间更快，当光强度弱的时候，达到相同电压阈值所需的时间更久。也即是说，脉冲激光光信号的强度将直接决定电信号的强度和波形，进而影响到采谱触发时序的精确度。另一方面，LIBS所产生的是小尺寸的瞬态等离子体，等离子体中发射谱线的寿命短，为了得到准确的采谱结果，实现定量分析，需要采谱触发时序具有极高的精确度。因此，在LIBS仪器中，对脉冲激光的时序和光强的稳定性提出很高的要求。
现有的LIBS仪器中多采用主动调Q模式激光器作为等离子体激发源，该类激光器激光能量稳定性好，对LIBS整机分析结果稳定性有较大帮助。但是主动调Q模式激光器普遍采用水冷模式，体积大，仪器整机成本高，难以小型化。而现有小型LIBS仪器多采用半导体泵激光器作为等离子体激发源，该激光器价格昂贵，限制了LIBS技术的进一步推广应用。
被动调Q模式激光器无需水冷，具有体积小、重量轻的优点。因此，如果能够将被动调Q模式激光器取代主动调Q模式激光器应用到LIBS仪器中，将能够从仪器小型化、便携、系统集成和高信噪比分析结果等多方面对LIBS仪器进行改进。
然而，被动调Q模式激光器普遍存在输出脉冲之间的时序抖动大，脉冲间隔时间不确定性大，不同激光脉冲间的能量差异大的问题。在LIBS仪器的工作模式下，这将导致被动调Q模式激光器产生的触发信号之间存在严重的时间抖动，无法确保精准的触发时序，从而严重影响LIBS仪器的稳定性和采谱结果的精确度。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种脉冲激光的反馈调节方法、系统及激光诱导击穿光谱仪，目的在于：针对输出脉冲的时序和能量不稳定的激光器(例如被动调Q模式激光器)提出一种调节方法和系统，并且针对LIBS整机进行集成，改善小型化LIBS仪器分析结果的稳定性，减少光谱收集的差异化，实现准确定量测试。
一种脉冲激光的反馈调节方法，包括如下步骤：
(a)接收脉冲激光，并将脉冲激光进行光电转换，得到电信号；
(b)对所述电信号的波形参数进行监测，判断所述波形参数是否满足预设要求；
(c)根据步骤(b)的结果进行如下操作：所述波形参数不满足预设要求时，通过反馈调节的方式改变所述脉冲激光的输出光能量，然后重新从步骤(a)开始重复操作；所述波形参数满足预设要求时，将所述电信号输出。
优选的，所述脉冲激光通过被动调Q模式激光器产生。
优选的，步骤(b)中，所述预设要求包括对触发电压阈值、上升沿时间、斜率、半峰宽及触发阈值下的波形面积的要求，判断所述波形参数是否满足预设要求的具体步骤如下：
(b.1)将所述电信号通过如下运算方程(1)进行处理，创建波形基线：
其中，i为时间变量，x(i)为电信号中时间变量i对应的电信号强度，y(i)为波形基线中时间变量i对应的电信号强度；
(b.2)将步骤(b.1)创建的波形基线通过如下运算方程(2)进行峰逆变换，得到波形重建后的电信号：
其中，m为自由参数，min[a,b]是指取a和b中的最小值，y′(i)为波形重建后的电信号中时间变量i对应的电信号强度；
(b.3)计算波形重建后的电信号的触发电压阈值、上升沿时间、斜率、半峰宽及触发阈值下的波形面积，对比计算结果是否满足预设要求。
优选的，步骤(b.3)中，所述波形重建后的电信号进行滤噪处理后，再进行所述触发电压阈值、上升沿时间、斜率、半峰宽及触发阈值下的波形面积的计算。
优选的，步骤(c)中，所述波形参数满足预设要求时，将所述电信号按照步骤(b.1)和步骤(b.2)进行处理后输出。
优选的，步骤(c)中，改变所述脉冲激光的输出光能量的方式为:
当触发电压阈值、斜率、半峰宽或触发阈值下的波形面积中的任一项低于预设要求，或者当上升沿时间大于预设要求时，增大用于产生所述脉冲激光的激光器电压。
一种用于实现上述方法的脉冲激光反馈调节系统，包括：脉冲激光器、触发反馈调节系统和控制系统；所述脉冲激光器与所述触发反馈调节系统通过光路连接，所述反馈调节系统和所述控制系统电性连接，所述脉冲激光器的电源与所述控制系统电性连接；
所述触发反馈调节系统包括光电信号转换模块、信号调控模块和脉冲延时模块；所述光电信号转换模块用于将脉冲激光进行光电转换；所述信号调控模块对所述电信号的波形参数进行监测，判断所述波形参数是否满足预设要求，并向控制系统输出反馈信号；所述脉冲延时模块用于接收步骤(c)输出的电信号，并将其转化为触发信号；
所述控制系统能够根据反馈信号调节所述脉冲激光器的输出光能量。
优选的，所述脉冲激光器为被动调Q模式激光器。
一种激光诱导击穿光谱仪，包括上述系统，还包括：光谱仪、光束整形系统、斩波器和样品台，所述脉冲激光器、光束整形系统、斩波器和样品台通过第一光路依次设置，所述光束整形系统能够分光产生第二光路，所述触发反馈调节系统设置在所述第二光路上；
所述斩波器与脉冲延时模块之间电性连接；
所述光谱仪通过光纤连接有用于采集样品等离子体信号的信号收集系统，所述光谱仪通过电性连接分别与脉冲延时模块和控制系统连接。
优选的，还包括成像系统，所述样品台为三维平移台，所述成像系统和样品台分别与控制系统电性连接。
优选的，所述光束整形系统包括激光扩束光学透镜组、激光聚焦透镜组和光信号输出光组，所述光信号输出光组包括二向色镜组。
本发明中，“波形参数”是指包含脉冲电信号的强度信息和波形信息的各项参数，例如：触发电压阈值、上升沿时间、斜率、半峰宽及触发阈值下的波形面积等。“波形参数”是通过示波器进行波形的读取后计算得到，可参考现有技术实现。“预设要求”是指根据LIBS仪器对结果稳定性和精确度的要求，确定并预设在系统中的各项波形参数应当满足的取值范围。
采用本发明的技术方案后，能够对输出脉冲的时序和能量不稳定的激光器(例如被动调Q模式激光器)进行反馈调节，使得激光器输出的脉冲激光的时序和能量稳定性达到LIBS仪器的要求，保证仪器的稳定性和采谱结果的精确度。
在本发明的优选方案中，通过(b.1)-(b.2)两个步骤，对电信号的波形进行了一致性处理，能够减小基线漂移、峰形差异所带来的准确度上的差异。进行上述波形优化后，后续步骤的对比、触发等准确性更高。
在本发明的优选方案中，能够成功地将被动调Q模式激光器集成到LIBS仪器中，实现了一种成本较低的小型化LIBS仪器。
此外，本发明提供的脉冲激光的反馈调节方法和系统不仅能够用于LIBS仪器，还适用于其他对脉冲激光器的输出时序和能量有调节需求的场景，应用潜力很大。
显然，根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，还可以做出其它多种形式的修改、替换或变更。
以下通过实施例形式的具体实施方式，对本发明的上述内容再作进一步的详细说明。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实例。凡基于本发明上述内容所实现的技术均属于本发明的范围。
附图说明
图1为本发明实施例1的脉冲激光的反馈调节方法的流程示意图；
图2为本发明实施例2的结构示意图；
图3为本发明实施例2中样品台自动调节的流程示意图；
图4为本发明实施例2中LIBS仪器测试样品的流程示意图；
图5为本发明实施例2对页岩的分析结果。
图中：1-脉冲激光器，2-成像系统，3-光谱仪，4-光束整形系统，5-触发反馈调节系统，6-信号收集系统，7-控制系统，8-样品台，9-待测样品，10-斩波器。
具体实施方式
需要特别说明的是，实施例中未具体说明的数据采集、传输、储存和处理等步骤的算法，以及未具体说明的硬件结构、电路连接等均可通过现有技术已公开的内容实现。
实施例1脉冲激光的反馈调节方法和系统
本实施例的系统如下：包括脉冲激光器1、触发反馈调节系统5和控制系统7。所述脉冲激光器1与所述触发反馈调节系统5通过光路连接，所述光路上可根据需要设置各种光学元件。
所述反馈调节系统5和所述控制系统7电性连接，所述脉冲激光器1的电源与所述控制系统7电性连接。
所述触发反馈调节系统5包括光电信号转换模块、信号调控模块和脉冲延时模块；所述光电信号转换模块用于将脉冲激光进行光电转换；所述信号调控模块对所述电信号的波形参数进行监测，判断所述波形参数是否满足预设要求，并向控制系统7输出反馈信号；所述脉冲延时模块用于接收电信号，并将其转化为触发信号。所述光电信号转换模块、信号调控模块和脉冲延时模块的电路结构及其控制程序可根据现有技术实现。
所述控制系统7包括上位机和安装在上位机中的控制软件，控制软件用于根据反馈信号调节所述脉冲激光器1的输出光能量，此外控制软件还用于实现对其他必要设备的控制。所述上位机和控制软件可根据现有技术实现。
利用上述系统，本实施例的脉冲激光的反馈调节方法如图1所示，具体包括如下步骤：
(a)脉冲激光器发射脉冲激光，光电信号转换模块接收脉冲激光，并将脉冲激光进行光电转换，得到电信号；
(b)信号调控模块结合波形处理算法，快速识别电信号是否满足预设要求，具体步骤如下：
(b.1)将所述电信号通过如下运算方程(1)进行处理，创建波形基线：
其中，i为时间变量，x(i)为电信号中时间变量i对应的电信号强度，y(i)为波形基线中时间变量i对应的电信号强度。Ln的对数计算允许在几个数量级层面上运算，平方根算子选择性地进行信号放大，完成电信号的变换。
(b.2)将步骤(b.1)创建的波形基线通过如下运算方程(2)进行峰逆变换，得到波形重建后的电信号：
其中，m为给定的自由参数，可根据需要任意选取，min[a,b]是指取a和b中的最小值，y′(i)为波形重建后的电信号中时间变量i对应的电信号强度；
通过上述两个步骤，对电信号的波形进行了一致性处理，能够减小基线漂移、峰形差异所带来的准确度上的差异。进行上述波形优化后，后续步骤的对比、触发等准确性更高。
(b.3)波形重建后的电信号通过高斯模型平滑拟合后，计算其斜率、阈值、波形阈值面积及半峰宽，对比计算结果是否满足预设要求。
(c)根据步骤(b)的结果进行如下操作：所述波形参数不满足预设要求时，通过反馈调节的方式改变脉冲激光器的电压，从而调节所述脉冲激光的输出光能量，然后重新从步骤(a)开始重复操作；所述波形参数满足预设要求时，将所述电信号输出至脉冲延时模块产生触发信号。
改变所述脉冲激光的输出光能量的方式为:
当触发电压阈值、斜率、半峰宽或触发阈值下的波形面积中的任一项低于预设要求，或者当上升沿时间大于预设要求时，判断为波形参数不满足预设要求，此时增大用于产生所述脉冲激光的激光器电压后从步骤(a)开始重复操作。反之，当判断为触发电压阈值、斜率、半峰宽和触发阈值下的波形面积均大于预设要求，上升沿时间小于预设要求时，判断为波形参数满足预设要求。
实施例2激光诱导击穿光谱仪(LIBS仪器)
本实施例的LIBS仪器如图2所示，其包括实施例1所述的系统。具体的，本实施例的LIBS仪器包括：脉冲激光器1、成像系统2、光谱仪3、光束整形系统4、触发反馈调节系统5、信号收集系统6、控制系统7、样品台8和斩波器10。
所述脉冲激光器1、光束整形系统4、斩波器10和样品台8通过第一光路依次设置，所述光束整形系统4能够分光产生第二光路，所述触发反馈调节系统5设置在所述第二光路上。
本实施例中，控制系统7包括上位机和安装在上位机中的控制软件，控制软件用于根据反馈信号调节所述脉冲激光器1的输出光能量，此外控制软件还用于实现对其他必要设备的控制。所述上位机和控制软件可根据现有技术实现。所述脉冲激光器1的电源、成像系统2、光谱仪3和样品台8通过电性连接分别与控制系统7连接。
脉冲激光器1优选为被动调Q模式激光器，有利于仪器的小型化。
成像系统2由显微成像透镜光组及视频采集相机组成，可实现对样品表面的实时图像采集。
光谱仪3用于采集样品的谱图，通过脉冲延时模块的触发信号进行外触发。本实施例中，光谱仪3可选择多通道分段成谱的C-T型光纤光谱仪或高分辨一次成谱型中阶梯光谱仪。
光束整形系统4包括激光扩束光学透镜组、激光聚焦透镜组和光信号输出光组，所述光信号输出光组包括二向色镜组。脉冲激光由二向色镜组进行波长筛选，在第二光路中输出窄线宽的单色激光，确保光电转换器件的转换效率。
触发反馈调节系统5包括光电信号转换模块、信号调控模块和脉冲延时模块；所述光电信号转换模块用于将第二光路中的脉冲激光进行光电转换；所述信号调控模块对所述电信号的波形参数进行监测，判断所述波形参数是否满足预设要求，并向控制系统7输出反馈信号；所述脉冲延时模块用于接收电信号，并将其转化为触发信号，触发信号优选为TTL脉冲信号。所述光谱仪3和斩波器10分别与脉冲延时模块之间电性连接。所述光电信号转换模块、信号调控模块和脉冲延时模块的电路结构及其控制程序可根据现有技术实现。
信号收集系统6由透镜组组成，通过抗紫外衰减的石英光纤与光谱仪3连接。当第一光路的脉冲激光完成对待测样品9的等离子体激发后，等离子体信号通过信号收集系统6实现收集。作为一种优选的方案，信号收集系统6和光束整形系统4可以集成为一体。
样品台8为三维平移台，用于设置待测样品9。如图3所示，三维平移台的运动由控制系统控制7根据成像系统2采集的图像的清晰度自动控制，从而将待测样品9的表面移动到成像系统2的焦点上。
斩波器10位于待测样品9上方，用于切断或打开第一光路。斩波器10通过脉冲延时模块的触发信号进行外触发。
采用本实施例的LIBS仪器测试待测样品9的流程如图4所示，具体步骤如下：
第一步、将待测样品9放置在样品台8上；
第二步、通过成像系统2采集的图像自动调节样品台8，自动选择测试位置；
第三步、设置触发延时单元的延时时间，光谱仪采集时间等参数，光谱仪3和斩波器10处于等待外部信号触发状态，完成参数设置环境；
第四步、通过控制系统7的软件实现脉冲激光器1的发射，脉冲激光器1发出激光束后，经光束整形系统4后分为第一光路和第二光路；第二光路的脉冲激光按照与实施例1的方法相同的方式触发反馈调节，从而对脉冲激光进行调控，脉冲激光满足预设要求后，脉冲延时模块产生触发信号实现对光谱仪3及斩波器10的外触发激活。
第五步、光谱仪3及斩波器10激活后，第一光路的脉冲激光聚焦在待测样品9上，激发出等离子体；等离子体信号由信号收集系统6收集后，由光谱仪3转换成光谱数据并传给控制系统7供相应软件分析；
第六步、软件分析后得出样品成分和含量的信息。
图5为页岩样品的测试结果，从图中可见，采用本实施例的LIBS仪器采集的光谱获得了页岩中的组成元素信息，如Si、Fe、Mg、Ca、K及Sr等元素在光谱分析结果中都清晰可见。这说明本发明提供的激光诱导击穿光谱仪的采谱准确性已经能够满足实际应用的需求。
通过上述实施例可见，本发明通过光电信号转换装置得到的电信号，反馈调节激光器的光脉冲能量，减小脉冲激光能量的波动，获得输出稳定的光源，对LIBS仪器的信号稳定性有很好的帮助。通过该脉冲激光的反馈调节方法，本发明采用被动调Q式激光器为激发源，借助光电信号转换实现了对光谱仪的外触发，进而获得LIBS的不同时序下的原子光谱图。实现了低成本的小型化LIBS仪器，具有极高的应用价值。
Claims (9)
1.一种脉冲激光的反馈调节方法，其特征在于，包括如下步骤：
（a）接收脉冲激光，并将脉冲激光进行光电转换，得到电信号；
（b）对所述电信号的波形参数进行监测，判断所述波形参数是否满足预设要求；
（c）根据步骤（b）的结果进行如下操作：所述波形参数不满足预设要求时，通过反馈调节的方式改变所述脉冲激光的输出光能量，然后重新从步骤（a）开始重复操作；所述波形参数满足预设要求时，将所述电信号输出；
步骤（b）中，所述预设要求包括对触发电压阈值、上升沿时间、斜率、半峰宽及触发阈值下的波形面积的要求，判断所述波形参数是否满足预设要求的具体步骤如下：
（b.1）将所述电信号通过如下运算方程（1）进行处理，创建波形基线：
（1）
其中，i为时间变量，x(i)为电信号中时间变量i对应的电信号强度，y(i)为波形基线中时间变量i对应的电信号强度；
（b.2）将步骤（b.1）创建的波形基线通过如下运算方程（2）进行峰逆变换，得到波形重建后的电信号：
（2）
其中，m为自由参数，min[a,b]是指取a和b中的最小值，为波形重建后的电信号中时间变量i对应的电信号强度；
（b.3）计算波形重建后的电信号的触发电压阈值、上升沿时间、斜率、半峰宽及触发阈值下的波形面积，对比计算结果是否满足预设要求。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（b.3）中，所述波形重建后的电信号进行滤噪处理后，再进行所述触发电压阈值、上升沿时间、斜率、半峰宽及触发阈值下的波形面积的计算。
3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（c）中，所述波形参数满足预设要求时，将所述电信号按照步骤（b.1）和步骤（b.2）进行处理后输出。
4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（c）中，改变所述脉冲激光的输出光能量的方式为:
当触发电压阈值、斜率、半峰宽或触发阈值下的波形面积中的任一项低于预设要求，或者当上升沿时间大于预设要求时，增大用于产生所述脉冲激光的激光器电压。
5.一种用于实现权利要求1-4任一项所述的方法的脉冲激光反馈调节系统，其特征在于，包括：脉冲激光器（1）、触发反馈调节系统（5）和控制系统（7）；所述脉冲激光器（1）与所述触发反馈调节系统（5）通过光路连接，所述触发反馈调节系统（5）和所述控制系统（7）电性连接，所述脉冲激光器（1）的电源与所述控制系统（7）电性连接；
所述触发反馈调节系统（5）包括光电信号转换模块、信号调控模块和脉冲延时模块；所述光电信号转换模块用于将脉冲激光进行光电转换；所述信号调控模块对所述电信号的波形参数进行监测，判断所述波形参数是否满足预设要求，并向控制系统（7）输出反馈信号；所述脉冲延时模块用于接收步骤（c）输出的电信号，并将其转化为触发信号；
所述控制系统（7）能够根据反馈信号调节所述脉冲激光器（1）的输出光能量。
6.按照权利要求5所述的系统，其特征在于：所述脉冲激光器（1）为被动调Q模式激光器。
7.一种激光诱导击穿光谱仪，其特征在于，包括权利要求5或6所述的系统，还包括：光谱仪（3）、光束整形系统（4）、斩波器（10）和样品台（8），所述脉冲激光器（1）、光束整形系统（4）、斩波器（10）和样品台（8）通过第一光路依次设置，所述光束整形系统（4）能够分光产生第二光路，所述触发反馈调节系统（5）设置在所述第二光路上；
所述斩波器（10）与脉冲延时模块之间电性连接；
所述光谱仪（3）通过光纤连接有用于采集样品等离子体信号的信号收集系统（6），所述光谱仪（3）通过电性连接分别与脉冲延时模块和控制系统（7）连接。
8.按照权利要求7所述的激光诱导击穿光谱仪，其特征在于：还包括成像系统（2），所述样品台（8）为三维平移台，所述成像系统（2）和样品台（8）分别与控制系统电性连接。
9.按照权利要求7所述的激光诱导击穿光谱仪，其特征在于：所述光束整形系统（4）包括激光扩束光学透镜组、激光聚焦透镜组和光信号输出光组，所述光信号输出光组包括二向色镜组。
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