CN113702357B - 基于随机光栅压缩感知的激光诱导击穿光谱装置及测量方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于随机光栅压缩感知的激光诱导击穿光谱装置及测量方法，该装置包含基于随机光栅的光谱采集模块。所述的基于随机光栅的光谱采集模块包含收集透镜、出瞳转换系统、随机光栅、光电探测器、脉冲延时器和计算机，本装置不仅可以获得等离子特征光谱的波长和强度信息，还可以通过移动随机光栅，使光电探测器直接获得等离子体图像，实现等离子体演化过程的实时成像。与传统激光诱导击穿光谱(LIBS)装置相比，本发明装置采用基于随机光栅的压缩感知成像系统取代了基于光谱仪的光谱成像系统，可获得宽光谱范围、高分辨率的特征光谱和等离子演化过程的实时图像；同时，由于本装置不需要光谱仪，因此缩小了装置体积，降低了装置成本。
Description
技术领域
本发明涉及激光诱导击穿光谱，特别是一种基于随机光栅压缩感知的激光诱导击穿光谱装置及测量方法。
背景技术
激光诱导击穿光谱(以下简称为LIBS)技术是近年来发展迅速的一种元素成分分析技术，它采用高能量短脉宽的脉冲激光作为激发源，将脉冲激光聚焦后照射在样品表面，使样品加热、烧蚀、解离、激发、电离，产生等离子体，通过分析等离子体辐射光谱中特征谱线的波长和强度信号，可以获得样品的元素成分和元素浓度信息。LIBS技术的特点是几乎不需要样品制备、检测速度快、检测元素范围广，可实现固体、液体、气体样品的现场检测、原位检测，因此在元素检测领域应用广泛。
在采用LIBS技术检测元素组成较为复杂的样品时，由于元素谱线分布密集且分布波长范围广，因此需要宽波段、高分辨率的光谱仪进行光谱采集，此类光谱仪通常体积较大、价格较高，因此限制了LIBS装置的集成化和小型化。
压缩感知理论是一种全新的信号采集和编解码理论。它在信号采集阶段对数据进行了压缩，降低了数据采集量，可实现宽波段、高分辨率的光谱成像，为LIBS光谱数据采集提供了一个新的解决方案。压缩感知的基本原理如下：假设待测信号X的长度为N，存在某组正交基Ψ＝[Ψ1Ψ2…Ψn]，使得X在该组正交基下展开，即有X＝ΨX′，满足X′只含有少数几个非零元素，或者X′中大部分元素值相对于其他元素值很小。也就是说，信号X在此正交基Ψ下是稀疏或可压缩的。在此条件下，采用与Ψ不相关的测量矩阵Φ对X进行投影测量，得到长度为M的矢量Y，Y＝ΦΨX′。通过求解非线性优化问题：
可以在M<<N的条件下，以很大概率重构出X。其中，M是所需采集的数据点数，N是恢复出的数据点数。
基于随机光栅的光谱采集系统是一种基于压缩感知理论的新型光谱采集系统。系统原理如下：激光诱导等离子体辐射光谱通过随机光栅后，在该随机光栅后方的一段空间区域内形成叠加散斑场，该散斑场包含压缩后的特征光谱信息；采用光电探测器对叠加散斑场进行采集，通过计算机对散斑场包含的等离子体辐射光谱进行重构后获得特征谱线的波长和强度信息。
在LIBS装置中，采用基于随机光栅的光谱采集系统取代传统的由光谱仪和光电探测器组成的光谱采集系统后，装置可获得宽光谱范围、高分辨率的特征光谱和等离子演化过程的实时图像；同时，由于本装置不需要光谱仪，因此缩小了装置的体积，降低了装置成本，有利于装置的集成和小型化。
发明内容
本发明的目的在于提出一种基于随机光栅压缩感知的激光诱导击穿光谱装置及测量方法，本装置对光谱成像系统进行了优化，采用基于随机光栅的压缩感知成像系统取代了基于光谱仪的光谱成像系统，可获得宽光谱范围、高分辨率的特征光谱和等离子体演化过程的实时图像；同时，由于装置不需要光谱仪，因此缩小了装置体积，降低了装置成本，有利于装置的集成和小型化。
本发明的技术解决方案如下：
一种基于随机光栅压缩感知的激光诱导击穿光谱装置，包括激光诱导等离子体产生模块和光谱采集模块,所述的激光诱导等离子体产生模块包括激光器、反射镜、聚焦透镜和位移台，其特点在于，所述的光谱采集模块是基于随机光栅的光谱采集模块，该基于随机光栅的光谱采集模块包括收集透镜、出瞳转换系统、随机光栅、光电探测器、脉冲延时器和计算机，沿所述的激光器的激光输出方向依次是所述的反射镜、聚焦透镜和位移台，待测样品置于所述的位移台上，沿待测样品的反射光方向依次是所述的收集透镜、出瞳转换系统、随机光栅、光电探测器，所述的激光器输出的激光经所述的脉冲延时器与所述的光电探测器相连，所述的光电探测器的输出端与所述的计算机的输入端相连，所述的计算机的输出端分别与所述的激光器、脉冲延时器、位移台的控制端相连。
所述的出瞳转换系统是成像透镜组，用于将采集透镜收集到的光成像到随机光栅上，使各个方向入射的光场都能够通过随机光栅中心，实现扩大成像范围的目的。
所述的出瞳转换系统和随机光栅之间可添加光栅，对进入随机光栅之前的光按光谱波段进行分光，进一步提高装置的光谱分辨率。
所述的光电探测器是CCD探测器、ICCD探测器、CMOS探测器或点探测器阵列。
所述的随机光栅是毛玻璃、随机散射片、光子晶体或宽带衍射片。
所述的光谱采集模块，针对不同的LIBS特征光谱探测谱段，选择不同参数的随机光栅和相应的光电探测器。
上述基于随机光栅压缩感知的激光诱导击穿光谱装置的测量方法，该方法包括如下步骤：
1)将所述的待测样品置于所述的位移台上，所述的计算机控制所述的位移台，使所述的激光器输出的激光垂直地照射在所述的待测样品的待测区域；
2)等离子特征光谱采集过程如下：
将所述的随机光栅置于所述的出瞳转换系统和光电探测器之间，将所述的收集透镜、出瞳转换系统、随机光栅、光电探测器置于所述的待测样品45°反射光路上，所述的计算机控制所述的激光器输出激光照射在所述的待测样品上，该待测样品输出的等离子辐射光谱经所述的收集透镜收集，经出瞳转换系统转换后照射在所述的随机光栅的前表面，通过所述的随机光栅进行随机波前相位调制及色散，在随机光栅后方形成散斑场，最后，所述的光电探测器对散斑场进行采集测量，并输入所述的计算机，经过计算机处理后获得特征光谱的波长及强度信息；
3)等离子成像过程如下：
将所述的随机光栅移出光路，所述的计算机控制所述的激光器输出激光照射在所述的待测样品上，所述的收集透镜采集到待测样品的等离子体光经过所述的出瞳转换系统后直接进入所述的光电探测器采集并输入所述的计算机，经过所述的计算机处理后获得等离子体演化过程的实时图像。
本发明提出的装置可采集等离子体特征光谱和等离子体演化过程的实时图像：
所述的出瞳转换系统是成像透镜组，用于将采集透镜收集到的光成像到随机光栅上，使各个方向入射的光场都能够通过随机光栅中心，实现扩大成像范围的目的。
所述的出瞳转换系统和随机光栅之间可添加光栅，对进入随机光栅之前的光按光谱波段进行分光，进一步提高装置的光谱分辨率。
所述的光谱采集模块，针对不同的LIBS特征光谱探测谱段，选择不同参数的随机光栅和相应的光电探测器。例如，针对可见光和近红外波段光谱，可选取起伏较小、颗粒较大的毛玻璃作为随机光栅器件。
所述的随机光栅，对收集透镜采集到的光进行随机波前相位调制及色散，在随机光栅后方形成散斑场。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明采用基于随机光栅的压缩感知成像系统取代了现有的基于光谱仪的光谱成像系统，可获得宽光谱范围、高分辨率的等离子体特征光谱和等离子体演化过程的实时图像；优化后的光谱成像系统不需要光谱仪，因此缩小了装置体积，降低了装置成本，有利于装置的集成和小型化。
附图说明
图1为本发明基于随机光栅压缩感知的激光诱导击穿光谱装置结构示意图。
图中：1、激光器；2、反射镜；3、聚焦透镜；4、样品；5、位移台；6、收集透镜；7、出瞳转换系统；8、随机光栅；9、光电探测器；10、脉冲延时器；11、计算机。
图2为本发明基于随机光栅压缩感知的激光诱导击穿光谱装置的仿真光谱和光谱仪实测光谱。(a)为光谱仪实测光谱，光谱范围360nm-450nm，光谱分辨率0.03nm；(b)为相同实验条件下本装置的仿真光谱。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好的理解本发明方案，下面结合实例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
本发明基于随机光栅压缩感知的激光诱导击穿光谱装置结构示意图如图1所示，由图可见，本发明基于随机光栅压缩感知的激光诱导击穿光谱装置，包括激光诱导等离子体产生模块和光谱采集模块,所述的激光诱导等离子体产生模块包括激光器1、反射镜2、聚焦透镜3和位移台5，所述的光谱采集模块是基于随机光栅的光谱采集模块，该基于随机光栅的光谱采集模块包括收集透镜6、出瞳转换系统7、随机光栅8、光电探测器9、脉冲延时器10和计算机11，沿所述的激光器1的激光输出方向依次是所述的反射镜2、聚焦透镜3和位移台5，待测样品4置于所述的位移台5上，沿待测样品4的反射光方向依次是所述的收集透镜6、出瞳转换系统7、随机光栅8、光电探测器9，所述的激光器1输出的激光经所述的脉冲延时器10与所述的光电探测器9相连，所述的光电探测器9的输出端与所述的计算机11的输入端相连，所述的计算机11的输出端分别与所述的激光器1、脉冲延时器10、位移台5的控制端相连。
所述的出瞳转换系统7是成像透镜组，用于将采集透镜6收集到的光成像到随机光栅8上，使各个方向入射的光场都能够通过随机光栅8中心，实现扩大成像范围的目的。
所述的出瞳转换系统7和随机光栅8之间可添加光栅，对进入随机光栅8之前的光按光谱波段进行分光，进一步提高装置的光谱分辨率。
所述的光电探测器9是CCD探测器、ICCD探测器、CMOS探测器或点探测器阵列。
所述的随机光栅8是毛玻璃、随机散射片、光子晶体或宽带衍射片。
所述的光谱采集模块，针对不同的LIBS特征光谱探测谱段，选择不同参数的随机光栅7和相应的光电探测器8。
利用上述基于随机光栅压缩感知的激光诱导击穿光谱装置的测量方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
1)将所述的待测样品4置于所述的位移台5上，所述的计算机11控制所述的位移台5，使所述的激光器1输出的激光垂直地照射在所述的待测样品4的待测区域；
2)等离子特征光谱采集过程如下：
将所述的随机光栅8置于所述的出瞳转换系统7和光电探测器9之间，将所述的收集透镜6、出瞳转换系统7、随机光栅8、光电探测器9置于所述的待测样品445°反射光路上，所述的计算机11控制所述的激光器1输出激光照射在所述的待测样品4上，该待测样品4输出的等离子辐射光谱经所述的收集透镜6收集，经出瞳转换系统7转换后照射在所述的随机光栅8的前表面，通过所述的随机光栅8进行随机波前相位调制及色散，在随机光栅8后方形成散斑场，最后，所述的光电探测器9对散斑场进行采集测量，并输入所述的计算机11，经过计算机11处理后获得特征光谱的波长及强度信息；
3)等离子成像过程如下：
将所述的随机光栅8移出光路，所述的计算机11控制所述的激光器1输出激光照射在所述的待测样品4上，所述的收集透镜6采集到的等离子体光经过所述的出瞳转换系统7后直接进入所述的光电探测器9采集并输入所述的计算机11，经过所述的计算机11处理后获得等离子体演化过程的实时图像。
本发明不仅可以获得等离子特征光谱的波长和强度信息，还可以通过移动随机光栅，使光电探测器直接获得等离子体图像，实现等离子体演化过程的实时成像。
所述的光谱采集模块，针对不同的LIBS特征光谱探测谱段，选择不同参数的随机光栅8和相应的光电探测器9。例如，针对可见光和近红外波段光谱，可选取起伏较小、颗粒较大的毛玻璃作为随机光栅器件。
实施例
1、激光诱导等离子体特征光谱采集过程如下：
1)将样品4放置在位移台5上，通过计算机11控制位移台5，使样品4移动到指定位置；
2)通过计算机11控制所述的激光器1输出一束波长1064nm、脉宽6ns、能量50mJ的脉冲激光，经过反射镜2反射、聚焦透镜3聚焦后，以90°垂直照射所述的样品4，样品4表面受激光脉冲烧蚀后气化，产生等离子体；
3)等离子辐射光谱经过所述的收集透镜6收集、出瞳转换系统7转换后照射在所述的随机光栅8表面，收集透镜与所述的激光入射的夹角为45°，等离子体辐射光谱先通过光栅进行光谱波段分光，然后通过随机光栅8进行随机波前相位调制及色散，在随机光栅8的后方形成叠加散斑场；
4)所述的光电探测器9对所述的叠加散斑场进行采集，光电探测器9采用ICCD，所述的光电探测器9与激光脉冲之间的延迟时间通过脉冲延时器10控制，延迟时间设为2μs；
5)通过计算机11对散斑场包含的等离子体辐射光谱进行重构后获得特征谱线的波长和强度信息。
2、激光诱导等离子体成像过程如下：
1)将所述的随机光栅8从光谱采集模块中移除，调整所述的出瞳转换系统7，使出瞳转换后的成像面位于所述的光电探测器9的探测面；
2)将样品4放置在所述的位移台5上，通过计算机11控制位移台5，使样品移动到指定位置；
3)通过计算机11控制所述的激光器1输出一束波长1064nm、脉宽6ns、能量50mJ的脉冲激光，经过反射镜2反射，经过聚焦透镜3聚焦后以90°垂直照射样品4，样品4表面受激光脉冲烧蚀后气化，产生等离子体；
4)所述的等离子体演化过程的实时图像经过所述的收集透镜6采集，收集透镜6的光轴与激光入射夹角为45°，采集后的图像进入所述的出瞳转换系统7优化；
5)所述的光电探测器9收集经过出瞳转换系统7优化后的等离子体图像，所述的光电探测器采用ICCD，可对等离子演化过程的图像进行时间分辨并输入所述的计算机11；
6)所述的计算机11保存和显示所述的光电探测器9采集到的等离子体图像。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，不对本发明的结构造成任何形式的限制。本领域人员在不脱离本发明所述原理的前提下所做出的任何修改、替换和改进，均应包含在本发明保护的范围内。
Claims (5)
1.一种基于随机光栅压缩感知的激光诱导击穿光谱装置，包括激光诱导等离子体产生模块和光谱采集模块,所述的激光诱导等离子体产生模块包括激光器(1)、反射镜(2)、聚焦透镜(3)和位移台(5)，其特征在于，所述的光谱采集模块是基于随机光栅的光谱采集模块，该基于随机光栅的光谱采集模块包括收集透镜(6)、出瞳转换系统(7)、随机光栅(8)、光电探测器(9)、脉冲延时器(10)和计算机(11)，沿所述的激光器(1)的激光输出方向依次是所述的反射镜(2)、聚焦透镜(3)和位移台(5)，待测样品(4)置于所述的位移台(5)上，沿待测样品(4)的反射光方向依次是所述的收集透镜(6)、出瞳转换系统(7)、随机光栅(8)、光电探测器(9)，所述的激光器(1)输出的激光经所述的脉冲延时器(10)与所述的光电探测器(9)相连，所述的光电探测器(9)的输出端与所述的计算机(11)的输入端相连，所述的计算机(11)的输出端分别与所述的激光器(1)、脉冲延时器(10)、位移台(5)的控制端相连；
所述的出瞳转换系统(7)是成像透镜组，用于将收集透镜(6)收集到的光成像到随机光栅(8)上，使各个方向入射的光场都能够通过随机光栅(8)中心，实现扩大成像范围的目的；
所述的随机光栅(8)是毛玻璃、随机散射片、光子晶体或宽带衍射片。
2.根据权利要求1所述的基于随机光栅压缩感知的激光诱导击穿光谱装置，其特征在于：所述的出瞳转换系统(7)和随机光栅(8)之间可添加光栅，对进入随机光栅(8)之前的光按光谱波段进行分光，进一步提高装置的光谱分辨率。
3.根据权利要求1所述的基于随机光栅压缩感知的激光诱导击穿光谱装置，其特征在于：所述的光电探测器(9)是CCD探测器、ICCD探测器、CMOS探测器或点探测器阵列。
4.根据权利要求1所述的基于随机光栅压缩感知的激光诱导击穿光谱装置，其特征在于：所述的光谱采集模块，针对不同的LIBS特征光谱探测谱段，选择不同参数的随机光栅(8)和相应的光电探测器(9)。
5.权利要求1至4任一项所述的基于随机光栅压缩感知的激光诱导击穿光谱装置的测量方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
1)将所述的待测样品(4)置于所述的位移台(5)上，所述的计算机(11)控制所述的位移台(5)，使所述的激光器(1)输出的激光垂直地照射在所述的待测样品(4)的待测区域；
2)等离子特征光谱采集过程如下：
将所述的随机光栅(8)置于所述的出瞳转换系统(7)和光电探测器(9)之间，将所述的收集透镜(6)、出瞳转换系统(7)、随机光栅(8)、光电探测器(9)置于所述的待测样品(4)反射光路上，所述的计算机(11)控制所述的激光器(1)输出激光照射在所述的待测样品(4)上，该待测样品(4)输出的等离子辐射光谱经所述的收集透镜(6)收集，经出瞳转换系统(7)转换后照射在所述的随机光栅(8)的前表面，通过所述的随机光栅(8)进行随机波前相位调制及色散，在随机光栅(8)后方形成散斑场，最后，所述的光电探测器(9)对散斑场进行采集测量，并输入所述的计算机(11)，经过计算机(11)处理后获得特征光谱的波长及强度信息；
3)等离子成像过程如下：
将所述的随机光栅(8)移出光路，所述的计算机(11)控制所述的激光器(1)输出激光照射在所述的待测样品(4)上，所述的收集透镜(6)采集到的等离子体光经过所述的出瞳转换系统(7)后直接进入所述的光电探测器(9)采集并输入所述的计算机(11)，经过所述的计算机(11)处理后获得等离子体演化过程的实时图像。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| US4410272A (en) * | 1980-06-19 | 1983-10-18 | Jacky Beauvineau | Optical spectroscope for scanning electron microscope |
| CN104121990A (zh) * | 2014-07-22 | 2014-10-29 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | 基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成像系统 |
| CN106959161A (zh) * | 2017-02-23 | 2017-07-18 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | 利用基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成像系统实现消除大气湍流的方法 |
| CN108827471A (zh) * | 2018-04-24 | 2018-11-16 | 苏州大学 | 一种衍射元件、高分辨率光谱仪及光谱检测方法 |
| CN112821177A (zh) * | 2021-01-05 | 2021-05-18 | 华中科技大学 | 一种基于光纤随机光栅的光纤随机拉曼激光器 |
-
2021
- 2021-09-24 CN CN202111122974.3A patent/CN113702357B/zh active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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