CN113740315A - 一种精确定位libs系统激光聚焦位置的方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供精确定位LIBS系统激光聚焦位置的方法及系统，所述方法包括以下步骤：通过调节样品表面与汇聚透镜的相对距离确定系统聚焦点的初始位置；调节指示激光的方向使指示激光光斑与所述初始位置重叠；移动样品位置，采集指示激光在样品表面形成光斑的光谱强度，确定最大光谱强度对应的位置即为系统激光聚焦位置。采用本发明技术方案能够适用于不同特性的样品表面，实现LIBS系统激光聚焦位置的快速精确定位，调节的精确度受样品表面特性如平整度、反射率以及所用设备的灵敏度影响低；同时，还克服了手动调焦的速度慢的问题，能够自动定位，保证LIBS系统检测的稳定性。
Description
技术领域
本发明属于光谱检测及分析技术领域，特别涉及一种精确定位LIBS系统激光聚焦位置的方法及系统。
背景技术
激光诱导击穿光谱(Laser-induced breakdown spectroscopy,LIBS)技术是一种原子发射光谱技术，通过将高能脉冲激光聚焦在样品表面，烧蚀激发样品产生等离子，然后根据所采集的等离子体光谱，可以对样品中所含元素进行定性和定量分析。该技术具有不需要复杂的样品预处理、适应环境能力强、可以对多种元素同时进行快速分析、远程分析以及原位在线实时分析等优点，广泛应用于太空探索、工业生产、环境监测以及资源勘探等领域，目前已成为物质成分分析领域研究的热点。
在LIBS进行检测时，由于待测样品具有不同的厚度以及表面平整度，激光聚焦透镜与样品表面的相对距离会发生较大变化，影响LIBS测量结果的稳定性和精确度。目前一般使用手动调节或者样品表面成像清晰度以及激光测距仪等方法进行聚焦调节，调节的精确度受样品表面特性如平整度、反射率以及所用设备的灵敏度影响较大。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种精确定位LIBS系统激光聚焦位置的方法及系统，能够适用于不同特性的样品表面，实现LIBS系统中激光脉冲快速精确地自动聚焦在样品表面。
为实现上述目的，采用以下技术方案：
一种精确定位LIBS系统激光聚焦位置的方法，包括以下步骤：
通过调节样品表面与汇聚透镜的相对距离确定系统聚焦点的初始位置；
调节指示激光的方向使指示激光光斑与所述初始位置重叠；
移动样品位置，采集指示激光在样品表面形成光斑的光谱强度，确定最大光谱强度对应的位置即为系统激光聚焦位置。
优选地，所述指示激光为LIBS系统中所用光谱仪波长覆盖范围内任意波长的激光光束。
优选地，所述移动样品位置，采集指示激光在样品表面形成光斑的光谱强度具体为：
先以第一步长移动样品位置，并在各位置处采集指示激光在样品表面形成光斑的光谱强度，最大光谱强度对应的位置为系统激光初步聚焦位置；
再根据系统激光初步聚焦位置以第二步长移动样品位置，并在各位置处采集指示激光在样品表面形成光斑的光谱强度，最大光谱强度对应的位置为所述系统激光聚焦位置，其中第一步长长于第二步长。
优选地，所述移动样品沿收集透镜的收集方向移动。
优选地，所述采集指示激光在样品表面形成光斑的光谱强度中，设定所述采集积分时间t、平均次数N和样品位移区间，并单向移动。
优选地，所述采集积分时间t为10ms，平均次数N为3-20。
优选地，所述指示激光为波长为532nm的半导体连续激光。
优选地，所述光斑的直径为1-5mm。
一种精确定位LIBS系统激光聚焦位置的系统，所述系统包括：
初始定位模块，用于通过调节样品表面与汇聚透镜的相对距离确定系统聚焦点的初始位置；
调节模块，用于调节指示激光的方向使指示激光光斑与所述初始位置重叠；
定位模块，用于移动样品位置，采集指示激光在样品表面形成光斑的光谱强度，确定最大光谱强度对应的位置即为系统激光聚焦位置。
优选地，所述定位模块，用于移动样品位置，采集指示激光在样品表面形成光斑的光谱强度具体为：
先以第一步长移动样品位置，并在各位置处采集指示激光在样品表面形成光斑的光谱强度，最大光谱强度对应的位置为系统激光初步聚焦位置；
再根据系统激光初步聚焦位置以第二步长移动样品位置，并在各位置处采集指示激光在样品表面形成光斑的光谱强度，最大光谱强度对应的位置为所述系统激光聚焦位置，其中第一步长长于第二步长。
优选地，所述移动样品沿收集透镜的收集方向移动。
优选地，所述移动样品位置之前，先设定光谱采集积分时间t、平均次数N和样品位移区间，单向移动本发明具有以下技术效果：采用本发明的技术方案能够适用于不同特性的样品表面，实现LIBS系统激光聚焦位置的快速精确定位，调节的精确度受样品表面特性如平整度、反射率以及所用设备的灵敏度影响低；同时，还克服了手动调焦的速度慢的问题，能够自动定位，保证LIBS系统检测的稳定性。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明方法实现的具体流程图；
图2为本发明精确定位LIBS系统激光聚焦位置的原理图；
图3为本发明实施例第一步长下样品台不同高度位置处对应的指示激光光谱强度；
图4为本发明实施例第二步长下样品台不同高度位置处对应的指示激光光谱强度；
图中：1、激光器；2、扩束系统；3、激光全反射镜；4、分色镜；5、聚焦透镜；6、样品；8、等离子体；9、指示激光器；10、收集透镜；11、光纤；12、光谱仪；13、计算机；14、数据线；15、控制线；16、触发线。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
一种精确定位LIBS系统激光聚焦位置方法，如图1所示，包括如下步骤：
步骤1：根据汇聚透镜的焦距调节样品表面与汇聚透镜的相对距离，确定系统的聚焦点的初始位置；
步骤2：调节收集透镜和指示激光的光轴方向，使之交于脉冲激光的焦点处，即所述初始位置，完成LIBS系统聚焦初始位置的设定，指示激光可以为LIBS系统中所用光谱仪波长覆盖范围内任意波长的激光光束等；
步骤3：设定光谱仪的光谱采集积分时间t、平均次数N和样品位移区间；
步骤4：将样品放于移动平台上，根据设定的光谱采集积分时间t、平均次数N和样品位移区间，移动平台从最小限位处以第一步长移动至最大限位处，并在各位置处采集指示激光在样品表面形成光斑的光谱强度；
步骤5：对比各位置处指示激光光斑的光谱强度，光谱强度最大时对应的位置即为系统激光初步聚焦位置；
步骤6：将移动平台从初聚焦位置以第二步长上下移动一个第一步长距离，并在各位置处采集指示激光在样品表面形成光斑的光谱强度；
步骤7：对比各位置处指示激光光斑的光谱强度，光谱强度最大时对应的位置即为系统激光的聚焦位置；
步骤8：调节移动平台至聚焦位置处，结束自动聚焦过程。
进一步地，定位LIBS系统激光聚焦位置的原理如图2所示，在LIBS系统激光器1用于提供烧蚀样品所需的能量，扩束系统2用于扩展激光束的直径并减小激光束的发散角，聚焦透镜5用于将激光聚焦在置于三维移动平台上的样品6表面，激发产生等离子体8，三维移动平台可以实现样品6的三维移动，分色镜4用于聚焦等离子光，并聚焦至光纤11端面，光纤11用于将等离子体光传输至光谱仪12进行分光，完成光电转换和光谱数据采集，计算机13通过数据线14实现系统控制以及光谱数据保存，激光器1通过触发线16实现与光谱仪12的同步，计算机13通过控制线15实现三维移动平台的移动，指示激光器9用于辅助完成激光聚焦位置自动定位。
指示激光器9作为LIBS系统的辅助激光光源，通过照射样品表面激发产生等离子，经LIBS系统的分色镜4聚焦后传输至LIBS系统的光谱仪12内完成光电转换和光谱数据采集，再由计算机对采集的数据进行保存及分析处理，由计算机实现向激光器1的反馈和更新同步并控制三维移动平台的位置自动移动调节，最终实现了激光聚焦位置自动定位，有效克服了手动调焦的速度慢、精度低的问题，尤其是克服了样品表面平整度和反射率等不同时，导致LIBS系统激光聚焦位置不同，影响系统的检测稳定性的问题，实现了快速高精度的LIBS系统激光聚焦位置自动定位目的。
示例性地，如图3所示，激光器1发出的脉冲激光经过扩束系统2激光反射镜3和聚焦透镜5聚焦在置于三维移动平台上的样品6(示例性地选用冰铜样品)表面，激发样品产生等离子体8，等离子体产生的光经过收集透镜10和光纤11耦合进光谱仪12中实现光谱的光电转换和信号采集；将移动平台从初聚焦位置以第一步长上下移动一个区间距离(示例性地，第一步长步幅为5mm，采集次数为7次，7次对应的样品台高度分别为24cm、24.5cm、25cm、25.5cm、26cm、26.5cm、27cm)，并在各位置处采集指示激光在样品表面形成光斑的光谱强度；对比各位置处指示激光光斑的光谱强度，光谱强度最大时对应的位置即为脉冲激光初步聚焦位置，此时的粗定焦位置为样品台高度为25.5cm处。可选地将移动平台从初聚焦位置以第二步长上下移动一个区间距离(示例性地，第二步长步幅为1mm，采集次数为9次，9次对应的样品台高度分别为25.1cm、25.2cm、25.3cm、25.4cm、25.5cm、25.6cm、25.7cm、25.8cm、25.9cm)，并在各位置处采集指示激光在样品表面形成光斑的光谱强度；对比各位置处指示激光光斑的光谱强度，光谱强度最大时对应的位置即为脉冲激光的聚焦位置，如图4所示，此时精确定焦位置为样品台高度为25.6cm处；调节移动平台至聚焦位置处，结束自动聚焦过程。
首先通过较长步长多次移动调节样品台的位置，以快速高效定位LIBS系统激光初步聚焦位置，再根据初步聚焦位置，锁定的更小调节区间范围，在缩小的区间范围内经较小步长分多次调节，最终确定LIBS系统激光聚焦位置的定位。不仅加快了自动聚焦过程的速度，缩短自动聚焦过程的时间，提高了LIBS系统检测效率，还提高了LIBS系统激光聚焦位置定位的精确度，使LIBS系统检测适用于不同表面特性的样品，实现了简单、通用性较强的激光聚焦位置自动定位方法，提高LIBS系统光谱信号的稳定性和可靠性。
进一步地，示例性地，样品6可以为表面平整或不平整样品，指示激光器9为波长为532nm的半导体连续激光器，光斑直径约为3mm；聚焦透镜5的焦距f＝200mm，还可以设置光谱仪的光谱采集积分时间t＝10ms，采集平均次数N＝10。
本发明定位LIBS系统激光聚焦位置的方法中，可以根据样品表面的平整度灵活设定光谱仪的光谱采集积分时间t和平均次数，操作简单，高效方便，进一步保证了LIBS系统激光聚焦位置定位的自动化、高精度、快速的特点。
一种精确定位LIBS系统激光聚焦位置的系统，基于上述精确定位LIBS系统激光聚焦位置的方法，所述系统包括：
初始定位模块，用于通过调节样品表面与汇聚透镜的相对距离确定系统聚焦点的初始位置；
调节模块，调节指示激光的方向使指示激光光斑与所述初始位置重叠；
定位模块，用于移动样品位置，采集指示激光在样品表面形成光斑的光谱强度，确定最大光谱强度对应的位置即为系统激光聚焦位置。
进一步地，所述定位模块，用于移动样品位置，采集指示激光在样品表面形成光斑的光谱强度具体为：先以第一步长移动样品位置，并在各位置处采集指示激光在样品表面形成光斑的光谱强度，最大光谱强度对应的位置为系统激光初步聚焦位置；
再根据系统激光初步聚焦位置以第二步长移动样品位置，并在各位置处采集指示激光在样品表面形成光斑的光谱强度，最大光谱强度对应的位置为所述系统激光聚焦位置
进一步地，所述移动样品沿收集透镜的收集方向移动，所述移动样品位置之前，先设定光谱采集积分时间t、平均次数N和样品位移区间，单向移动。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (12)
1.一种精确定位LIBS系统激光聚焦位置的方法，其特征在于，包括以下步骤：
通过调节样品表面与汇聚透镜的相对距离确定系统聚焦点的初始位置；
调节指示激光的方向使指示激光光斑与所述初始位置重叠；
移动样品位置，采集指示激光在样品表面形成光斑的光谱强度，确定最大光谱强度对应的位置即为系统激光聚焦位置。
2.根据权利要求1所述的精确定位LIBS系统激光聚焦位置的方法，其特征在于，所述指示激光为LIBS系统中所用光谱仪波长覆盖范围内任意波长的激光光束。
3.根据权利要求1所述的精确定位LIBS系统激光聚焦位置的方法，其特征在于，所述移动样品位置，采集指示激光在样品表面形成光斑的光谱强度具体为：
先以第一步长移动样品位置，并在各位置处采集指示激光在样品表面形成光斑的光谱强度，最大光谱强度对应的位置为系统激光初步聚焦位置；
再根据系统激光初步聚焦位置以第二步长移动样品位置，并在各位置处采集指示激光在样品表面形成光斑的光谱强度，最大光谱强度对应的位置为所述系统激光聚焦位置，其中第一步长长于第二步长。
4.根据权利要求3所述的精确定位LIBS系统激光聚焦位置的方法，其特征在于，所述移动样品沿收集透镜的收集方向移动。
5.根据权利要求4所述的精确定位LIBS系统激光聚焦位置的方法，其特征在于，所述采集指示激光在样品表面形成光斑的光谱强度中，设定所述采集积分时间t、平均次数N和样品位移区间，并单向移动。
6.根据权利要求5所述的精确定位LIBS系统激光聚焦位置的方法，其特征在于，所述采集积分时间t为10ms，平均次数N为3-20。
7.根据权利要求1-6任一所述精确定位LIBS系统激光聚焦位置的方法，其特征在于，所述指示激光为波长为532nm的半导体连续激光。
8.根据权利要求1-6任一所述精确定位LIBS系统激光聚焦位置的方法，其特征在于，所述光斑的直径为1-5mm。
9.一种精确定位LIBS系统激光聚焦位置的系统，其特征在于，所述系统包括：
初始定位模块，用于通过调节样品表面与汇聚透镜的相对距离确定系统聚焦点的初始位置；
调节模块，用于调节指示激光的方向使指示激光光斑与所述初始位置重叠；
定位模块，用于移动样品位置，采集指示激光在样品表面形成光斑的光谱强度，确定最大光谱强度对应的位置即为系统激光聚焦位置。
10.根据权利要求9所述的精确定位LIBS系统激光聚焦位置的系统，其特征在于，所述定位模块，用于移动样品位置，采集指示激光在样品表面形成光斑的光谱强度具体为：
先以第一步长移动样品位置，并在各位置处采集指示激光在样品表面形成光斑的光谱强度，最大光谱强度对应的位置为系统激光初步聚焦位置；
再根据系统激光初步聚焦位置以第二步长移动样品位置，并在各位置处采集指示激光在样品表面形成光斑的光谱强度，最大光谱强度对应的位置为所述系统激光聚焦位置，其中第一步长长于第二步长。
11.根据权利要求10所述的精确定位LIBS系统激光聚焦位置的系统，其特征在于，所述移动样品沿收集透镜的收集方向移动。
12.根据权利要求11所述的精确定位LIBS系统激光聚焦位置的系统，其特征在于，所述移动样品位置之前，先设定光谱采集积分时间t、平均次数N和样品位移区间，单向移动。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: 230088 production building 1, No. 228, Wanshui Road, high tech Zone, Hefei, Anhui Applicant after: Hefei Jinxing Intelligent Control Technology Co.,Ltd. Address before: 230088 production building 1, No. 228, Wanshui Road, high tech Zone, Hefei, Anhui Applicant before: HEFEI GOLD STAR MECHATRONICS TECHNICAL DEVELOPMENT Co.,Ltd. |
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| CB02 | Change of applicant information |