CN114486856A - 一种高重频辅助烧蚀激光诱导击穿光谱气溶胶检测装置 - Google Patents

一种高重频辅助烧蚀激光诱导击穿光谱气溶胶检测装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高重频辅助烧蚀激光诱导击穿光谱气溶胶检测装置，该检测装置包括：气溶胶束产生部件，用于将待测气溶胶进行收缩产生气溶胶束；辅助烧蚀部件，用于将高重频激光聚焦在气溶胶束处，持续激发气溶胶束中的气溶胶粒子预先形成等离子体；高能量激发部件，用于将高能量脉冲激光在等离子体处，使高能量脉冲激光在击穿空气之前激发等离子体；光谱信息采集部件，用于采集激发后的等离子体发出的光辐射，并获取光辐射的光谱信息；数据处理部件，用于时序控制高能量脉冲激光的输出和光辐射的采集，并将光谱信息进行处理后得到待测气溶胶的元素组成及各元素含量信息。本发明能有效提高激光能量利用率，并提高气溶胶元素在检测中的灵敏度。

Description

一种高重频辅助烧蚀激光诱导击穿光谱气溶胶检测装置
技术领域
本发明属于气溶胶检测技术与光谱分析领域，更具体地，涉及一种高重频辅助烧蚀激光诱导击穿光谱气溶胶检测装置。
背景技术
气溶胶是一种特殊的分散体系，其分散质为固态或液态的微小颗粒，粒径范围在0.01-1000μm。由于其粒径较小，能够长时间存在于空气中，并可以随气团长距离传输，在地区气候，环境污染，人体健康等方面有重要影响。因此，对气溶胶浓度和种类的检测是环境监测的重要组成部分，具有重要意义。
常规用于气溶胶原位检测的技术主要有气相色谱-质谱法(GC-MS)、原子吸收光谱法(AAS)、离子色谱法(IC)等。但这些技术都存在制样复杂，无法实现快速、原位分析的缺点，不适用于气溶胶的原位在线检测。
激光诱导击穿光谱(laser-induced breakdown spectroscopy，LIBS)是一种原子发射光谱技术。LIBS技术将高能量的脉冲激光聚焦到样品表面，高能量密度的激光烧蚀微量样品后形成等离子体，在等离子体冷却的过程中，各种元素的粒子从高能态跃迁到低能态时会发射相应的特征谱线，通过采集等离子体的光辐射，分析其中的特征谱线可以得到样品的元素组成及含量信息，从而实现对气溶胶粒子的定性和定量分析。相比较于其他气溶胶原位分析技术，LIBS技术通常不要求对样品进行预处理，可同时通过光谱分析多个元素的特征谱线，因此具有快速、原位在线、微损、多元素分析、远程等优势。基于上述优势，LIBS技术广泛应用于环境监测、食品安全、矿产勘探、太空探测、海洋探测等领域。
在LIBS技术中，激光与物质的相互作用形成等离子体的过程直接决定了等离子体的光谱信号。激光与物质的相互作用主要可以分为，被测样品吸收激光能量，物质离解，等离子体膨胀和扩散，激光诱导等离子体辐射，等离子体冷却等过程。当LIBS技术用于气溶胶在线检测时，需要将激光聚焦在气溶胶束位置，由于气溶胶束中气溶胶粒子数浓度较低，气溶胶束透过率较高，在激光与含气溶胶粒子的气流相互作用早期，尚未形成等离子体，此时物质对激光的吸收较少，一部分能量未被等离子体吸收，直接透过，导致一部分激光能量的浪费，激光能量饱和时直接透过能量高达单脉冲能量的20％，在使用激光能量较低时透过激光能量占比更高；当激光能量较高时，由于能量密度超过了空气的击穿阈值，导致大量激光能量被空气吸收，只有剩余的少部分能量被待测的气溶胶粒子吸收，导致产生的等离子体中气溶胶粒子对应元素光谱信号较弱，而空气对应元素光谱信号较强，导致气溶胶元素在检测在灵敏度差的问题。
因此，如何解决现有激光诱导击穿光谱气溶胶检测装置中激光能量利用率低以及检测灵敏度差的问题是亟需解决的问题。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种高重频辅助烧蚀激光诱导击穿光谱气溶胶检测装置，能有效提高激光能量利用率，并提高气溶胶元素在检测中的灵敏度。
为实现上述目的，本发明提供了一种高重频辅助烧蚀激光诱导击穿光谱气溶胶检测装置，包括：
气溶胶束产生部件，用于将待测气溶胶进行收缩产生气溶胶束；
辅助烧蚀部件，用于输出高重频激光，并将所述高重频激光聚焦在所述气溶胶束处，持续激发所述气溶胶束中的气溶胶粒子预先形成等离子体；
高能量激发部件，用于输出高能量脉冲激光，并将所述高能量脉冲激光在所述等离子体处，使所述高能量脉冲激光在击穿空气之前激发所述等离子体；
光谱信息采集部件，用于在所述高能量脉冲激光输出的同时，采集激发后的所述等离子体发出的光辐射，并获取所述光辐射的光谱信息；
数据处理部件，用于时序控制所述高能量脉冲激光的输出和所述光辐射的采集，并将所述光谱信息进行处理后得到所述待测气溶胶的元素组成及各元素含量信息。
相比于现有的激光诱导击穿光谱气溶胶检测装置，本发明提供的高重频辅助烧蚀激光诱导击穿光谱气溶胶检测装置，增设有辅助烧蚀部件，利用高重频激光激发气溶胶束预先形成持续的微弱等离子体，可减少在等离子体形成前，另一主要的高能量脉冲激光直接透过的能量，可提高激光能量利用率；同时利用弱等离子体提前吸收高能量脉冲激光的能量，在空气击穿点之前，使激光能量主要被弱等离子体吸收，从而有效提高待测气溶胶粒子形成的等离子体辐射出的各元素特征谱线强度，进而提高气溶胶元素检测中的灵敏度，确保检测精度。
在其中一个实施例中，所述气溶胶束产生部件采用气溶胶浓缩器，所述气溶胶浓缩器的喷气口设置在一密闭的气室中。
在其中一个实施例中，所述气溶胶束产生部件还包括鞘式空气聚焦件，所述鞘式空气聚焦件的喷气通道围设在所述气溶胶浓缩器的喷气通道上，且所述鞘式空气聚焦件的喷气口与所述气溶胶浓缩器的喷气口齐平设置；
其中，所述鞘式空气聚焦件用于在所述气溶胶浓缩器喷出的气溶胶束外围平行喷出保护鞘气。
在其中一个实施例中，所述气溶胶束产生部件还包括抽气泵，所述抽气泵的抽气口与所述气室的内腔相连通。
在其中一个实施例中，所述辅助烧蚀部件包括高重频光纤激光器和第一聚焦透镜，所述第一聚焦透镜安装在所述气室的一侧壁上，所述第一聚焦透镜的中心和所述高重频光纤激光器输出的激光光轴对准设置；
其中，所述高重频光纤激光器用于持续输出高重频激光；所述第一聚焦镜用于将所述高重频激光聚焦在所述气溶胶束处，使所述高重频激光持续激发所述气溶胶束中的气溶胶粒子预先形成等离子体。
在其中一个实施例中，所述高能量激发部件包括高能量脉冲激光器和第二聚焦透镜，所述第二聚焦透镜安装在所述气室的另一侧壁上，所述第二聚焦透镜的中心和所述高能量脉冲激光器输出的激光光轴对准设置；
其中，所述高能量脉冲激光器用于输出高能量脉冲激光；所述第二聚焦透镜用于将所述高能量脉冲激光聚焦在所述等离子体处，且通过调节所述高能量脉冲激光器与所述第二聚焦透镜的位置使所述高能量脉冲激光在击穿空气点之前聚焦在所述等离子体处，激发所述等离子体。
在其中一个实施例中，所述高能量脉冲激光器采用单脉冲能量大于100mJ的高能量脉冲激光器。
在其中一个实施例中，所述光谱信息采集部件包括二向色镜、采集透镜、光纤和光谱仪，所述二向色镜设置在所述高重频光纤激光器和所述第一聚焦透镜之间，所述二向色镜分别与所述高重频光纤激光器输出的激光光轴夹角、所述采集透镜的夹角为45°；
其中，所述二向色镜用于透过所述高重频光纤激光器输出的高重频激光，并反射激发后的所述等离子体的光辐射；所述采集透镜用于将所述光辐射聚焦在所述光纤的端面上，并通过所述光纤传输至所述光谱仪；所述光谱仪用于将所述光辐射进行处理得到激发后的所述等离子体的光谱信息。
在其中一个实施例中，所述二向色镜采用长波通矩形二向色镜。
在其中一个实施例中，所述采集透镜采用紫外熔融石英平凸透镜。
附图说明
图1是本发明一实施例提供的高重频辅助烧蚀激光诱导击穿光谱气溶胶检测装置的部件框图；
图2是本发明一实施例提供的高重频辅助烧蚀激光诱导击穿光谱气溶胶检测装置的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有的激光诱导击穿光谱气溶胶检测装置存在激光能量利用率低以及检测灵敏度差的问题，本发明提供了一种高重频辅助烧蚀激光诱导击穿光谱气溶胶检测装置，如图1所示，该气溶胶检测装置包括气溶胶束产生部件10、辅助烧蚀部件20、高能量激发部件30、光谱信息采集部件40和数据处理部件50。
其中，气溶胶束产生部件10，用于将待测气溶胶进行收缩产生气溶胶束。
辅助烧蚀部件20，用于输出高重频(高重复频率)激光，并将高重频激光聚焦在气溶胶束处，持续激发气溶胶束中的气溶胶粒子预先形成微弱的等离子体。
高能量激发部件30，用于输出高能量脉冲激光，并将高能量脉冲激光聚焦在微弱的等离子体处，使高能量脉冲激光在击穿空气之前被上述微弱的等离子体吸收，激发微弱的等离子体形成强等离子体。
光谱信息采集部件40，用于在高能量脉冲激光输出的同时，采集强等离子体发出的光辐射(简称强等离子体光)，并获取强等离子体光的光谱信息。
数据处理部件50，一方面用于时序控制高能量脉冲激光的输出和强等离子体光的采集，保证光谱信息采集部件40获取到最佳的强等离子光的光谱信息；另一方面用于将该光谱信息进行处理后得到待测气溶胶的元素组成及各元素含量信息。
相比于现有的激光诱导击穿光谱气溶胶检测装置，本发明提供的高重频辅助烧蚀激光诱导击穿光谱气溶胶检测装置增设有辅助烧蚀部件10，利用高重频激光激发气溶胶束预先形成持续的微弱等离子体，可减少在等离子体形成前，另一主要的高能量脉冲激光直接透过的能量，可提高激光能量利用率；同时利用弱等离子体提前吸收高能量脉冲激光的能量，在空气击穿点之前，使激光能量主要被弱等离子体吸收，从而有效提高待测气溶胶粒子形成的等离子体辐射出的各元素特征谱线强度，进而提高气溶胶元素检测中的灵敏度，确保检测精度。
在一个实施例中，如图2所示，气溶胶束产生部件10可采用本领域常用的气溶胶浓缩器12，用于将待测气溶胶收缩形成极细的气溶胶束。为防止外部气流对气溶胶束造成影响，本实施例可将气溶胶浓缩器12的喷气口设置在一密闭的气室14中。
进一步地，本实施例提供的气溶胶束产生部件还可包括鞘式空气聚焦件16，鞘式空气聚焦件16的喷气通道围设在气溶胶浓缩器12的喷气通道上，且鞘式空气聚焦件16的喷气口与气溶胶浓缩器12的喷气口齐平设置。
在本实施例中，鞘式空气聚焦件16可在气溶胶浓缩器喷出的气溶胶束外围平行喷出保护鞘气，减小气溶胶束的发散角。同时，还可在气溶胶束产生部件10中设置一抽气泵18，该抽气泵18的抽气口与气室14的内腔相连通，可抽取气室14内多余的气流，一方面可避免前一时刻的气溶胶粒子对后续气溶胶粒子的检测造成影响，另一方面可避免气室14气压过高造成的安全隐患。
在一个实施例中，辅助烧蚀部件20包括一持续输出高重频激光的高重频光纤激光器22和一聚焦透镜24，聚焦透镜24安装在气室14的一侧壁上，聚焦透镜24的中心和高重频光纤激光器22输出的激光光轴对准设置。
在本实施例中，高重频光纤激光器能输出频率最高达4MHz、能量最大达1.6mJ的高重频激光。高重频光纤激光器输出的高重频激光通过聚焦透镜24聚焦后对准气溶胶束，可激发气溶胶束中的气溶胶粒子预先形成持续的微弱的等离子体。
在一个实施例中，高能量激发部件30包括一输出高能量脉冲激光的高能量脉冲激光器32和一聚焦透镜34，聚焦透镜34安装在气室14的另一侧壁上，聚焦透镜34的中心和高能量脉冲激光器32输出的激光光轴对准设置。
在本实施例中，高能量脉冲激光器32输出的高能量脉冲激光通过聚焦透镜34聚焦后经过高重频光纤激光器形成的微弱等离子体时，被微弱的等离子体大量吸收，在微弱等离子体处进一步电离气溶胶粒子形成强等离子体，只有少量能量透过。
其中，本实施例提供的高能量脉冲激光器32能输出大于100mJ的高能量脉冲激光。具体地，高能量脉冲激光器32输出的能量大小可根据采用聚焦透镜34的类型以及尺寸进行相应选择。例如，当聚焦透镜34采用一孔径25.4mm、焦距50mm的紫外熔融石英平凸透镜时，该高能量脉冲激光器32可选用法国Quantel公司的Q-smart850激光器,调整其输出能量为200mJ、输出激光波长为1064nm、激光频率为10Hz。
进一步地，考虑到较高的激光能量会导致脉冲激光在达到聚焦透镜焦点前，先达到空气的击穿阈值，导致大部分能量被空气吸收，造成激光能量用于激发气溶胶粒子的能量较小，造成激光能量利用率较低的问题。
对此，本实施例可通过合理设置高能量脉冲激光器32与聚焦透镜34的相对位置，使高能量脉冲激光器32输出的高能量脉冲激光在击穿空气之前被微弱的等离子体吸收，避免等离子形成前激光的透过和击穿空气所导致的能量浪费，有效提高能量利用率，进而提高光谱强度。其中，空气击穿点位置与脉冲激光宽度、脉冲激光能量、所用聚焦透镜34有关，可通过实验进行确定。
在一个实施例中，光谱信息采集部件40包括二向色镜42、采集透镜44、光纤46和光谱仪48，二向色镜42设置在高重频光纤激光器22和聚焦透镜24之间，二向色镜42分别与高重频光纤激光器22输出的激光光轴夹角、采集透镜44的夹角为45°。
在本实施例中，二向色镜42设置在高重频光纤激光器22和聚焦透镜24之间，高重频光纤激光器22输出的高重频激光可透过二向色镜42，被聚焦透镜24聚焦对准在气溶胶束处，使气溶胶束中的气溶胶粒子吸收能量预先形式持续微弱的等离子体。同时高能量脉冲激光器32输出的高能量脉冲激光通过聚焦透镜34聚焦对准预先形成的微弱等离子体处，以便于使预先形成的微弱等离子体吸收高能量脉冲激光，且使高能量脉冲激光不经过气溶胶束，减少气溶胶束对激光的无用吸收。微弱等离子体吸收高能量脉冲激光后形成强等离子体，强等离子体发出的光辐射(简称强等离子体光)通过聚焦透镜24准直后，被二向色镜42反射，再通过采集透镜44聚焦在光纤46的端面上，并通过光纤46传输至光谱仪48。
具体地，采集透镜44和聚焦透镜24均可采用一孔径25.4mm、焦距50mm的紫外熔融石英平凸透镜。二向色镜42可采用一长波通矩形二向色镜，具体尺寸可以为36.0mm×25.0mm，对高于950nm波长的光透过，低于950nm波长的光反射。
本实施例提供的光谱仪48，用于将强等离子体光进行本领域常用的处理方式，比如进行准直、光栅分光、聚焦到其内的成像器件上，然后再通过解析后，得到强等离子体的光谱信息。具体地，该光谱仪48可采用德国LTB公司Aryelle200中阶梯光谱仪，其波长分辨率可达0.06nm，检测波长范围为200～900nm。中阶梯光谱仪能够得到宽波段的高分辨率光谱信息，配合增强型电荷耦合器件(ICCD)可对采集到的等离子体光谱信号进行放大，对很弱的等离子体光信号也能得到可识别的特征谱线信息。
在一个实施例中，数据处理部件50可采用本领域常用的处理器，处理器包含时序控制单元和光谱信息处理单元。处理器分别与高重频光纤激光器22、高能量脉冲激光器32、光谱仪48电连接。
本实施例提供的数据处理部件50的工作原理为：处理器预先触发高重频光纤激光器22持续输出高重频激光，激发气溶胶束形成微弱的等离子体；随后，处理器中的时序控制单元触发高能量脉冲激光器32输出高能量脉冲激光，激发微弱的等离子体形成强等离子体；处理器中的时序控制单元在触发高能量脉冲激光器32输出高能量脉冲激光的同时，触发光谱仪48对强等离子体发出的光辐射进行时序采集。处理器中光谱信息处理单元则用于获取并分析光谱仪48处理光辐射得到的光谱信息，从而得到气溶胶粒子的元素组成或物质分类。
需要说明的是，处理器中时序控制单元在对高能量脉冲激光器32进行触发时，需满足：高能量脉冲激光器32接收到触发信号到其输出高能量脉冲激光的延迟时间抖动小于10ns。且处理器中时序控制单元在对光谱仪48进行触发时，需满足：光谱仪48接收到触发信号到其开始采集光辐射的延迟时间抖动小于10ns。
具体地，数据处理部件50可对光谱仪48得到的光谱信息进行去噪，去背景，谱峰拟合等本领域常用的数据处理操作，得到较为理想的光谱，并据此得到气溶胶中元素组成及各元素含量信息。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高重频辅助烧蚀激光诱导击穿光谱气溶胶检测装置，其特征在于，包括：
气溶胶束产生部件，用于将待测气溶胶进行收缩产生气溶胶束；
辅助烧蚀部件，用于输出高重频激光，并将所述高重频激光聚焦在所述气溶胶束处，持续激发所述气溶胶束中的气溶胶粒子预先形成等离子体；
高能量激发部件，用于输出高能量脉冲激光，并将所述高能量脉冲激光在所述等离子体处，使所述高能量脉冲激光在击穿空气之前激发所述等离子体；
光谱信息采集部件，用于在所述高能量脉冲激光输出的同时，采集激发后的所述等离子体发出的光辐射，并获取所述光辐射的光谱信息；
数据处理部件，用于时序控制所述高能量脉冲激光的输出和所述光辐射的采集，并将所述光谱信息进行处理后得到所述待测气溶胶的元素组成及各元素含量信息。
2.根据权利要求1所述的高重频辅助烧蚀激光诱导击穿光谱气溶胶检测装置，其特征在于，所述气溶胶束产生部件采用气溶胶浓缩器，所述气溶胶浓缩器的喷气口设置在一密闭的气室中。
3.根据权利要求2所述的高重频辅助烧蚀激光诱导击穿光谱气溶胶检测装置，其特征在于，所述气溶胶束产生部件还包括鞘式空气聚焦件，所述鞘式空气聚焦件的喷气通道围设在所述气溶胶浓缩器的喷气通道上，且所述鞘式空气聚焦件的喷气口与所述气溶胶浓缩器的喷气口齐平设置；
其中，所述鞘式空气聚焦件用于在所述气溶胶浓缩器喷出的气溶胶束外围平行喷出保护鞘气。
4.根据权利要求2所述的高重频辅助烧蚀激光诱导击穿光谱气溶胶检测装置，其特征在于，所述气溶胶束产生部件还包括抽气泵，所述抽气泵的抽气口与所述气室的内腔相连通。
5.根据权利要求2所述的高重频辅助烧蚀激光诱导击穿光谱气溶胶检测装置，其特征在于，所述辅助烧蚀部件包括高重频光纤激光器和第一聚焦透镜，所述第一聚焦透镜安装在所述气室的一侧壁上，所述第一聚焦透镜的中心和所述高重频光纤激光器输出的激光光轴对准设置；
其中，所述高重频光纤激光器用于持续输出高重频激光；所述第一聚焦镜用于将所述高重频激光聚焦在所述气溶胶束处，使所述高重频激光持续激发所述气溶胶束中的气溶胶粒子预先形成等离子体。
6.根据权利要求2所述的高重频辅助烧蚀激光诱导击穿光谱气溶胶检测装置，其特征在于，所述高能量激发部件包括高能量脉冲激光器和第二聚焦透镜，所述第二聚焦透镜安装在所述气室的另一侧壁上，所述第二聚焦透镜的中心和所述高能量脉冲激光器输出的激光光轴对准设置；
其中，所述高能量脉冲激光器用于输出高能量脉冲激光；所述第二聚焦透镜用于将所述高能量脉冲激光聚焦在所述等离子体处，且通过调节所述高能量脉冲激光器与所述第二聚焦透镜的位置使所述高能量脉冲激光在击穿空气点之前聚焦在所述等离子体处，激发所述等离子体。
7.根据权利要求6所述的高重频辅助烧蚀激光诱导击穿光谱气溶胶检测装置，其特征在于，所述高能量脉冲激光器采用单脉冲能量大于100mJ的高能量脉冲激光器。
8.根据权利要求5所述的高重频辅助烧蚀激光诱导击穿光谱气溶胶检测装置，其特征在于，所述光谱信息采集部件包括二向色镜、采集透镜、光纤和光谱仪，所述二向色镜设置在所述高重频光纤激光器和所述第一聚焦透镜之间，所述二向色镜分别与所述高重频光纤激光器输出的激光光轴夹角、所述采集透镜的夹角为45°；
其中，所述二向色镜用于透过所述高重频光纤激光器输出的高重频激光，并反射激发后的所述等离子体的光辐射；所述采集透镜用于将所述光辐射聚焦在所述光纤的端面上，并通过所述光纤传输至所述光谱仪；所述光谱仪用于将所述光辐射进行处理得到激发后的所述等离子体的光谱信息。
9.根据权利要求8所述的高重频辅助烧蚀激光诱导击穿光谱气溶胶检测装置，其特征在于，所述二向色镜采用长波通矩形二向色镜。
10.根据权利要求8所述的高重频辅助烧蚀激光诱导击穿光谱气溶胶检测装置，其特征在于，所述采集透镜采用紫外熔融石英平凸透镜。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115406837A (zh) * 2022-11-02 2022-11-29 南京信息工程大学 一种大气颗粒物中元素在线检测装置

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