CN114544597A

CN114544597A - 基于不同时域双激光光束libs光谱谱线增强系统

Info

Publication number: CN114544597A
Application number: CN202210305743.4A
Authority: CN
Inventors: 郭帅; 马征; 赵晓昱
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2022-03-24
Filing date: 2022-03-24
Publication date: 2022-05-27

Abstract

本发明涉及一种基于纳秒‑飞秒双激光光束激光诱导等离子体谱(LIBS)光谱谱线增强系统，属于激光等离子体光谱检测领域。其特征在于该系统利用两束不同时域激光对样品进行激发，产生等离子体。通过延时器，控制两激光器的出光时间，使得飞秒激光器比纳秒激光器的触发时间滞后100‑200μs，借助飞秒激光的二次持续激发，达到增强LIBS光谱谱线的效果。系统中还包含三维移动平台、对聚焦模块及光谱仪，可实现样品点的自动对焦、二维平面的移动以及同步谱采集。该增强系统结构清晰、操作简便、可以多点采样并大幅度提高等离子体光谱信号强度，适合对样品中微量元素的检测，提高检测的检测限及定量检测结果，有利于LIBS技术在煤质、药品检测等多个领域中的应用。

Description

基于不同时域双激光光束LIBS光谱谱线增强系统

技术领域

本发明涉及一种基于不同时域双激光光束LIBS光谱谱线增强系统，属于激光等离子体光谱检测领域。

技术背景

激光诱导击穿光谱(Laser-Induced Breakdown Spectroscopy,LIBS)采用聚焦的高能量脉冲激光入射到样品的表面产生等离子体,通过分析该等离子体的辐射光谱,从而推导出样品的元素组成成分及含量。LIBS技术具有很多显著优点：可同时检测多种元素,样品制备简单或无需制备,被分析样品几乎无损,可以实时分析,原位探测和远程探测等。目前该技术已成功应用于高危险的化学和生物分析、地质勘探、艺术品的检测以及深空探测等众多领域。

由于激光烧蚀物质产生等离子体的过程中，分子连续谱造成了较大的基体效应，在实际应用中，由于背景干扰大，LIBS有着元素检出极限差别较大、元素检出限高导致探测灵敏度差的局限性，并且LIBS光谱谱线强度与元素含量相关，含量较低的元素光谱谱线弱，导致谱线分辨困难，容易造成误判。针对以上LIBS的不足，诸多关于LIBS的研究致力于探索激光诱导等离子体产生机理，以增强LIBS的物质特征信号强度，改善LIBS检测的灵敏度和精度为重点研究方向。增强LIBS光谱谱线强度将是改善LIBS功能，拓宽LIBS应用的重大突破点。

为了提高LIBS探测信号的强度，国内外都做了一些比较典型的系统改进及研究。放电增强装置使等离子体在局域放电的环境中，对激光诱导产生的等离子体产生二次激发；空间约束装置使得等离子体内部温度增大并变得更亮，从而释放出更强的原子、离子光谱；但两类都存在着结构复杂、操作繁琐且增强效果有限的不足。对比之下，不同时域的双脉冲激发是一种可改进激光等离子体光谱谱线分辨率及增强效果的方法，通过时序控制，使超连续fs激光连续作用，对产生的等离子体产生稳定的二次激发，明显提高激光诱导等离子体光谱谱线强度。

发明内容

本发明提出一种结构精简、便于操作并且可以明显增强LIBS光谱谱线强度的不同时域双脉冲激发系统。

本发明实现其目的的技术方案是：

本发明的基于不同时域双激光光束LIBS光谱谱线增强系统，包括两个脉冲激光器、皮秒分辨率延时器、光纤光谱仪、特制真空样品室、三维移动平台、聚焦透镜、反射镜、可调节的光纤光学接收系统、气体压力表、真空泵；

所述脉冲激光器为纳秒和飞秒激光器且分别于与延时器连接。

所述纳秒激光器放置于真空样品室左上端；通过调节反射镜角度，使得纳秒激光器出射的激光反射进入激光入射窗口；聚焦透镜位于激光入射窗口正对光路上，低于反射镜放置，使得反射镜反射而来的激光可进入真空腔室内并聚焦在样品表面。

所述飞秒激光器放置于真空样品室正上方，激光出射口竖直向下，与圆柱形样品室中轴共线，使其激光可垂直射入激光入射窗口并聚焦在样品表面。

所述三维移动平台位于特制真空样品室内，通过与距离传感器的闭环连接，可以自动完成样品对焦。

所述可调节的光纤光学接收系统连接特制真空样品室与光谱仪，可以实时采集检测LIBS谱线信号。

所述可调节的光纤光学接收系统包括：光纤聚焦透镜和光纤探头。

所述特制真空样品室为一圆柱形金属腔室，顶部存在位于一条直径上的三个端口，且等距对称分布；三端口依次为纳秒激光入射窗口，飞秒激光入射窗口，光谱接收耦合窗口；纳秒激光入射窗口、光谱接收耦合窗口相对夹角分别为135°和45°；纳秒激光入射窗口处有一圆状的聚焦透镜。样品室下部有出气口，并连接气体压力表与真空泵，可使腔室内气压保持在10mtoor左右。

运用本发明的激光诱导击穿光谱检测装置工作过程如下：

第一步，启动真空泵，特制真空样品室内抽真空，并保持气压为10mtoor。

第二步，三维移动平台自动对焦，使得样品位于两束激光交点处。

第三步，纳秒脉冲激光器发射出第一束脉冲激光，经反射镜后，通过聚焦透镜，斜入射聚焦到真空腔室内三维移动平台上的样品，产生等离子体，完成第一次激发。

第四步，通过时序控制器调控，使飞秒脉冲激光器在纳秒脉冲激光器触发后100-200μs的时间间隔内发射出第二束脉冲激光，通过飞秒激光入射窗口的激光，垂直入射聚焦到三维移动平台上的样品，完成对产生等离子体的二次激发。在近真空环境中，经过延时控制的不同时域双激光光束激发，物质等离子体的光谱信号强度获得了增强。

第五步，利用可调节的光纤光学接收系统，最大化接收发光光谱。

第六步，利用三维移动平台的移动，可以换取样品表面的不同位置进行激发，另行记录光谱数据，每次取样将取样品不同位置共20个点，重复上述五步。

第七步，对采集到的光谱数据和等离子体图像数据进行分析，和元素原始谱比对，给出定性和定量分析。

本发明利用双激光光束LIBS光谱谱线增强系统进行激光诱导等离子体光谱检测具有如下优点：

第一，本发明的基于不同时域双激光光束LIBS光谱谱线增强系统，利用双激光光束延时顺次激发，使得激光诱导等离子体光谱谱线分辨率及增强效果显著提高，大大提高了LIBS的检测信号强度，从而进一步降低物质元素的检出限，提高了光谱检测灵敏度。拓宽了LIBS光谱的应用，有利于LIBS光谱对于微量元素的定性定量测量，可以在煤质检测、药品检测行业得到更好的应用。

第二，本发明的基于不同时域双激光光束LIBS光谱谱线增强系统，采用三维移动平台与距离传感器的闭环连接，实现样品的自动对焦并换取样品表面不同位置激发，简化操作，且对单一样品进行多点检测，有效防止样品不均匀带来的误差与漏判，提高检测结果可信度。

第三，将三维移动平台固定在样品室内，且样品室可以密封，并装有气压计和真空泵，使得该样品室可以实现不同环境条件下的等离子体光谱测量。

第四，整个系统结构简单、原理明了、操作简便，方便作业。

第五，可以人为自由控制和计算机编程控制，灵敏度更高。

附图说明

图1是本发明的基于双激光光束LIBS光谱谱线增强系统的示意图；其中体压力表、真空泵未在图中体现；

图2是经过本系统检测之后的煤饼光学图片，黑色圆孔为在煤饼上的双激光聚焦采样点。

图3是传统单脉冲激光诱导击穿光谱得到的光谱图；

图4是利用本发明的基于不同时域双激光光束LIBS光谱谱线增强系统的激光诱导击穿光谱得到的光谱图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细的说明。

如图1所示，特制的真空样品室顶部存在着纳秒激光入射窗口6、飞秒激光入射窗口9及光谱收集耦合窗口8，三者等距对称分布于真空腔顶面。激光入射口6与激光出射口8分别与真空腔体中心轴呈135°与45°夹角。在激光入射口6上方存在聚焦透镜与反射镜，可将从纳秒激光器2出射的激光反射并聚焦，从激光入射窗口6进入样品室中。飞秒脉冲激光器3发射的激光可通过激光入射口9处存在的聚焦透镜垂直入射进入样品室中。

所述脉冲激光器2、3由延时控制器调控，实现飞秒脉冲激光器3的触发时间比飞秒脉冲激光器3的触发时间延后100-200μs。

所述样品台为电控三维移动平台，可同步三维移动，配合距离传感器实现自动对焦及移动样品，保证样品点处于两束激光交点处。

所述光谱仪的光纤光学接收系统中，光纤准直镜镜片具有偏振选择特性，该准直镜可以滤除杂散光的接受，增强光谱信号接收的信噪比。

运用本发明的激光诱导击穿光谱检测装置分析过程如下：

第一步，启动计算机控制软件，使两激光器、延时器、光谱仪、三维移动平台处于同步控制的工作状态。

第二步，激光器2发射第一束激光，打到反射镜上，经反射镜反射及聚焦透镜聚焦后，斜入射入样品室，打到样品表面，产生激光诱导等离子体。

第三步，激光器3经延时时序调控，在100-200μs后发射第二束激光，经过飞秒激光入射窗口上放的聚焦透镜聚焦后垂直入射在样品表面，对产生的等离子体实现二次激发。

第四步，由于延时的二次激发，对等离子体中的原子产生了二次激发，物质等离子体光的信号强度获得了显著的增强。

第五步，利用可调节的光纤光学接收系统，最大化接受发光光谱。

第六步，利用三维平移台的移动，可以换取样品表面的不同位置进行激发，另行记录光谱数据。每次取样将共取样品不同位置共20个点，重复上述五步。

实验选取煤饼样品，放置于样品台。实际测量时，采用纳秒激光能量为90mJ，飞秒激光功率为5W进行激发样品产生等离子体，使用三维平移台移动样品，选取不同点进行不同光谱采集。最后，如图2所示，选取20组光谱数据平均处理作为一次测量值。

相比传统的单脉冲激光诱导击穿光谱得到光谱图，如示意图3所示，采用本发明提供的基于双激光光束LIBS光谱谱线增强系统，可以获得更强的等离子体光谱图，如示意图4所示，计算得，特征原子谱线的光谱信号增强5-6倍。

总之，在单脉冲激光诱导击穿光谱检测灵敏度低的情况下，本发明提供的基于不同时域双激光光束LIBS光谱谱线增强系统，能够产生增强的信号，且结构简单，操作简单。检测结果可信度高，稳定性好。该系统在物质元素的检测方面具有好的应用价值。

Claims

1.基于不同时域双激光光束LIBS光谱谱线增强系统，其特征在于该系统的两个脉冲激光器由延时器调控，使得飞秒脉冲激光器比纳秒脉冲激光器触发时间延后100-200μs的时间间隔，并且光路由特制的真空样品室限制，该装置包括纳秒脉冲激光器、皮秒分辨率时序控制器、多级宽光谱采集光谱仪、特制的真空样品室、光纤光学收集组件、反射镜、聚焦透镜，样品室内含有三维移动平台。

2.根据权利要求1所述的三维移动平台，其特征在于三个维度的位移控制精度为1μm，量程为10mm。与光学距离传感器形成闭环连接，可以实现样品的自动对焦及对样品多点采样检测。

3.根据权利要求1所述的基于不同时域双激光光束LIBS光谱谱线增强系统，其特征在于：所述特制的真空样品室主体为一直径250mm，高400mm的圆柱形合金空腔，可由中间打开或密封，上表面沿直径等距分布三个端口，依次为纳秒激光入射窗口、飞秒激光入射窗口、光谱收集耦合窗口。

4.根据权利要求2所述的特制的真空样品室，其特征在于：所述的纳米激光入射窗口、光谱收集耦合口的相对夹角分别为135°和45°；纳秒激光入射口外有一熔融石英材质的激光聚焦透镜。

5.根据权利要求2所述的特制的真空样品室，其特征在于：所述样品室底部侧壁具有出气口，连接气体压力表及真空泵，可在密封条件下保持样品室内为10mtoor。

6.根据权利要求1所述的纳秒脉冲激光器为脉宽3-5ns Nd:YAG脉冲激光器，输出波长为1064nm，光斑直径6mm，最大能量200mJ@1064nm。飞秒激光器为重复频率40MHz，脉宽为160fs，输出波长为1064nm，最大能量20W@1064nm。

7.根据权利要求1所述的延时器，分辨率为5ps，通道之间的抖动小于50ps。

8.根据权利要求1所述的多级宽光谱采集光谱仪为，光谱仪分辨率为0.1nm。