CN115615979A - 一种激光聚焦与等离子体发射光收集的光学系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于激光诱导击穿光谱检测领域，具体说是一种激光聚焦与等离子体发射光收集的光学系统。包括：收集镜组、聚焦镜组以及顺次设置的前置扩束镜组、锥面整形镜组、反射镜组；前置扩束镜组将激光束扩束设定倍数，压缩激光束发散角，扩束以后的激光束入射至锥面整形镜组；锥面整形镜组，将经过扩束的激光束均分成环形，把激光束整形成圆环状后平行出射至反射镜组；反射镜组将入射的环形激光束反射至聚焦镜组；收集镜组与聚焦镜组同轴设置，对入射平行的环形激光束进行直径压缩并收集于光纤中。本发明通过中心开孔与透镜组仅外环镀激光增透膜的方式，解决了紫外光无法传输的问题，提高了等离子体发射光的收光效率。
Description
技术领域
本发明属于激光诱导击穿光谱检测领域，具体说是一种激光聚焦与等离子 体发射光收集的光学系统及方法。
背景技术
激光诱导击穿光谱(LIBS)检测技术是一种以脉冲激光作为激发光源激发 物质形成等离子体，再通过收集等离子体发射光来分析物质化学成分中所含元 素种类和含量的发射光谱分析技术。该技术具有检测快速、不需要接触样品、 可在线检测、可同时检测多种元素等优点，因此该技术已经应用到航天、水下、 冶金、能源等领域，尤其在工业过程在线分析中具有很好的应用前景。
但是，在现有的LIBS光学系统中，大部分未考虑200nm以下发射光的有 效传输问题，而常规光学元件和光学膜层对于200nm以下的紫外段光透过率和 反射率普遍较低，甚至收集不到，限制了LIBS技术对于发射紫外光的元素的探 测能力，例如钢铁里面关键的碳(C)、磷(P)、硫(S)等元素。也有部分技 术虽然提出了低于200nm发射光的耦合方案，即通过在反射镜中间开孔的形式 发射激光，并让收集的紫外光穿过，但同时在中间开孔部位也损失了激光中心 部分的能量。由于激光光束中心处的能量密度最高，损失掉中心能量后不仅导 致聚焦效果急剧下降，而且穿过孔洞的激光还存在激光泄露危险，需要额外防 护。鉴于现有技术存在的以上问题，束缚了LIBS技术在钢铁行业的广泛应用。
发明内容
本发明目的是提供一种激光聚焦与等离子体发射光收集同轴高效耦合光学 系统，避免了激光中心处能量损失，在提高激光束聚焦能量密度的同时，降低 了光学材料和介质膜对200nm以下紫外段光谱的损耗，综合提高了LIBS系统的收 光效率，尤其是紫外段光谱的收集效率，将有利于LIBS技术在钢铁行业的广泛 应用。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种激光聚焦与等离子体发 射光收集的光学系统，包括：激光整形聚焦系统和收集镜组；
其中，激光整形聚焦系统，包括：聚焦镜组以及顺次设置的前置扩束镜组、 锥面整形镜组、反射镜组；
前置扩束镜组，用于将激光束扩束设定倍数，压缩激光束发散角，扩束以 后的激光束入射至锥面整形镜组；
锥面整形镜组，用于经过扩束的激光束均分成环形，环形激光束入射后再 次被准直整形，把激光束整形成圆环状后平行出射至反射镜组；
反射镜组，设于收集镜组与聚焦镜组之间，用于将入射的环形激光束反射 至聚焦镜组；
收集镜组与聚焦镜组同轴设置，用于激发的等离子体光经过聚焦镜组、反 射镜组，并以汇聚光束或平行光束的方式出射并收集于光纤中。
所述前置扩束镜组，包括：顺序设置的凸透镜和凹透镜；
所述凸透镜和凹透镜均为1个或多个，且凸透镜和凹透镜同轴设置。
所述锥面整形镜组，包括：同轴且顺序设置的主镜和次镜；
所述主镜的反射面为凹型圆锥面，且主镜的中心开设有圆形通孔；所述次 镜的反射面为凸型圆锥面；
经过扩束的激光束穿过主镜中心圆形通孔后入射到次镜凹型圆锥面，经次 镜凹型圆锥面反射后被均分成环形，环形激光束入射到主镜反射面后再次被准 直整形，并将激光束整形成圆环状后平行出射至反射镜组。
所述主镜上的圆形通孔的直径和次镜口径均大于扩束后的激光束直径。
所述主镜和次镜的锥角角度相等，且主镜的反射面和次镜的反射面相互平 行设置。
所述反射镜组，包括：反射镜A和反射镜B，反射镜B设于反射镜A的正上方； 所述反射镜B设于收集镜组与聚焦镜组之间；
激光束依次经前置扩束镜组、经锥面整形镜组、反射镜A反射至反射镜B； 所述聚焦镜组设于反射镜B的反射面一侧，以将反射镜B反射的激光束聚焦。
所述反射镜B为中心开有孔洞的反射镜片；
其中，所述反射镜B的未开孔洞的表面区域镀设有激光反射膜；激光反射膜 的反射率大于99％；
反射镜B在激光束垂直平面上投影的最短边长大于环形激光束的外圆直径， 中心孔洞投影的最大边长小于环形激光束的内圆，以使返回再次经过聚焦镜组 的等离子收集光谱入射到收集镜组。
所述聚焦镜组，包括：多片同轴设置的聚焦镜；
所述聚焦镜的外圆环区域镀设有激光增透膜，聚焦镜组的外圆环区域的圆 环宽度大于激光束圆环的宽度。
所述收集镜组，包括多个同轴设置的复合消色差透镜，以对压缩等离子体 收集光的直径。
一种激光聚焦与等离子体发射光收集的光学系统的聚焦收集方法，包括以 下步骤：
1)激光器发射激光束经前置扩束镜组扩束设定倍数，压缩激光束发散角， 扩束以后的激光束入射至锥面整形镜组；
2)经过扩束准直的激光入射到锥面整形镜组的次镜，次镜以光束中心为轴 的环形均分激光束，经过分束的激光束入射到主镜的反射面，经主镜准直后成 圆环状平行出射；圆环状激光束入射到反射镜组；
3)圆环状激光束依次经过反射镜组的反射镜A和反射镜B反射后，聚焦镜组 将圆环状激光束聚焦于样品表面；
4)激发的等离子体光返回再次经过聚焦镜组准直后，平行从反射镜组的反 射镜B中心开孔处穿过，入射到收集镜组，完成等离子体发射光谱由收集镜组收 集于光纤内。
本发明具有以下有益效果及优点：
1.本发明通过主、次锥形平面反射镜的方式将激光整形成环形平行光，避 免了激光中心处的能量损失，解决了激光与等离子体光耦合时能量损耗大的问 题，提高了激光聚焦能量密度。
2.本发明通过中心开孔与透镜组仅外环镀激光增透膜的方式，解决了紫外 光无法传输的问题，提高了等离子体发射光的收光效率，使发射紫外光的元素 可以被高效探测。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图；
图2为本发明实施例中扩束和分束的原理图；
图3为本发明锥面整形镜组的结构与原理图；
图4为本发明分光光斑效果图；
图5为本发明激光分束后成环状平行激光束入射于反射镜的示意图；
图6为本发明聚焦镜的设计原理示意图；
图7为本发明收集镜组的结构示意图；
其中，1为前置扩束镜组，2为锥面整形镜组，3为反射镜A，4为反射镜B， 5为聚焦镜组，6为收集镜组。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
如图1所示，发明一种激光聚焦与等离子体发射光同轴高效耦合光学系统， 该系统包括：前置扩束镜组1、锥面整形镜组2、反射镜组、聚焦镜组5、收集 镜组6。前置扩束镜组1、锥面整形镜组2、反射镜组和聚焦镜组5构成激光整 形聚焦系统，如图6所示；之后，聚焦镜组5和收集镜6组构成等离子体光谱 高效收集系统；
其中，激光整形聚焦系统，包括：聚焦镜组5以及顺次设置的前置扩束镜 组1、锥面整形镜组2、反射镜组；
前置扩束镜组1，用于将激光束扩束设定倍数，压缩激光束发散角，扩束以 后的激光束入射至锥面整形镜组2；
锥面整形镜组2，用于经过扩束的激光束均分成环形，环形激光束入射到后 再次被准直整形，把激光束整形成圆环状后平行出射至反射镜组；
反射镜组，设于收集镜组6与聚焦镜组5之间，用于将入射的环形激光束 反射至聚焦镜组5；
收集镜组6与聚焦镜组5同轴设置，用于激发的等离子体光经过聚焦镜组5、 反射镜组，并以汇聚光束或平行光束的方式出射并收集于光纤中。
前置扩束镜组1，包括：顺序设置的凸透镜和凹透镜；凸透镜和凹透镜均为 1个或多个，且凸透镜和凹透镜同轴设置；激光束经过前置扩束镜组1，发散角 压缩，激光束扩束，然后入射到锥面整形镜组2。
如图2和图3所示，锥面整形镜组2，包括：同轴且顺序设置的主镜和次镜；
主镜的反射面为凹型圆锥面，且主镜的中心开设有圆形通孔；次镜的反射 面为凸型圆锥面；经过扩束的激光束穿过主镜中心圆形通孔后入射到次镜凹型 圆锥面，经次镜凹型圆锥面反射后被均分成环形，环形激光束入射到主镜反射 面后再次被准直整形，并将激光束整形成圆环状后平行出射至反射镜组。
主镜上的圆形通孔的直径和次镜口径均大于扩束后的激光束直径。
主镜和次镜的锥角角度相等，且主镜的反射面和次镜的反射面相互平行设 置。
反射镜组，包括：反射镜A3和反射镜B4，反射镜B4设于反射镜A3的正 上方；所述反射镜B4设于收集镜组与聚焦镜组之间；
如图5所示，激光束依次经前置扩束镜组1、锥面整形镜组2、反射镜A3 反射至反射镜B4；聚焦镜组5设于反射镜B4的反射面一侧，以将反射镜B4反 射的激光束聚焦。
反射镜B4为中心开有孔洞的反射镜片；反射镜B4的未开孔洞的表面区域 镀设有激光反射膜；激光反射膜的反射率大于99％。
最后圆环状激光束经过聚焦镜组5聚焦于样品表面，激发出等离子体光谱， 聚焦镜组6，包括：多片同轴设置的聚焦镜；聚焦镜的外圆环区域镀激光增透膜， 聚焦镜组中6的聚焦镜外圆环区域的圆环宽度大于激光束圆环的宽度。收集镜 组6，包括多个同轴设置的复合消色差透镜，以对压缩等离子体收集光的直径。
如图6所示。等离子体光谱经过聚焦镜组5的准直作用后，近似平行穿过 反射镜的中心开孔，200nm以下短波紫外可以不通过反射镜和介质膜，确保了 短波紫外的透过率，最后由收集镜组6收集于光纤内，如图7所示。
实施例1：
下面进一步说明本专利描述的一种激光聚焦与等离子体发射光同轴高效耦 合光学系统具体的光学设计如下：
如图1～3所示，在激光整形聚焦系统中，一定直径的激光束经过扩束压缩 发散角后，激光束直径为37mm，沿轴正入射到锥面整形镜组2的次镜中心。锥 面整形镜组2的次镜口径大于激光束扩束后的直径，口径为42mm，锥角为150 度，锥形平面镀有激光高反射膜。光束被锥面整形镜组2的次镜环形均分后反 射到主镜上，反射后的圆环的环宽为18.5mm。锥面整形镜组2的主镜口径为 96mm，大于整形后的圆环状激光束直径，中心开孔直径为46mm，以便于激光 束穿过，主镜锥角为150度，锥形平面镀有激光高反射膜，最后形成圆环光平 行出射，锥面整形镜组的主镜和次镜的参数如表1。
表1
| 面 | 锥角/度 | 材料 | 膜系 |
| 凸锥面 | 150 | SILICA | 介质膜 |
| 凹锥面 | 150 | 金属 | 铝膜 |
进一步的，圆环状激光束入射于反射镜组，如图1和5所示，反射镜组其 中一片中心开孔，开孔直径为圆环状激光束内径，开孔为椭圆形状，长轴为71mm， 短轴为50mm，圆环状激光束入射于该开孔反射镜，反射镜表面镀激光高反射膜， 经过反射镜的反射后圆环状激光束成90度出射，光斑如图4所示。
进一步的，圆环状激光束入射到聚焦镜组5，聚焦镜组5中聚焦镜的口径大 于圆环状激光束直径，聚焦镜口径为96mm，环状部分镀膜激光增透膜，中心不 镀膜区域直径近似为圆环状激光束内径，不镀膜区域直径为50mm，这样确保圆 环状激光束高透过率通过，等离子体光谱不通过介质膜，损耗降低，如图7所 示。
进一步的，如图6所示，聚焦镜组5将圆环状激光束聚焦于样品表面，形 成高能量密度激光，诱导激发等离子体。经过激光束扩束整形设计，以及聚焦 镜组环状镀膜设计，能量密度获得大大提高。激光束全角发散角3mrad，500mm 聚焦距离可以实现聚焦光斑直径在500um以下。如图6所示，聚焦镜中心未镀 膜部分。
如图7所示，收集镜组6用于等离子体光经过聚焦镜组5中心不镀膜区域 的光束整形后，形成近似平行光；
进一步的，近似平行的等离子体收集光穿过反射镜B4中心开孔处，等离子 体收集光不经过反射镜及高反射介质膜，从中心开孔处直接穿过，降低了等离 子体光谱的损耗，特别是提高了短波紫外谱段的收集效率。
进一步的，等离子体收集光进入后端的收集镜组6，收集镜组6采用复合式 消色差设计，确保各谱段收集效率一致。收集镜组6的等离子体入射光直径为 50mm，经过收集镜组6后聚焦，聚焦后的光直接进入光谱仪进行分光和探测。
如图1所示，本发明一种激光聚焦与等离子体发射光收集的光学系统的聚 焦收集方法，包括以下步骤：
1)激光器发射激光束经前置扩束镜组1扩束设定倍数，压缩激光束发散角， 扩束以后的激光束入射至锥面整形镜组2；
2)经过扩束准直的激光入射到锥面整形镜组2的次镜，次镜以光束中心为 轴的环形均分激光束，经过分束的激光束入射到主镜的反射面，经主镜准直后 成圆环状平行出射；圆环状激光束入射到反射镜组；
3)圆环状激光束依次经过反射镜组的反射镜A3和反射镜B4反射后，聚焦 镜组5将圆环状激光束聚焦于样品表面；
4)激发的等离子体光返回再次经过聚焦镜组5准直后，平行从反射镜组的 反射镜B4中心开孔处穿过，入射到收集镜组6，完成等离子体发射光的收集。
以上所述仅为本发明的实施方式，并非用于限定本发明的保护范围。凡在 本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进、扩展等，均包含 在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种激光聚焦与等离子体发射光收集的光学系统，其特征在于，包括：激光整形聚焦系统和收集镜组(6)；
其中，激光整形聚焦系统，包括：聚焦镜组(5)以及顺次设置的前置扩束镜组(1)、锥面整形镜组(2)、反射镜组；
前置扩束镜组(1)，用于将激光束扩束设定倍数，压缩激光束发散角，扩束以后的激光束入射至锥面整形镜组；
锥面整形镜组(2)，用于经过扩束的激光束均分成环形，环形激光束入射后再次被准直整形，把激光束整形成圆环状后平行出射至反射镜组；
反射镜组，设于收集镜组(6)与聚焦镜组(5)之间，用于将入射的环形激光束反射至聚焦镜组；
收集镜组(6)与聚焦镜组(5)同轴设置，用于激发的等离子体光经过聚焦镜组(5)、反射镜组，并以汇聚光束或平行光束的方式出射并收集于光纤中。
2.根据权利要求1所述的一种激光聚焦与等离子体发射光收集的光学系统，其特征在于，所述前置扩束镜组(1)，包括：顺序设置的凸透镜和凹透镜；
所述凸透镜和凹透镜均为1个或多个，且凸透镜和凹透镜同轴设置。
3.根据权利要求1所述的一种激光聚焦与等离子体发射光收集的光学系统，其特征在于，所述锥面整形镜组(2)，包括：同轴且顺序设置的主镜和次镜；
所述主镜的反射面为凹型圆锥面，且主镜的中心开设有圆形通孔；所述次镜的反射面为凸型圆锥面；
经过扩束的激光束穿过主镜中心圆形通孔后入射到次镜凹型圆锥面，经次镜凹型圆锥面反射后被均分成环形，环形激光束入射到主镜反射面后再次被准直整形，并将激光束整形成圆环状后平行出射至反射镜组。
4.根据权利要求3所述的一种激光聚焦与等离子体发射光收集的光学系统，其特征在于，所述主镜上的圆形通孔的直径和次镜口径均大于扩束后的激光束直径。
5.根据权利要求3所述的一种激光聚焦与等离子体发射光收集的光学系统，其特征在于，所述主镜和次镜的锥角角度相等，且主镜的反射面和次镜的反射面相互平行设置。
6.根据权利要求1所述的一种激光聚焦与等离子体发射光收集的光学系统，其特征在于，所述反射镜组，包括：反射镜A(3)和反射镜B(4)，反射镜B(4)设于反射镜A(3)的正上方；所述反射镜B(4)设于收集镜组(6)与聚焦镜组(5)之间；
激光束依次经前置扩束镜组(1)、经锥面整形镜组(2)、反射镜A(3)反射至反射镜B(4)；所述聚焦镜组设于反射镜B(4)的反射面一侧，以将反射镜B(4)反射的激光束聚焦。
7.根据权利要求6所述的一种激光聚焦与等离子体发射光收集的光学系统，其特征在于，所述反射镜B(4)为中心开有孔洞的反射镜片；
其中，所述反射镜B(4)的未开孔洞的表面区域镀设有激光反射膜；激光反射膜的反射率大于99％；
反射镜B(4)在激光束垂直平面上投影的最短边长大于环形激光束的外圆直径，中心孔洞投影的最大边长小于环形激光束的内圆，以使返回再次经过聚焦镜组的等离子收集光谱入射到收集镜组(6)。
8.根据权利要求1所述的一种激光聚焦与等离子体发射光收集的光学系统，其特征在于，所述聚焦镜组(5)，包括：多片同轴设置的聚焦镜；
所述聚焦镜的外圆环区域镀设有激光增透膜，聚焦镜组的外圆环区域的圆环宽度大于激光束圆环的宽度。
9.根据权利要求1所述的一种激光聚焦与等离子体发射光收集的光学系统，其特征在于，所述收集镜组(6)，包括多个同轴设置的复合消色差透镜，以对压缩等离子体收集光的直径。
10.根据权利要求1～9任一项所述的一种激光聚焦与等离子体发射光收集的光学系统的聚焦收集方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)激光器发射激光束经前置扩束镜组(1)扩束设定倍数，压缩激光束发散角，扩束以后的激光束入射至锥面整形镜组(2)；
2)经过扩束准直的激光入射到锥面整形镜组(2)的次镜，次镜以光束中心为轴的环形均分激光束，经过分束的激光束入射到主镜的反射面，经主镜准直后成圆环状平行出射；圆环状激光束入射到反射镜组；
3)圆环状激光束依次经过反射镜组的反射镜A(3)和反射镜B(4)反射后，聚焦镜组(5)将圆环状激光束聚焦于样品表面；
4)激发的等离子体光返回再次经过聚焦镜组(5)准直后，平行从反射镜组的反射镜B(4)中心开孔处穿过，入射到收集镜组(6)，完成等离子体发射光谱由收集镜组(6)收集于光纤内。
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2022
- 2022-11-03 CN CN202211368897.4A patent/CN115615979A/zh active Pending
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