CN115684006A - 声光门控装置以及激光诱导击穿光谱仪 - Google Patents

Abstract

本申请提供声光门控装置以及激光诱导击穿光谱仪。该声光门控装置包括：探测器，延时发生器，声光调制器，其中，所述探测器用于感应激光信号，并基于所述激光信号触发所述延时发生器产生延时；所述延时发生器用于控制所述声光调制器。本申请还提供包含该声光门控装置的激光诱导击穿光谱仪。本申请激光诱导击穿光谱仪通过设置声光门控装置，通过声光调制器可以明显减弱背景强度，可以提高检测灵敏度，同时避免使用价格昂贵的ICCD，降低系统成本的同时，也避免了体积大且环境要求苛刻的技术问题。

Description

声光门控装置以及激光诱导击穿光谱仪

技术领域

本发明属于高灵敏激光光谱技术及应用领域，具体来说是激光诱导击穿光谱仪以及用于其的声光门控装置。

背景技术

激光诱导击穿光谱(LIBS)作为一种发射光谱分析技术，利用高能非共振脉冲激光烧蚀、雾化、激发和电离样品，产生瞬态等离子体，通过分析其发射光谱中元素的原子、离子或分子基的特征谱线，实现对样品成分的定量分析。它具有快速、多元素同时检测、样品制备简单等优点，可无接触地原位或在线检测，在工业分析、环境监测、生物医学等领域彰显出巨大的应用潜力。LIBS定量分析依赖于烧蚀等离子体的光谱化学信息，而等离子体内部自发辐射的光子在向外传播时，会被其行进路径中处于低能级的同类粒子所吸收，呈现出光学厚等离子体的自吸收效应。这种效应易发生于主量元素，不仅会降低谱线强度、加宽线型，还会使定标曲线饱和，从而降低定量分析精度。例如，受限于自吸收效应，目前LIBS对水泥生料中Al、Mg等主量元素的典型测量精度为0.3％，仍未达到0.1％的行业应用要求。因此，开展激光诱导等离子体的自吸收机理研究，进而有效校正或削弱自吸收效应以提高测量精度，直接关系到LIBS的应用前景。

人们提出了多种自吸收校正或削弱方法，这些方法主要通过等离子体参数建模来被动校正自吸收效应，但因激光和靶间作用机理和等离子体演化的复杂性，难免会给这些理想化模型引入偏差。

理论上，当中心向外辐射光通过等离子体时没有明显衰减时，可近似看作光学薄等离子体，此时可以忽略自吸收效应，进而达到理想的测量精度。基于此原理的自吸收免疫激光诱导击穿光谱仪(SAF-LIBS)元素定量分析方法，依据元素双线强度比的理论值和实测值的匹配度来设置光谱采集的时间窗口，直接捕获光学薄谱线，实现对自吸收效应的主动免疫，但因要对较窄时间窗口(～1μs)内的等离子体光谱信号进行门控曝光，而常用的微型CCD光谱仪时间分辨率(ms级)不够，仅能由像增强型探测器(ICCD)和中阶梯光栅光谱仪共同完成，使得SAF-LIBS系统成本高、体积大、环境要求苛刻，无法实际应用。因此需要一种低成本、结构紧凑且适合生产实践的SAF-LIBS测量装置。

发明内容

本发明为解决目前SAF-LIBS测量装置系统成本高、体积大且环境要求苛刻的技术问题，提供一种高频声光门控SAF-LIBS以及用于其的声光门控装置。

本申请提供一种声光门控装置，其包括：

探测器，

延时发生器，

声光调制器，

其中，所述探测器用于感应激光信号，并基于所述激光信号触发所述延时发生器产生延时；

所述延时发生器用于控制所述声光调制器。

在一种实施方式中，所述声光门控装置还包括声光调制器驱动器，所述声光调制器驱动器与所述声光调制器电连接。

所述延时发生器通过向所述声光调制器驱动器输入射频信号来实现对所述声光调制器的控制。

在一种实施方式中，所述声光门控装置还包括示波器，所述示波器用于监测所述激光信号和所述声光调制器之间的延时。

在一种实施方式中，所述探测器为硅探测器。

本申请还提供一种激光诱导击穿光谱仪，其包括：

激光器，所述激光器配置为发出激光信号；

光路组件，所述光路组件用于使所述激光信号照射于被测物质上产生等离子体光谱信号，并使所述等离子体光谱信号经衍射后的衍射光聚焦；

光谱仪，用于采集所述衍射光；

所述激光诱导击穿光谱仪还包括本申请的所述声光门控装置。

在一种实施方式中，所述光路组件包括：

反射镜，用于反射所述激光器产生的激光信号；

偏振分光镜，用于使经过所述反射镜反射的激光信号分为两束；

凹面镜，所述凹面镜用于使经过偏振分光的第一束激光信号照射到所述被测物质产生的等离子体光谱信号会聚；

第一聚焦镜，用于使经所述凹面镜会聚的等离子体光谱信号聚焦；

第二聚焦镜，用于使来自所述声光门控装置的声光调制器的衍射光聚焦；

其中，所述声光门控装置的声光调制器位于所述第一聚焦镜和第二聚焦镜之间，用于使所述等离子体光谱信号在所述声光调制器内衍射。

在一种实施方式中，所述光路组件还包括半波片，所述半波片位于所述反射镜和偏振分光镜之间，使经过所述反射镜反射的激光信号先进入所述半波片，再进入所述偏振分光镜。

在一种实施方式中，所述激光诱导击穿光谱仪还包括能量计，用于测定经过偏振分光的第二束激光信号。

在一种实施方式中，所述凹面镜带中孔，所述经过偏振分光的第一束激光信号通过所述中孔照射到所述被测物质。

在一种实施方式中，所述激光诱导击穿光谱仪还包括第一光纤，所述第一光纤用于将经所述凹面镜会聚的等离子体光谱信号输送至所述第一聚焦镜。

在一种实施方式中，所述激光诱导击穿光谱仪还包括第二光纤，所述第二光纤用于将经所述第二聚焦镜聚焦的衍射光输送至所述光谱仪。

在一种实施方式中，所述光谱仪为光栅光谱仪，特别是微型光谱仪。

在一种实施方式中，所述激光诱导击穿光谱仪还包括数据处理组件，用于处理所述光谱仪采集的光谱信号。

本申请激光诱导击穿光谱仪通过设置声光门控装置，通过声光调制器可以明显减弱背景强度，可以提高了检测灵敏度，同时避免使用价格昂贵的ICCD，降低系统成本的同时，也避免了体积大且环境要求苛刻的技术问题。

附图说明

图1示出本申请激光诱导击穿光谱仪的结构示意图，

其中，1-示波器，2-激光器，3-延时发生器，4-镀铝反射镜，5-半波片，6-偏振分光棱镜，7-能量计，8-带中孔凹面镜，9-步进旋转台，10-AOM驱动器，11-第一聚焦镜，12-声光调制器(AOM)，13-第二聚焦镜，14-光谱仪，15-计算机，16-探测器，17-刀片，21-第一光纤，22-第二光纤。

图2示出将AOM作为激光诱导击穿光谱仪的光学门控开关时的运行时序方案。

图3示出经过本申请上述实施例的激光诱导击穿光谱仪的铝合金样品等离子体的谱线(使用实施例LIBS)以及使用传统LIBS系统所获得的铝合金样品等离子体的谱线(使用传统LIBS)。

图4示出了Al原子谱线在自吸收校正前后以及经过本发明装置所获得的Boltzmann平面图(自吸收校正前表示使用传统LIBS系统进行自吸收校正前的数据，自吸收校正后表示使用传统LIBS系统进行自吸收校正后的数据，使用实施例LIBS表示使用本申请上述实施例的激光诱导击穿光谱仪获得的数据)。

图5示出传统LIBS的结构示意图。

具体实施方式

下面根据具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。本发明的保护范围不限于以下实施例，列举这些实例仅出于示例性目的而不以任何方式限制本发明。

如图1所示，本申请提供一种激光诱导击穿光谱仪，其包括：

激光器2，所述激光器2配置为发出激光信号；

光路组件，所述光路组件用于使所述激光信号照射于被测物质上产生等离子体光谱信号，并使所述等离子体光谱信号经衍射后的衍射光聚焦；

光谱仪14，用于采集经聚焦的衍射光；

所述激光诱导击穿光谱仪还包括声光门控装置。

以下分别描述该激光诱导击穿光谱仪的各个部分。

该激光诱导击穿光谱仪包括激光器2，所述激光器2配置为发出激光信号。在一种实施方式中，可以选用AUT-ONDA型DPSS激光器，激发波长1064nm，最大单脉冲能量800μJ，脉宽2～10ns，重复频率1Hz～100kHz。

本发明所述装置主要包括两部分：一部分是LIBS装置，包括激光器2，光路组件以及光谱仪14等，利用激光激发样品产生等离子体，通过光路组件将产生的等离子体输送至光谱仪14(微型光谱仪)，用于获得等离子体光谱进行光谱分析；另一部分是声光门控装置。

首先，结合图1描述用于该激光诱导击穿光谱仪的声光门控装置。

如图1所述，该一种声光门控装置包括：

探测器16，

延时发生器3，

声光调制器(AOM)12，

其中，所述探测器16用于感应激光信号，并基于所述激光信号触发所述延时发生器3产生延时；

所述延时发生器3用于控制所述声光调制器12。

在该声光门控装置中，探测器16在感应到激光信号后，会产生一个高电平，用该高电平来触发延迟发生器3产生延时。在一种实施方式中，所述探测器为硅探测器。在本申请中，探测器16用于探测光路组件中透过反射镜4中的激光信号。

在该声光门控装置中，延迟发生器3可以输出与脉冲激光频率一致的TTL信号，用于控制所述声光调制器12。在一种实施方式中，所述声光门控装置还包括声光调制器驱动器10，所述声光调制器驱动器10与所述声光调制器12电连接，所述延时发生器3可以输出与脉冲激光频率一致的TTL信号，将其作为所述声光调制器驱动器10的射频输入，从而实现对所述声光调制器12的控制。

在一种实施方式中，所述声光门控装置还包括示波器1，所述示波器1用于监测激光器2内部的Q开关(未示出，Q开关属于激光器的内部器件，用来控制产生脉冲激光)、所述激光信号和所述声光调制器12之间的延时。该示波器1可以分别与激光器1、光谱仪14以及延迟发生器3电连接。

在所述声光门控装置中，硅探测器16用于测量激光脉宽和激光出射时刻，并同时触发延时发生器3计时和光谱仪14曝光。延时发生器3用于控制激光脉冲与声光调制器12间延时以及一级衍射选通，该选通时长取决于延时发生器3触发声光调制器驱动器10的脉宽以及声光调制器12的栅极上升时间。示波器1用于监测Q开关和激光脉冲间的延时、声光调制器12栅极上升。

对激光诱导击穿光谱仪进行门控选通控制的开关应满足：1、激光脉冲和光学薄时间窗口间典型的延迟时间是几百纳秒，该开关的打开时间应＜100ns；2、典型的等离子体寿命为10μs，该开关的光快门频率应＜100kHz；3、典型的光学薄时间窗口为0.5～1.2μs，该开关的选通时长应＜1.2μs。声光调制器作为一种偏频调制的声光开关器件，其原理是利用电声换能器将调制信号转化为同频超声场，再在声光介质内形成折射率变化的布拉格光栅，使不同级次的衍射光沿不同方向出射。声光调制器的打开时间30～80ns、工作频率kHz～MHz、触发驱动脉宽1μs，这些性能参数均满足上述要求。因此，声光调制器可以充当激光诱导击穿光谱仪的光学门控开关。

将声光调制器引入激光诱导击穿光谱仪中，可以使时间窗口外的光学厚荧光在声光调制器中发生零级衍射而直接沿原方向出射，而使时间窗口内的光学薄荧光发生一级衍射而偏转出射至光谱仪中，就能实现门控选通的光谱采集。

将AOM作为激光诱导击穿光谱仪的光学门控开关，其时序方案示意见图2。t＝0时，激光脉冲出射，探测器16探测后，一面触发延时发生器3计时，一面触发光谱仪14开启10ms曝光，同时形成瞬态等离子体；0<t<td时段，AOM以零级衍射输出等离子体荧光，其中在t＝(td-tr)时刻，延时发生器输出1μs脉宽的脉冲触发AOM；t＝td，AOM内部布拉格光栅形成；td<t<(td+tw)时段，属于光学薄时间窗口，AOM以一级衍射输出等离子体荧光至微型光谱仪中；t＝(td+tw)，触发脉冲结束，AOM转为零级衍射；直到下一个激光脉冲出射前，完成一次循环；以上重复循环，直至t＝10ms，光谱仪完成一次曝光并输出一幅光谱，该光谱为10ms内所有等离子体的光学薄荧光的积分谱；直到输出的光谱数目达到预设值，装置停止运行。

对于本申请的激光诱导击穿光谱仪，所述光路组件包括：

反射镜4，用于反射所述激光器2产生的激光信号；

偏振分光镜6，用于使经过所述反射镜4反射的激光信号分为两束；

凹面镜8，所述凹面镜用于使经过偏振分光的第一束激光信号照射到所述被测物质产生的等离子体光谱信号会聚；

第一聚焦镜11，用于使经所述凹面镜8会聚的等离子体光谱信号聚焦；

第二聚焦镜13，用于使来自所述声光门控装置的声光调制器12的衍射光聚焦；

其中，所述声光门控装置的声光调制器12位于所述第一聚焦镜11和第二聚焦镜13之间，用于使所述等离子体光谱信号在所述声光调制器12内衍射。

在一种实施方式中，反射镜4可以采用镀铝镜。

在一种实施方式中，所述光路组件还包括半波片5，所述半波片5位于所述反射镜4和偏振分光镜6之间，使经过所述反射镜4反射的激光信号先进入所述半波片5，再进入所述偏振分光镜6。在一种实施方式中，所述激光诱导击穿光谱仪还包括能量计7，用于测定经过偏振分光的第二束激光信号。偏振分光镜6将进入到其中的激光信号分为两束，第一束照射到所述被测物质产生的等离子体光谱信号，第二束由能量计7进行功率实时监测。

在一种实施方式中，凹面镜8带中孔，所述经过偏振分光的第一束激光信号通过所述中孔照射到所述被测物质。

在一种实施方式中，所述激光诱导击穿光谱仪还包括用于放置样品的步进旋转台9。该样品位于经过偏振分光的第一束激光信号的光路上，使得经过偏振分光的第一束激光信号能够照射被测物质产生等离子体光谱信号。

在一种实施方式中，所述激光诱导击穿光谱仪还包括第一光纤21，所述第一光纤21用于将经所述凹面镜8会聚的等离子体光谱信号输送至所述第一聚焦镜11，经由第一聚焦镜11以布拉格角聚焦至AOM 12内衍射。在AOM12中，会产生零级衍射光以及一级衍射光，其中，零级衍射光水平出射后被刀片17阻挡，一级衍射光经第二聚焦镜13进行聚焦。在一种实施方式中，所述激光诱导击穿光谱仪还包括第二光纤22，所述第二光纤22将经过第二聚焦镜13聚焦的衍射光输送至所述光谱仪14。

在一种实施方式中，所述光谱仪14为光栅光谱仪，特别是微型光谱仪。所用的微型光谱仪也是一种光栅光谱仪，是中型光栅光谱仪的替代，与中型光栅光谱仪相比，微型光谱仪体积更小，价格更便宜，更利于工业应用。

在一种实施方式中，所述激光诱导击穿光谱仪还包括数据处理组件15，用于处理所述光谱仪14采集的光谱信号，进行数据分析。该数据处理组件可以为计算机，光谱仪14的信号输出端与计算机15的信号输入端相连接，用于接收、分析光谱信号。

在一种实施方式中，选用以下配件来构建本申请实施例的激光诱导击穿光谱仪：

AUT-ONDA型DPSS激光器，激发波长1064nm，最大单脉冲能量800μJ，脉宽2～10ns，重复频率1Hz～100kHz；所用声光调制器(AOM)型号为1206C，透射波段为360～448nm，分离角为9.4～12.8mrad，上升时间为30ns，衍射效率>85％；选用DG535型延时发生器，时间分辨率5ps，触发脉宽1μs；所用微型光纤光谱仪型号为AvaSpec-ULS4096，为交叉非对称Czerny-Turner结构，1200线/mm光栅，波长范围340～480nm，平均光谱分辨率为0.12nm；选用DET10A/M型快速硅探测器，响应波段200～1100nm，响应时间1ns；所选带中孔离轴抛物镜(带中孔凹面镜)，镀紫外增强铝膜，在200～450nm及1064nm平均反射率大于90％，反射焦距101.6mm。

本申请的激光诱导击穿光谱仪工作方式如下：激光脉冲束由激光器2产生，经反射镜4反射后，被半波片5和偏振分光镜6分为两束，其中一束至能量计7，另一束会聚于位于步进旋转台9上的样品表面，产生等离子体荧光信号；等离子体辐射的荧光经凹面镜8反射会聚至第一根光纤21，然后再经第一聚焦镜11以布拉格角聚焦至AOM 12内衍射，其零级衍射光水平出射后被刀片17阻挡，一级衍射光经第二聚焦镜13会聚至第二光纤22中进入微型光谱仪14；微型光谱仪14的信号输出端与计算机15的信号输入端相连接。

图3示出经过本申请上述实施例的激光诱导击穿光谱仪的铝合金样品等离子体的谱线(使用实施例LIBS)，该铝合金各元素含量为：Al 93.72％、Mg 4.58％、Cr 0.16％、Fe0.41％，延迟时间设置为400ns。

图3还示出使用传统LIBS系统所获得的铝合金样品等离子体的谱线(使用传统LIBS)。该传统LIBS系统的结构示意图如图5所示，包括Nd：YAG激光器201、激光束放大器202、半波片203以及偏振分光镜204，从Nd：YAG激光器201输出的脉冲激光经激光束放大器202准直和扩束后由半波片203以及偏振分光镜204分为两束，竖直方向光由激光功率计205用于进行功率实时监测，水平方向的光经透镜208后入射至样品台209上的样品表面，激发形成等离子体的荧光经光纤211收集后传输至光栅光谱仪212进行分光，光谱由像增强型CCD(ICCD)210探测，并输入至计算机213中进行数据处理。

对于图3中的信号，以Al I 396.15nm线的强度作为最高强度并作归一化处理后，可以看出，在AOM的透射波段范围内，背景强度有明显的减弱。

测试例

纯KBr和Al₂O₃干燥粉末均匀混合后，在30MPa压力下制备了Al含量为13％±0.04％的压片样品。使用传统LIBS系统进行测试，获得Al I 308.21nm、Al I 309.27nm、Al I394.40nm和Al I 396.15nm四条Al原子谱线的自吸收系数；同时，还将上述谱线积分强度

校正后得到无自吸收影响的积分强度

同时，还使用本申请上述实施例的激光诱导击穿光谱仪进行了测定。

图4对比了由13％压片在自吸收校正前后以及经过本发明装置所获得的Boltzmann平面图(自吸收校正前表示使用传统LIBS系统进行自吸收校正前的数据，自吸收校正后表示使用传统LIBS系统进行自吸收校正后的数据，使用实施例LIBS表示使用本申请上述实施例的激光诱导击穿光谱仪获得的数据)。可以看出，在自吸收校正前各点非常分散，线性相关系数R²＝0.95。而校正后和使用本申请的激光诱导击穿光谱仪经过AOM的情况下，这些点与相应的直线拟合线重合地更好，而且斜率也更接近，R²均达到了0.99。

本领域技术人员应当注意的是，本发明所描述的实施方式仅仅是示范性的，可在本发明的范围内作出各种其他替换、改变和改进。因而，本发明不限于上述实施方式，而仅由权利要求限定。

Claims (13)

1.一种声光门控装置，其包括：

探测器，

延时发生器，

声光调制器，

其中，所述探测器用于感应激光信号，并基于所述激光信号触发所述延时发生器产生延时；

所述延时发生器用于控制所述声光调制器。

2.根据权利要求1所述的声光门控装置，其中，所述声光门控装置还包括声光调制器驱动器，所述声光调制器驱动器与所述声光调制器电连接。

所述延时发生器通过向所述声光调制器驱动器输入射频信号来实现对所述声光调制器的控制。

3.根据权利要求1所述的声光门控装置，其中，所述声光门控装置还包括示波器，所述示波器用于监测所述激光信号和所述声光调制器之间的延时。

4.根据权利要求1所述的声光门控装置，其中，所述探测器为硅探测器。

5.一种激光诱导击穿光谱仪，其包括：

激光器，所述激光器配置为发出激光信号；

光路组件，所述光路组件用于使所述激光信号照射于被测物质上产生等离子体光谱信号，并使所述等离子体光谱信号经衍射后的衍射光聚焦；

光谱仪，用于采集所述衍射光；

所述激光诱导击穿光谱仪还包括权利要求1-4中任一项的所述声光门控装置。

6.根据权利要求5所述的激光诱导击穿光谱仪，其中，所述光路组件包括：

反射镜，用于反射所述激光器产生的激光信号；

偏振分光镜，用于使经过所述反射镜反射的激光信号分为两束；

凹面镜，所述凹面镜用于使经过偏振分光的第一束激光信号照射到所述被测物质产生的等离子体光谱信号会聚；

第一聚焦镜，用于使经所述凹面镜会聚的等离子体光谱信号聚焦；

第二聚焦镜，用于使来自所述声光门控装置的声光调制器的衍射光聚焦；

其中，所述声光门控装置的声光调制器位于所述第一聚焦镜和第二聚焦镜之间，用于使所述等离子体光谱信号在所述声光调制器内衍射。

7.根据权利要求6所述的激光诱导击穿光谱仪，其中，所述光路组件还包括半波片，所述半波片位于所述反射镜和偏振分光镜之间，使经过所述反射镜反射的激光信号先进入所述半波片，再进入所述偏振分光镜。

8.根据权利要求5所述的激光诱导击穿光谱仪，其中，所述激光诱导击穿光谱仪还包括能量计，用于测定经过偏振分光的第二束激光信号。

9.根据权利要求5所述的激光诱导击穿光谱仪，其中，所述凹面镜带中孔，所述经过偏振分光的第一束激光信号通过所述中孔照射到所述被测物质。

10.根据权利要求5所述的激光诱导击穿光谱仪，其中，所述激光诱导击穿光谱仪还包括第一光纤，所述第一光纤用于将经所述凹面镜会聚的等离子体光谱信号输送至所述第一聚焦镜。

11.根据权利要求5所述的激光诱导击穿光谱仪，其中，所述激光诱导击穿光谱仪还包括第二光纤，所述第二光纤用于将经所述第二聚焦镜聚焦的衍射光输送至所述光谱仪。

12.根据权利要求5所述的激光诱导击穿光谱仪，其中，所述光谱仪为光栅光谱仪，特别是微型光谱仪。

13.根据权利要求5所述的激光诱导击穿光谱仪，其中，所述激光诱导击穿光谱仪还包括数据处理组件，用于处理所述光谱仪采集的光谱信号。

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