CN115839917A - 一种同轴双脉冲激光远程在线微区原位水分子分析仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种同轴双脉冲激光远程在线微区原位水分子分析仪，脉冲控制发生器控制两个激光器同步或延迟工作；扩束后的两路激光经反射镜反射和直角棱镜后同轴传输，爬高光学系统将光路抬高，再由聚焦镜将激光聚焦于样品表面；样品置于剥蚀池中，剥蚀池置于三维移动平台上；相机实时拍摄样品表面，控制信号反馈至三维平台控制器，由其控制三维移动平台移动，实现激光对样品表面的自动聚焦；样品表面的光谱信号反向传输至聚光装置，然后传输至光谱仪，通过光谱仪检测光谱信号，得到样品内水分子和同位素组成信息。本发明可作为月球探测器飞行载荷，能远程非接触式、实时在线、微区原位探测月壤水冰及含水矿物水分子、H和O同位素成分及比值。

Description

一种同轴双脉冲激光远程在线微区原位水分子分析仪

技术领域

本发明属于地球及行星化学分析领域，具体涉及一种同轴双脉冲激光远程在线微区原位水分子分析仪。

背景技术

月球永久阴影区中可能存在的大量水冰因其具有重要的科学意义和利用价值成为当前月球探测的热点之一。20世纪90年代以来，随着技术进步，月球水冰探测方法不断丰富，科研人员利用雷达、中子谱、光谱仪、撞击实验等探测技术对月球开展探测，以及对返月样品进行实验室测试分析研究。其中光谱方法可以通过探测OH/H₂O成分，从而反演水冰含量。光谱技术应用较为广泛，包括Chandrayaan-1任务上的月球矿物学制图仪(M3)仪器、深度撞击EPOXI任务上的高分辨率仪器红外光谱仪(HRIR)、Cassini航天器上的视觉和红外测绘光谱仪(VIMS)以及OSIRIS-REx任务上的OSIRIS-REx可见光和红外光谱仪(OVIRS)，均通过实验探测表明月球永久阴影区域有水的存在。

然而，已开展月球水冰遥感探测的方式各有其局限性：雷达只对大块的纯水冰敏感，且无法排除地形粗糙度的影响；中子探测仪只能确认目标区域含H；由于光源辐射光在月壤中消光长度很浅，光谱方法仅能对月球表面暴露的水冰进行探测；取样后返回实验室测量虽然能够获得高精度的测试结果，但取样位置单一且样品返回和测试进程易污染。月球极区永久阴影区内无光照、超低温、高真空、无法直接对地通信，就位接触式机械取样时，高强度的月壤水冰组构通常采用高频冲击钻进、高速动能侵蚀实现原位探测，探测机具与月壤水冰组构之间存在复杂的动力学关系。从目前情况来看，在未来月球探测任务中，飞行器载荷悬空于月球极区永久阴影区，完成短时间远程非接触式(几米至几十米)、微区原位(微米量级)、实时在线(秒量级)探测，然后再复飞至阴影区外有光照的区域，这是理论上能够直接证认月球水冰的存在、分布特征、赋存状态及来源的最有效方式。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种同轴双脉冲激光远程在线微区原位水分子分析仪，实现多波长或相同波长但不同脉宽的双激光同轴传输、远程非接触式、实时在线、微区原位探测地球或行星水分子及H、O同位素成分和比值。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案如下：

一种同轴双脉冲激光远程在线微区原位水分子分析仪，包括两个不同波长或相同波长、不同脉宽的激光器、脉冲控制发生器、扩束镜、反射镜、直角棱镜、爬高光学系统、聚焦镜、剥蚀池、三维移动平台、相机、三维平台控制器、聚光装置和光谱仪；

其中，脉冲控制发生器控制两个激光器工作，使它们同步或延迟出光；扩束镜设于两个激光器出光口，扩束后的两路激光经反射镜反射和直角棱镜后同轴传输，由爬高光学系统将传输光路抬高，再由聚焦镜将激光聚焦于样品表面；

样品置于剥蚀池中，剥蚀池置于三维移动平台上；相机实时拍摄样品表面，并将图像传递至三维平台控制器，由三维平台控制器控制三维移动平台移动，实现激光对样品表面的自动聚焦；

样品表面的光谱信号反向传输至聚光装置，然后传输至光谱仪，通过光谱仪检测光谱信号，得到样品内水分子和同位素组成信息。

进一步的，还包括两个光电探测器和示波器，两个光电探测器分别探测两路激光的散射光，并传输至示波器以获取两路激光的准确时间延迟；调节两路激光的时间延迟，以实现双脉冲分别剥蚀样品和加热剥蚀羽。

进一步的，还包括半波片和偏振片，半波片和偏振片位于扩束镜后，用于调控激光能量。

进一步的，还包括平凹透镜，平凹透镜位于爬高光学系统前，用于调整激光焦点位置。

进一步的，爬高光学系统包括两片与光路成45度夹角的反射镜。

进一步的，剥蚀池上设有光学玻璃窗口，窗口正对样品表面，以便激光通过。

进一步的，还包括第一二向色镜和第二二向色镜，经过爬高的激光依次经第一二向色镜、第二二向色镜、聚焦镜和光学玻璃窗口后聚焦在样品表面；反射光则依次经过光学玻璃窗口、聚焦镜和第二二向色镜进入相机；样品被剥蚀产生的等离子体发射光则依次经过光学玻璃窗口、聚焦镜、第二及第一二向色镜后传输至聚光装置。

进一步的，还包括分子泵和载气装置，剥蚀池连接分子泵和载气装置，用于进行不同程度真空条件或不同气体环境下的实验。

进一步的，传输至光谱仪后，使用机器学习实现光谱信号解调与处理，反演样品内主、微量元素含量及同位素成分和比值测定。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

本发明采用扩束器、偏振片、半波片、分束镜、两向色镜、反射镜、聚焦镜等光学元件的组合，可将不同波长或相同波长的两个激光脉冲同轴耦合，并使激光远程聚焦和剥蚀，实现双脉冲激光诱导等离子体，提高原子和分子光谱信号强度、增加信噪比、降低检出限。通过光电探测器的信号和信号发生器的控制，可以精准调节两激光延迟。结合三维移动平台、CCD相机和人工智能感知和控制技术，可实现激光对样品表面的自聚焦。结合分子泵和载气装置，可抽成不同程度的真空，也可输入不同成分的惰性气体如He/Ar，研究不同环境条件(例如：不同的真空度、惰性气体及压力)分子光谱信号增强效果。该系统功能强大，操作便捷，可实现远程非接触式、实时在线、微区原位分析月壤水冰或其它地质样品内水分子，并反演如H和O同位素成分及组成，在地球及行星分析化学等领域具有重要、广泛的应用前景。

附图说明

图1是本发明的同轴双脉冲激光远程在线微区原位水分子分析仪的结构示意图。

图中：1-第一激光器，2-第二激光器，3-扩束镜，4-半波片，5-偏振片，6-直角偏振棱镜，7-平凹透镜，8-光路爬高系统反射镜，91-第一二向色镜，92-第二二向色镜，10-聚焦镜，11-剥蚀池，12-CCD相机，13-三维平台控制器，14-三维移动平台，15-计算机，16-聚光装置，17-光谱仪，18-延迟控制发生器，19-示波器，20-光电探测器，21-分子泵，22-连接管道，23-反射镜。

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方式用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明属于地球及行星化学分析领域，具体涉及一种多个或相同波长、不同脉宽的激光同轴远程非接触式、实时在线、微区原位分析系统，主要用于分析水分子以及H、O元素及其同位素成分和组成。本发明的同轴双脉冲激光远程在线微区原位的水分子分析仪，将不同波长或相同波长的激光脉冲同轴耦合，实现双脉冲激光远程探测；结合三维移动平台、CCD相机和人工智能感知和控制技术，实现激光对样品表面的自聚焦；结合分子泵和载气装置，可研究不同环境条件下分子光谱信号增强效果。该发明技术先进、功能强大，有助于提高原子和分子光谱信号强度、增加信噪比、降低检出限，可以实现水分子和同位素的探测。

目前地球化学分析中，尤其是固体微区地球化学分析技术依赖于激光剥蚀进样系统和多接收杯等离子体质谱仪的联用，可将样品的元素和同位素含量或比值测量出来。但多接收杯等离子体质谱体积大、价格高且易受外界气体环境影响，对H和O元素的同位素及水分子常温常压下无法进行高精准度量化。为了解决上述问题，本发明可以低成本、快速便捷、微区原位、远程非接触式地探测月壤极区永久阴影区水冰并反演H或O同位素组成及比值，为解决与水分子或与H或O同位素相关的地球及行星科学问题提供直接证据。

本发明的同轴双脉冲激光远程在线微区原位水分子分析仪，包括两个不同波长或相同波长、不同脉宽的激光器、扩束镜、反射镜、二向色镜、聚焦镜、三维移动平台、相机、机器视觉控制模块和真空泵等；

其中，脉冲控制发生器控制两个激光器工作，使它们同步或延迟出光；两个激光脉冲分别经扩束、衰减、耦合、爬高、聚焦于样品表面，一束激光聚焦于样品表面并剥蚀样品，另一束激光加热前束激光诱导的等离子体。两个激光器出光口前均设有扩束镜，扩束后的两路激光经反射镜反射和直角棱镜后同轴传输；通过爬高光学系统将传输光路抬高，再由聚焦镜将激光聚焦于样品表面。

样品置于剥蚀池中，三维控制平台控制剥蚀池位置移动；三维控制平台包括三维平台控制器和三维移动平台。CCD相机实时拍摄样品表面，通过人工智能感知和控制技术，反馈给三维控制平台信号，实现激光对样品表面的自聚焦。

样品表面的光谱信号反向传输并被聚光装置接收传送至光谱仪，最终通过光谱仪检测光谱信号，得到样品内水分子和同位素组成信息。本发明可远程非接触式、实时在线、微区原位探测月壤水冰及地球含水矿物水分子、H和O同位素成分及比值。

进一步的，半波片和偏振片可对两激光脉冲能量进行衰减，实现能量控制。可根据实验需求，可调控激光能量，实现不同脉冲能量的测试。

进一步的，光电探测器探测两激光脉冲的散射光，可测量两激光脉冲的时间延迟。可测量并调节两个激光间的延迟，以实现双脉冲剥蚀和剥蚀羽加热。

进一步的，平凹透镜置于爬高光学系统前，调整激光焦点位置。

进一步的，剥蚀池上带有光学玻璃窗口，窗口正对样品表面。

进一步的，剥蚀池连接分子泵和载气装置，可实现不同程度真空条件或不同气体环境下的实验。

进一步的，经过爬高的激光被二向色镜反射，依次通过聚焦镜和光学玻璃窗口后聚焦在样品表面；反射光则依次通过光学玻璃窗口、聚焦镜和二向色镜，进入聚光装置；同轴反射传输的光谱信号经聚光装置后传输至光谱仪，使用机器学习实现光谱信号解调与处理，反演样品内主、微量元素含量及同位素成分和比值测定。

实施例：

本发明实施例的同轴双脉冲激光远程在线微区原位水分子分析仪如图1所示，第一激光器1和第二激光器2可以输出相同波长不同脉冲宽度的激光脉冲，实现短脉冲激光剥蚀样品，长脉冲激光加热短脉冲激光诱导的等离子体；或输出不同波长不同脉冲宽度的激光脉冲，实现长波长激光剥蚀样品，短波长激光加热长波长激光诱导的等离子体。以相同波长的纳秒激光与飞秒激光为例，第一激光器1输出飞秒激光脉冲，第二激光器2输出纳秒激光脉冲，在两束激光传输过程中，两个光电探测器20分别探测两个激光信号至示波器19显示，给出实际的激光脉冲间延迟，并通过延迟控制发生器18控制两个激光间的延迟大小。两束激光分别经过扩束器3扩束，再通过半波片4和偏振片5进行能量衰减，经反射镜23和直角偏振棱镜6后耦合至同一光轴传输。平凹透镜7置于爬高光学系统前，调整激光焦点位置，然后激光经爬高系统反射镜8后光路爬高，经过第一二向色镜91和第二二向色镜92后，由聚焦镜10聚焦于样品表面，完成激光剥蚀与激光加热。

样品置于密闭剥蚀池11中，剥蚀池11上方有光学窗口以便激光通过，底部固定于三维移动平台14；剥蚀池11连接分子泵21和载气装置22，可控制剥蚀池内的气体环境条件；样品表面的反射光则向上传播，经过剥蚀池11的光学窗口和聚焦镜10，由第二二向色镜92反射至CCD相机12，CCD相机12将获得的影像数据传输至计算机15，通过人工感知和控制技术，可由三维平台控制器13自动控制三维移动平台14移动，完成激光对样品剥蚀点的定位和自聚焦；样品被剥蚀产生的等离子体发射光也向上传播，穿过剥蚀池11的光学窗口、聚焦镜和、第二二向色镜92和第一二向色镜91，由聚光装置16收集，光信号传至光谱仪17进行分析检测，经过机器学习处理光谱数据后确认水分子存在并反演H和O同位素成分及比值，从而可反演样品中的原子、分子和同位素的组成和含量信息。

综上所述，本发明使用扩束镜、偏振片、半波片、聚焦镜等光学元件，以及两个激光器和延迟控制发生器等，实现同轴延迟的双脉冲激光对样品的剥蚀和等离子体加热，使原子和分子光谱信号增强；通过二向色镜、CCD相机和人工智能感知和控制技术实现激光对样品表面的自动聚焦；再通过密闭剥蚀池、分子泵和载气装置，实现对样品剥蚀的不同气体环境条件的控制；最后使用聚光装置收集剥蚀产生的原子、分子发射光谱并由光谱仪检测，可反演样品的原子、分子、同位素类型及含量。本发明可作为月球探测器飞跃载荷，能完成远程非接触式、实时在线、微区原位的月壤水分子及H、O同位素分析，操作简便，信噪比高，应用前景广泛。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (9)

1.一种同轴双脉冲激光远程在线微区原位水分子分析仪，其特征在于，包括两个不同波长或相同波长但不同脉宽的激光器、脉冲控制发生器、扩束镜、反射镜、直角棱镜、爬高光学系统、聚焦镜、剥蚀池、三维移动平台、相机、三维平台控制器、聚光装置和光谱仪；

其中，脉冲控制发生器控制两个激光器工作，使它们同步或延迟出光；扩束镜设于两个激光器出光口，扩束后的两路激光经反射镜反射和直角棱镜后同轴传输，由爬高光学系统将传输光路抬高，再由聚焦镜将激光聚焦于样品表面；

样品置于剥蚀池中，剥蚀池置于三维移动平台上；相机实时拍摄样品表面，并将反馈信号传递至三维平台控制器，由三维平台控制器控制三维移动平台移动，实现激光对样品表面的自动聚焦；

样品表面的光谱信号反向传输至聚光装置，然后传输至光谱仪，通过光谱仪检测光谱信号，得到样品内水分子和同位素组成信息。

2.根据权利要求1所述的同轴双脉冲激光远程在线微区原位水分子分析仪，其特征在于，还包括两个光电探测器和示波器，两个光电探测器分别探测两路激光的散射光，并传输至示波器以获取两路激光的时间延迟；调节两路激光的时间延迟，以实现激光脉冲各自剥蚀样品和加热剥蚀羽。

3.根据权利要求1所述的同轴双脉冲激光远程在线微区原位水分子分析仪，其特征在于，还包括半波片和偏振片，半波片和偏振片位于扩束镜后，用于调控激光能量。

4.根据权利要求1所述的同轴双脉冲激光远程在线微区原位水分子分析仪，其特征在于，还包括平凹透镜，平凹透镜位于爬高光学系统前，用于调整激光焦点位置。

5.根据权利要求1或4所述的同轴双脉冲激光远程在线微区原位水分子分析仪，其特征在于，爬高光学系统包括两片与光路成45度夹角的反射镜，用于抬高激光束传输和利于聚焦激光。

6.根据权利要求1所述的同轴双脉冲激光远程在线微区原位水分子分析仪，其特征在于，剥蚀池上设有光学玻璃窗口，窗口正对样品表面，以便激光传输通过。

7.根据权利要求6所述的同轴双脉冲激光远程在线微区原位水分子分析仪，其特征在于，还包括第一二向色镜和第二二向色镜，经过爬高的激光依次经第一二向色镜、第二二向色镜、聚焦镜和光学玻璃窗口后聚焦在样品表面；反射光则依次经过光学玻璃窗口、聚焦镜和第二二向色镜进入相机；样品被剥蚀产生的等离子体发射光则依次经过光学玻璃窗口、聚焦镜、第二及第一二向色镜后传输至聚光装置，最后进入光谱仪。

8.根据权利要求1所述的同轴双脉冲激光远程在线微区原位水分子分析仪，其特征在于，还包括分子泵和载气装置，剥蚀池连接分子泵和载气装置，用于进行不同程度真空条件或不同气体环境下的实验。

9.根据权利要求1所述的同轴双脉冲激光远程在线微区原位水分子分析仪，其特征在于，传输至光谱仪后，使用机器学习实现光谱信号解调与处理，反演样品内主、微量元素含量及同位素成分和比值测定。

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