CN115950723A - 一种激光微区化学分析取样基体效应快速诊断装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光微区化学分析取样基体效应快速诊断装置，该装置包括用于产生剥蚀激光的激光器，激光剥蚀样品形成的动态剥蚀羽形貌被探测光系统产生的探测激光平行均匀照射，形成的阴影被第一相机瞬态捕捉，随后第一相机将激光剥蚀羽宏观瞬态形貌传递至计算机；剥蚀激光聚焦在样品表面形成动态演化的等离子体，等离子体光谱信号由光谱信号接收器收集并由光谱仪探测，光谱数据导入计算机后可反演不同时刻等离子体中离子、原子、分子光谱信号微观进化规律；微观光谱法和宏观剥蚀羽形貌法结合，进行相同实验条件下针对不同样品的基体差异实时在线诊断，有利于选择基体匹配的标样进行激光微区化学分析高精准度主、微量元素含量分析。

Description

一种激光微区化学分析取样基体效应快速诊断装置

技术领域

本发明属于地球化学分析领域，具体涉及一种激光微区化学分析取样基体效应快速诊断装置。

背景技术

激光取样技术目前已经广泛作为样品引入或离子化手段应用在激光诱导击穿光谱(LIBS)、激光剥蚀电感耦合等离子体质谱(LA-ICP-MS)、激光剥蚀电感耦合等离子体光学发射谱(LA-ICP-OES)、激光剥蚀/电离质谱(LAI-MS)、激光剥蚀微波诱导等离子体光学发射谱(LA-MIP-OES)等很多用于物质成分分析的技术领域。将激光剥蚀进样技术与质谱分析技术相结合的激光剥蚀电感耦合多接收杯等离子体质谱(LA-MC-ICP-MS)凭借其样品消耗量小、测试速度快、分析样品范围广、空间分辨率高以及分析准确度和精密度高等优点，逐渐成为对固体样品进行微区原位元素和同位素分析强有力的工具。例如，采用与待测矿物基体匹配的标准样品来校正分析过程中的元素分馏、质量歧视及仪器漂移，可准确分析各类含U副矿物的U-Th-Pb年龄，为探讨地质体时空演化、大陆动力学及热演化历史等地质事件提供直接的时间证据。

然而，LA-ICP-MS准确年龄分析往往受限于基体匹配标样的极度缺乏和有限的仪器分析灵敏度，元素分馏及基体效应一直严重制约分析结果的准确性与精密度，导致一些副矿物如钙钛矿、磷钇矿、黑钨矿、氟碳铈矿、石榴石、独居石、榍石、金红石、铀矿等U-Pb定年分析时，由于缺乏基体匹配的标样而受到极大约束。因此迫切需要一种绿色、简单、有效、适用性强、易推广的方法来诊断基体效应，选择基体效应差距小的样品作为标准样品进行待测样的校正，实现近似非基体匹配标样的选择及应用。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种激光微区化学分析取样基体效应快速诊断装置，用于研究剥蚀环境对不同类型脉冲激光剥蚀固体样品时，激光剥蚀羽动态形貌变化，结合微观上离子、原子、分子光谱进化规律，揭示激光与物质相互作用机理，同时用于样品基体效应差异诊断，有利于选取基体近似匹配的标准样品，实现准确的主、微量元素含量化学分析。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案如下：

一种激光微区化学分析取样基体效应快速诊断装置，该装置包括激光器、透镜组、第一分束镜、剥蚀池、探测光系统、高速响应探测器、示波器、快门控制器、快门、脉冲延迟控制发生器、第一相机、第一滤波片、计算机、光谱仪和光谱信号接收器；

激光器用于产生剥蚀激光，剥蚀激光经过透镜组光束整形后透过第一分束镜后，再通过聚焦镜聚焦在样品表面完成剥蚀；

样品置于剥蚀池的密闭腔体内，剥蚀池设有三个装载光学玻璃的窗口，其中一个光学玻璃窗口用于剥蚀激光及反射光的传输，另外两个光学玻璃窗口相对平行设置，用于探测光的传输；

激光器和探测光系统的激光脉冲相对时间延迟由两个高速响应探测器结合示波器实时测量，快门控制器通过两个快门分别控制激光器和探测光系统的激光通断；脉冲延迟控制发生器控制激光器、探测光系统与快门控制器的相对响应延迟，剥蚀激光剥蚀样品形成的动态剥蚀羽形貌被探测光照射，形成的阴影经过第一滤波片后被第一相机瞬态捕捉，随后第一相机将激光剥蚀羽宏观瞬态形貌传递至计算机；

脉冲延迟控制发生器还控制激光器与光谱仪相对延时工作，剥蚀激光聚焦在样品表面形成动态演化的等离子体，等离子体光谱信号反射后通过聚焦镜以及第一分束镜后由光谱信号接收器收集，再送入光谱仪，光谱数据导入计算机并结合机器学习算法进行光谱数据处理，从而反演不同时刻等离子体中离子、原子、分子光谱信号进化规律；再结合第一相机获得的激光剥蚀羽宏观瞬态形貌，进行相同实验条件下基体效应差异的实时诊断。

进一步的，该装置还包括精密三维移动平台、第二分束镜、第二滤波片和第二相机；

剥蚀池位于精密三维移动平台上，第二分束镜位于第一分束镜和聚焦镜之间；反射光透过光学玻璃窗口和第二分束镜后，再通过第二滤波片滤光，从而使第二相机获得剥蚀池内样品表面的高清照片；第二相机将影像数据传递至计算机，再由计算机内的机器视觉软件识别并传输控制信号至精密三维移动平台，控制精密三维移动平台运动，实现剥蚀激光在样品表面的自动聚焦和剥蚀位置的观察与选取。

进一步的，第二相机为高分辨率相机。

进一步的，探测光系统还包括倍频晶体和准直镜；

探测光系统产生的探测激光经过倍频晶体倍频，再由准直镜形成平行光束后照射剥蚀羽。

进一步的，剥蚀池设有进气口和出气口，分别接通三通进气管道和出气管道；

三通进气管道的一通道通入载气以实现采样后的气溶胶传输，通过出气管道接电感耦合等离子体质谱仪进行进样操作；三通进气管道的另一通道接分子泵，使用时关闭通入载气的通道和出气口，把剥蚀池抽成真空，以便在真空条件下实现光谱仪对剥蚀激光形成的等离子体光谱信号的采集和第一相机实时拍摄剥蚀羽形貌照片。

进一步的，第一相机为高分辨率相机。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

本发明在地球化学分析等领域中具有重要作用，研究剥蚀环境对不同类型脉冲激光剥蚀固体样品时，激光剥蚀羽动态形貌变化，结合微观上离子、原子、分子光谱进化规律，揭示激光与物质相互作用机理，同时用于样品基体效应差异诊断，有利于选取基体近似匹配的标准样品，实现准确的主、微量元素含量化学分析。

附图说明

图1是本发明的激光微区化学分析取样基体效应快速诊断装置示意图。

图中：1-光谱仪，2-激光器，3-脉冲延迟控制发生器，4-快门控制器，5-探测激光系统，6-透镜组，7-第一快门，8-第一探测器，9-示波器，10-第二探测器，11-倍频晶体，12-准直镜，13-第二快门，14-光谱信号接收器，15-第一分束镜，16-第二分束镜，17-聚焦镜，18-三通进气管，19-精密三维移动平台，20-剥蚀池，21-出气管，22-第二相机，23-第一相机，24-第一滤波片，25-计算机，26-第二滤波片，27-样品，28-第一光学玻璃窗口，29-第二光学玻璃窗口，30-第三光学玻璃窗口。

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。

本发明提供了一种激光微区化学分析取样基体效应快速诊断装置，一台短波长纳秒或飞秒激光器输出一束激光脉冲作为剥蚀激光，经过光束整形后聚焦于样品表面，样品置于激光剥蚀池内，剥蚀池置于三维控制平台上方且其位置受后者控制，剥蚀池内可抽真空或输入不同类型的气体；通过一套机器视觉自聚焦系统，包含可移动的精密三维平台、高分辨率相机和计算机上的机器视觉控制软件，可实现剥蚀激光的自动聚焦和剥蚀位置的观察与选取。另一台短波长纳秒或飞秒激光输出一束激光脉冲作为探测激光，经过光束整形后变成平行光束垂直入射至样品表面，再经过滤波片进入高分辨率相机。剥蚀激光剥蚀样品形成的剥蚀羽，被探测光照射后形成的阴影被相机瞬态捕捉。两束激光延迟由脉冲延迟控制发生器控制。剥蚀激光形成的等离子体光谱信号反射后由收光器收集，再送入光谱仪，结合机器学习算法进行光谱数据处理，反演不同时刻离子、原子、分子光谱信号进化规律。脉冲延迟控制发生器同步或延迟控制泵浦激光器、探测激光器、光谱仪以及相机工作，用于监控剥蚀区域的相机实时拍摄剥蚀羽以及剥蚀面形貌照片。两个高速响应探测器结合示波器使用实时探测两路激光的时间延迟。从光谱仪获得微观上的光谱信号进化规律，结合高响应相机获得的激光剥蚀羽宏观瞬态形貌，进行相同实验条件下基体效应差异的实时在线诊断，有利于选择基体匹配的标样进行激光微区化学分析高精准度主、微量元素含量分析。

本发明在地球化学分析等领域中具有重要作用，研究剥蚀环境对不同类型脉冲激光剥蚀固体样品时，激光剥蚀羽动态形貌变化，结合微观上离子、原子、分子光谱进化规律，揭示激光与物质相互作用机理，同时用于样品基体效应差异诊断，有利于选取基体近似匹配的标准样品，实现准确的主、微量元素含量化学分析。

本发明的激光微区化学分析取样基体效应快速诊断装置，包括光谱仪、激光器、脉冲延迟控制发生器、快门控制器、探测光系统、透镜组、快门、探测器、示波器、光谱信号接收器、倍频晶体、准直镜、分束器、聚焦镜、三通进气管、三维可动平台、特制三光学窗口密闭剥蚀池、出气管、高分辨率相机、滤波片与计算机；

如图1所示，剥蚀激光器2经过透镜组6光束整形后透过第一分束镜15和第二分束镜16后，继续输出通过聚焦镜17聚焦在样品27表面完成剥蚀。

样品27置于精密三维移动平台19上方的剥蚀池20密闭腔体内，剥蚀池20底部与精密三维移动平台19固定，剥蚀池20上面设置三个装载光学玻璃(如氟化钙玻璃等)的窗口，以便激光以及探测光传输，其中第一光学玻璃窗口28用于剥蚀激光传输，第二光学玻璃窗口29和第三光学玻璃窗口30用于探测激光传输。反射光向上透过第一光学玻璃窗口28和第二分束镜16，再通过第二滤波片26过滤掉激光，使第二相机22可获得剥蚀池20内样品表面的高清照片，第二相机22将影像数据传递至计算机25，再由机器视觉软件识别并反馈信号并控制精密三维移动平台19运动，从而实现激光相对样品表面的自动精准自聚焦。同时精准定位被剥蚀的位置，即实现对样品的微区原位采样。

剥蚀池20前后两侧设置进气口和出气口，分别接通三通进气管道18和出气管道21。三通进气管道18一通道可通入载气以实现采样后的气溶胶传输，通过出气管道21接电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)，即进样操作；另一通道可接分子泵，使用时关闭通入载气的通道和出气口21，把剥蚀池20抽成真空，以便在真空条件下实现光谱仪1对剥蚀激光形成的等离子体光谱信号的采集和第一相机23实时拍摄剥蚀羽形貌照片。第一相机和第二相机可选用高分辨率相机。

激光器2和探测光系统5的光脉冲信号其准确的相对时间延迟由两个高速响应探测器结合示波器9使用实时测量，其中第一探测器8探测激光器2的光脉冲信号，第二探测器10探测探测光系统5的光脉冲信号，以便准确确定两脉冲相对时间延迟。快门控制器4控制第一快门7和第二快门13，进而控制激光通或断。脉冲延迟控制发生器3控制激光器2、探测光系统5、快门控制器4与光谱仪1的相对响应延迟，激光器2最终聚焦在样品27表面形成的动态剥蚀羽形貌，被探测光系统5经过倍频晶体11倍频，再由准直镜12形成平行光束照射剥蚀羽，探测光以及形成的阴影再由第一滤波片24过滤掉剥蚀激光后被第一相机23瞬态捕捉后，再将影像数据传递至计算机25进行实时观测。脉冲延迟控制发生器3控制激光器2与光谱仪1相对延时工作，激光器2最终聚焦在样品27表面形成动态演化的等离子体，等离子体光谱信号反射后经过第二分束镜16与第一分束镜15由光谱信号接收器14收集，再送入光谱仪1，光谱仪1将光谱数据导入计算机25中结合机器学习算法进行光谱数据处理，从而反演不同时刻等离子体中离子、原子、分子光谱信号进化规律。

综上所述，本发明装置实现了脉冲延迟控制发生器同步或延迟控制泵浦激光器、探测激光器、光谱仪工作，用于监控剥蚀区域的相机实时拍摄剥蚀面形貌照片，基于人工智能技术实现对三维控制平台自动控制，实现激光自聚焦于样品表面。两个高速响应探测器实时探测两路激光的时间延迟。从光谱仪获得微观上的光谱信号进化规律，结合高响应CCD相机获得的激光剥蚀羽宏观瞬态形貌，进行相同实验条件下基体效应差异的实时在线诊断，有利于选择基体匹配的标样进行激光微区化学分析高精准度主、微量元素含量分析。

应用领域：本发明可用于地球化学分析和激光与物质相互作用等领域。

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 (6)

1.一种激光微区化学分析取样基体效应快速诊断装置，其特征在于，该装置包括激光器、透镜组、第一分束镜、剥蚀池、探测光系统、高速响应探测器、示波器、快门控制器、快门、脉冲延迟控制发生器、第一相机、第一滤波片、计算机、光谱仪和光谱信号接收器；

激光器用于产生剥蚀激光，剥蚀激光经过透镜组光束整形后透过第一分束镜后，再通过聚焦镜聚焦在样品表面完成剥蚀；

样品置于剥蚀池的密闭腔体内，剥蚀池设有三个装载光学玻璃的窗口，其中一个光学玻璃窗口用于剥蚀激光及反射光的传输，另外两个光学玻璃窗口相对平行设置，用于探测光的传输；

激光器和探测光系统的激光脉冲相对时间延迟由两个高速响应探测器结合示波器实时测量，快门控制器通过两个快门分别控制激光器和探测光系统的激光通断；脉冲延迟控制发生器控制激光器、探测光系统与快门控制器的相对响应延迟，剥蚀激光剥蚀样品形成的动态剥蚀羽形貌被探测光系统产生的探测激光照射，照射形成的阴影经过第一滤波片后被第一相机瞬态捕捉，随后第一相机将激光剥蚀羽宏观瞬态形貌传递至计算机；

脉冲延迟控制发生器还控制激光器与光谱仪相对延时工作，剥蚀激光聚焦在样品表面形成动态演化的等离子体，等离子体光谱信号反射后通过聚焦镜以及第一分束镜后由光谱信号接收器收集，再送入光谱仪，光谱数据导入计算机并结合机器学习算法进行进一步处理，从而反演不同时刻等离子体中离子、原子、分子光谱信号微观进化规律；再结合第一相机获得的激光剥蚀羽宏观瞬态形貌，进行相同实验条件下基体效应差异的实时诊断。

2.根据权利要求1所述的激光微区化学分析取样基体效应快速诊断装置，其特征在于，该装置还包括精密三维移动平台、第二分束镜、第二滤波片和第二相机；

剥蚀池位于精密三维移动平台上，第二分束镜位于第一分束镜和聚焦镜之间；反射光透过光学玻璃窗口和第二分束镜后，再通过第二滤波片滤光，从而使第二相机获得剥蚀池内样品表面的高清照片；第二相机将影像数据传递至计算机，再由计算机内的机器视觉软件识别并反馈控制信号至精密三维移动平台控制器，控制精密三维移动平台运动，实现剥蚀激光在样品表面的自动聚焦和剥蚀位置的观察与选取。

3.根据权利要求2所述的激光微区化学分析取样基体效应快速诊断装置，其特征在于，第二相机为高分辨率相机。

4.根据权利要求1所述的激光微区化学分析取样基体效应快速诊断装置，其特征在于，探测光系统还包括倍频晶体和准直镜；

探测光系统产生的探测激光经过倍频晶体倍频，再由准直镜形成平行光束后照射剥蚀羽。

5.根据权利要求1所述的激光微区化学分析取样基体效应快速诊断装置，其特征在于，剥蚀池设有进气口和出气口，分别接通三通进气管道和出气管道；

三通进气管道的一通道通入载气以实现采样后的气溶胶传输，通过出气管道接电感耦合等离子体质谱仪进行进样操作；三通进气管道的另一通道接分子泵，使用时关闭通入载气的通道和出气口，把剥蚀池抽成真空，以便在真空条件下实现光谱仪对剥蚀激光形成的等离子体光谱信号的采集和第一相机实时拍摄剥蚀羽形貌照片。

6.根据权利要求1所述的激光微区化学分析取样基体效应快速诊断装置，其特征在于，第一相机为高分辨率相机。

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