CN115980006A - 一种长脉冲LIBS-Raman-LIF多光谱联合原位探测系统及其探测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种长脉冲LIBS‑Raman‑LIF多光谱联合原位探测系统，将激光诱导击穿光谱(LIBS)、激光拉曼光谱(Raman)与激光诱导荧光光谱(LIF)集成于一个工作舱内，实现对燃烧场中阴离子、阳离子、气体分子、固体颗粒等物质的同时探测。全固态长脉冲激光器作为激发光源，通过前置光路聚焦于燃烧场中，前置光路具有远程变焦功能，产生的光谱信号经前置光路，由LIBS光谱仪与Raman‑LIF光谱仪完成对光谱信号的收集。本发明实现了关键器件共享与多光谱技术联合，为高温燃烧流场的原位探测提供一种更为全面、有效的技术手段。
Description
技术领域
本发明属于航空航天及激光光谱技术领域，具体涉及一种长脉冲LIBS-Raman-LIF多光谱联合原位探测系统及其探测方法。
背景技术
近年来，中国的航天技术在不断发展，固体火箭发动机技术因其结构简单、可靠性高及成本低等优点，被广泛用作导弹武器的主要动力装置，故固体发动机的不断升级也受到越来越多的关注。主燃烧室是航天发动机的核心部件之一，发动机的可靠性和寿命在很大程度上取决于燃烧室的可靠性和有效程度。通过固体推进剂的燃烧实现发动机能量转换，但转换过程复杂，常伴随着不稳定燃烧问题。其中，燃烧过程中的组分信息是目前发动机试验极为关心的关键参数之一。在线检测燃烧场气流主要组分浓度，分析确定补氧后来流气体中的各组分的含量，对于固体火箭发动机性能评估及固体推进剂改良等有着关键意义。然而发动机燃烧过程高度动态变化，且对周围环境震荡干扰较大，目前尚缺乏针对燃烧场组分在线、非接触检测的快速原位传感技术。
激光诱导击穿光谱(Laser-Induced Breakdown Spectroscopy，LIBS)技术是借助光学光路系统将高功率脉冲激光聚焦于样品表面，当样品表面的脉冲激光功率密度大到足以产生等离子体，通过光路系统收集等离子体发射光谱，可实现对任何物理形态的样品所含元素组分的定性以及含量的定量分析。相较于传统的原位测试技术，LIBS技术具有实验系统简单、无需样品预处理、分析速度快、可多元素同时探测等诸多优势，已被广泛应用于多个领域，在现场尤其是极端环境探测方面具有广阔的应用前景。近年来LIBS技术被广泛应用于火焰燃烧诊断方面，在航天领域是一项极具发展潜力的光谱分析技术。
激光拉曼光谱(Raman Spectroscopy，Raman)技术是一种非破坏性的分子光谱技术，利用低能量激光作用于样品表面，通过接收物质所产生的散射光谱，对与入射光频率不同的散射光进行分析以得到分子振动、转动能级的指纹信息，可以实现相应物质的快速识别与定性检测。目前对燃烧场的多组分测量一般采用自发拉曼散射技术,它往往单脉冲测量就可以获得燃烧场主要组分的拉曼信号，以完成流场主要组分定量测量。目前该技术已初步成功应用于多种燃烧流场组分测量。
激光诱导荧光光谱(Laser Induced Fluorescence，LIF)技术利用特定波长激光激发分子发生电子能级跃迁，当被相关分子吸收的同时会自发辐射荧光，目前激光诱导荧光光谱技术常用于测量火焰场中自由基的浓度及温度。
一般光学系统设计只针对一个或者多个特定的检测距离，因为当检测距离改变时，激光聚集的光斑大小、能量密度、系统的光学效率等都会发生变化，进而导致变焦检测时会收集到不同光谱强度、特征的等离子体光谱，导致实验结果出现不同程度的误差。且在高动态高温燃烧场中，发动机燃烧场温度高达3000K以上，目前绝大多数仪器设备都无法承受如此高的温度，仅依靠理论模拟计算无法还原发动机燃烧场的真实条件，分析结果不具备可靠性，因此发展面向燃烧场现场探测的非接触式远程变焦原位传感技术是亟需解决的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种长脉冲LIBS-Raman-LIF多光谱联合原位探测系统及其探测方法，该系统实现多光谱技术的有机融合。对于激发光源的选择，LIBS技术常采用高功率脉冲激光器，Raman与LIF技术常采用连续激光器。利用连续激光器无法实现LIBS探测，而利用脉冲激光器则可实现Raman与LIF探测，且利用脉冲激光器进行LIF探测的优点在于可更好的抑制背景并进行光谱的时间分辨探测。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种长脉冲LIBS-Raman-LIF多光谱联合原位探测系统，其特征在于，包括工作舱，所述工作舱内设置全固态长脉冲激光器、LIBS-Raman-LIF前置光路、LIBS光谱仪、Raman-LIF光谱仪和电子控制系统，所述全固态长脉冲激光器为激发光源，全固态长脉冲激光器发出的激光通过LIBS-Raman-LIF前置光路后聚焦于燃烧流场火焰中，所述全固态长脉冲激光器、LIBS-Raman-LIF前置光路、LIBS光谱仪、Raman-LIF光谱仪均电连接在电子控制系统上，所述LIBS-Raman-LIF前置光路包括激光分束镜、LIBS前置光路和Raman-LIF前置光路，所述LIBS前置光路和Raman-LIF前置光路共用一个激光分束镜，所述激光分束镜与入射光线之间的夹角为45°。所述工作舱的前端分别设置LIBS聚焦视窗和Raman-LIF聚焦视窗，所述LIBS聚焦视窗和LIBS前置光路对应设置，Raman-LIF聚焦视窗与Raman-LIF前置光路对应设置。
优选地，激光分束镜为Nd:YAG激光分束镜，分光镜的投射与反射比为9：1。
优选地，所述LIBS前置光路包括第一长波通二向色镜、第一凹透镜和第一双透镜组合，第一长波通二向色镜、第一凹透镜和第一双透镜组合沿激光行进方向从左至右依次设置在激光分束镜的右侧，第一长波通二向色镜与激光分束镜平行设置，第一长波通二向色镜的上方平行设置有宽带反射镜，宽带反射镜的左侧设置第一光纤耦合透镜，第一光纤耦合透镜将信号光耦合至光纤并传输到LIBS光谱仪，所述第一长波通二向色镜的截止波长为900nm。透过激光分束镜的1064nm激光依次通过第一长波通二向色镜和第一凹透镜，经过第一凹透镜和第一双透镜组合后将激光聚焦至燃烧场中，产生的LIBS信号通过第一双透镜组合与第一凹透镜后变为平行的光谱信号，经第一长波通二向色镜反射至宽带反射镜，由第一光纤耦合透镜将信号光耦合至光纤并传输到LIBS光谱仪，实现LIBS信号的探测。
优选地，所述Raman-LIF前置光路包括第二长波通二向色镜、第二凹透镜和第二双透镜组合，所述第二长波通二向色镜平行设置在激光分束镜的下方，且第二长波通二向色镜和激光分束镜之间设置二倍频晶体，第二凹透镜和第二双透镜组合依次设置在第二长波通二向色镜的右侧，第二长波通二向色镜的左侧依次设置长通滤波片和第二光纤耦合透镜，第二光纤耦合透镜将光信号耦合至光纤并传输到Raman-LIF光谱仪，所述第二长波通二向色镜的截止波长为535nm。由激光分束镜反射的1064nm激光通过二倍频晶体后将基频光转变成532nm激光，依次通过第二长波通二向色镜和第二凹透镜，532nm激光经过第二凹透镜和第二双透镜组合后将激光聚焦至燃烧场中，产生的Raman与LIF信号通过第二双透镜组合和第二凹透镜后变为平行的光谱信号，通过第二长波通二向色镜并经过长通滤波片，由第二光纤耦合透镜耦合至光纤并传输到Raman-LIF光谱仪，实现Raman-LIF信号的探测。
优选地，所述电子控制系统包括控制模块、供电模块和通讯模块，所述供电模块和通讯模块均电连接在控制模块上。
优选地，所述全固态长脉冲激光器发射的基频光的波长为1064nm，产生的纳秒激光脉冲宽度为100ns，脉冲能量最大为250mJ，所述二倍频晶体位于激光分束镜的反射端，二倍频晶体用于将基频光转变为波长532nm的激光。
优选地，所述第一凹透镜和第二凹透镜的直径为1英寸，所述第一双透镜组合及第二双透镜组合均由直径相同的月牙透镜和凸透镜平行贴合叠放组成，第一双透镜组合及第二双透镜组合的直径为4英寸。
优选地，所述第一凹透镜及第二凹透镜分别安装于第一直线电机和第二直线电机上，通过直线电机调整凹透镜与双透镜组合的间距改变激光实际聚焦距离，以实现燃烧场的远程变焦功能，所述第一直线电机和第二直线电机的移动精度为20μm，所述第一直线电机和第二直线电机均电连接在控制模块上。
优选地，所述LIBS光谱仪的光谱范围为200-880nm，光谱分辨率为0.3nm；所述Raman-LIF光谱仪的光谱范围0-4500cm-1，光谱分辨率为10cm-1，所述LIBS前置光路形成LIBS光谱，LIBS光谱诱导产生原子及阳离子光谱，Raman-LIF前置光路形成Raman光谱和LIF光谱，Raman光谱提供具有拉曼活性的阴离子及分子光谱，LIF光谱提供具有荧光活性的分子光谱。
一种长脉冲LIBS-Raman-LIF多光谱联合原位探测的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、打开全固态长脉冲激光器发射激光脉冲，通过LIBS-Raman-LIF前置光路将激光聚焦于燃烧场火焰中；
S2、通过LIBS光谱仪、Raman-LIF光谱仪完成对光谱信号的收集：LIBS光谱仪采用外触发模式，由全固态长脉冲激光器的调Q输出信号对LIBS光谱仪进行触发，在激光脉冲发射后时间间隔t1，打开LIBS光谱仪，采集时间为t2，之后关闭LIBS光谱仪，获得LIBS光谱信号；Raman-LIF光谱仪采用内触发模式，在全固态长脉冲激光器开启后通过控制模块开启Raman-LIF光谱仪，采集时间为t3，之后关闭Raman-LIF光谱仪，获得Raman-LIF光谱信号。
优选地，t1的取值优选为1μs，t2的取值优选为1ms，t3的取值优选为1s；光谱采集分为时间和空间两种采集模式，时间分辨模式下无需改变凹透镜位置，对燃烧场进行定点探测，获取燃烧场等离子体信息的时间变化过程；空间分辨模式下利用直线电机控制调节凹透镜与双透镜组合之间的距离，分析不同空间位置燃烧场的等离子体辐射信息。
优选地，对于LIBS探测过程，脉冲激光所诱导产生的等离子体在初期存在强烈的连续背景辐射，需要设置一定的时间延时避开连续背景辐射的干扰以获得分立的特征光谱信号，因此激光脉冲与LIBS光谱仪之前需要间隔一定时间t1，时间间隔t1优先选择设置为1μs。LIBS光谱获取需要设置一定的采集时间t2，可设置在1～50ms之间，由于等离子体辐射通常持续几十μs，时间间隔t2优先设置为1ms。相较于LIBS探测，Raman与LIF探测无需设置时间延迟，光谱仪处于内触发模式，需设置相应采集时间t3，由于所采用的激光器为脉冲激光器，Raman及LIF信号的获取需设置相对较长的积分时间以提高探测灵敏度，采集时间t3可设置在1～60s之间，而燃烧场处于动态变化过程，积分时间不宜过长，时间间隔t3优选设置为1s。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明将激光诱导击穿光谱、激光拉曼光谱与激光诱导荧光光谱技术相结合，集成于同一密封舱内，形成一套多光谱联合探测装置，通过光路优化设计减少了器件的使用，进而减小了装置的体积，实现了装置的小型化及集成化，同时通过多光谱融合，可为燃烧场探测提供全面的多成分光谱信息，为燃烧场组分的在线检测提供了新的技术手段。
2、本发明基于同一台全固态单脉冲激光器作为LIBS、Raman和LIF共同激发光源的远程变焦联合探测光路，且所选用的激光脉冲宽度为100ns的长脉冲，有利于获得强度更高的光谱信号，提高多光谱技术探测灵敏度。出射的基频为1064nm的激光经过激光分束镜分别进入到不同的光路中，其中一条光路经过一块二倍频晶体转换成532nm激光，不同的光路分别完成对LIBS和Raman-LIF信号的激发与收集，提高了装置的空间利用率，并结合伽利略望远系统结构，通过凹透镜与双透镜组合的设计，实现对燃烧场的远程及空间分辨探测，进一步提高了多光谱联合技术的实际应用能力。
3、本发明采用伽利略望远系统，通过调节透镜之间的距离改变激光的实际聚焦距离，从而实现燃烧场的远程空间分辨测量。本发明采用由凹透镜与双透镜组合组成的伽利略望远系统结构，将凹透镜安装于直线电机位移台上，利用光路设计软件对光路结构进行模拟分析，拟合凹透镜位移量与遥测距离之间的相关函数，将函数输入到控制程序中，控制器对直线电机移动距离进行调节，完成燃烧场的远程空间分辨测量。
4、目前常用的脉冲激光器多为脉宽10ns左右的短脉冲，导致LIBS探测灵敏度较低，本发明采用脉宽100ns的长脉冲激光，能够有效增加激光与等离子体相互作用时间，提高LIBS探测灵敏度，而对于Raman和LIF光谱，在采用脉冲激光器的基础上，选择长脉冲激光也有利于增强Raman和LIF光谱信号。同时本发明采用多光谱融合方式，其中LIBS光谱激发诱导产生原子和阳离子光谱，Raman光谱激发产生具有拉曼活性的阴离子及分子光谱，LIF光谱提供具有荧光活性的分子光谱。三种光谱相互融合，优势互补，为燃烧场探测诊断提供多成分多光谱信息。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图。
图2是本发明中LIBS-Raman-LIF前置光路的结构示意图。
附图标记说明：
1—全固态长脉冲激光器；2—LIBS-Raman-LIF前 2-1—LIBS前置光路；
置光路；
2-2—Raman-LIF前置光 3—LIBS光谱仪； 4—Raman-LIF光谱
路； 仪；
5—电子控制系统； 6—激光分束镜； 7—第一长波通二向
色镜；
8—第一凹透镜； 9—第一直线电机； 10—第一双透镜组
合；
11—宽带反射镜； 12—第一光纤耦合透 13—二倍频晶体；
镜
14—第二长波通二向色 15—第二凹透镜； 16—第二直线电机；
镜；
17—第二双透镜组合； 18—长通滤波片； 19—第二光纤耦合透
镜；
20—工作舱； 21-1—LIBS聚焦视窗； 21-2—Raman-LIF聚
焦视窗。
具体实施方式
如图1和图2所示，本发明包括工作舱，所述工作舱内设置全固态长脉冲激光器1、LIBS-Raman-LIF前置光路2、LIBS光谱仪3、Raman-LIF光谱仪4和电子控制系统5，所述全固态长脉冲激光器1为激发光源，全固态长脉冲激光器1发出的激光通过LIBS-Raman-LIF前置光路2后聚焦于燃烧流场火焰中，所述全固态长脉冲激光器1、LIBS-Raman-LIF前置光路2、LIBS光谱仪3、Raman-LIF光谱仪4均电连接在电子控制系统5上，所述LIBS-Raman-LIF前置光路2包括激光分束镜6、LIBS前置光路2-1和Raman-LIF前置光路2-2，所述LIBS前置光路2-1和Raman-LIF前置光路2-2共用一个激光分束镜6，所述激光分束镜与入射光线之间的夹角为45°。所述工作舱20的前端分别设置LIBS聚焦视窗21-1和Raman-LIF聚焦视窗21-2，所述LIBS聚焦视窗21-1和LIBS前置光路2-1对应设置，Raman-LIF聚焦视窗21-2与Raman-LIF前置光路2-2对应设置。
本实施例中，激光分束镜6为Nd:YAG激光分束镜，分光镜的投射与反射比为9：1。
本实施例中，所述LIBS前置光路2-1包括第一长波通二向色镜7、第一凹透镜8和第一双透镜组合10，第一长波通二向色镜7、第一凹透镜8和第一双透镜组合10沿激光行进方向从左至右依次设置在激光分束镜6的右侧，第一长波通二向色镜7与激光分束镜6平行设置，第一长波通二向色镜7的上方平行设置有宽带反射镜11，宽带反射镜11的左侧设置第一光纤耦合透镜12，第一光纤耦合透镜12将信号光耦合至光纤并传输到LIBS光谱仪3，所述第一长波通二向色镜7的截止波长为900nm。透过激光分束镜6的1064nm激光依次通过第一长波通二向色镜7和第一凹透镜8，经过第一凹透镜8和第一双透镜组合10后将激光聚焦至燃烧场中，产生的LIBS信号通过第一双透镜组合10与第一凹透镜8后变为平行的光谱信号，经第一长波通二向色镜7反射至宽带反射镜11，由第一光纤耦合透镜12将信号光耦合至光纤并传输到LIBS光谱仪3，实现LIBS信号的探测。
本实施例中，所述Raman-LIF前置光路2-2包括第二长波通二向色镜14、第二凹透镜15和第二双透镜组合17，所述第二长波通二向色镜14平行设置在激光分束镜6的下方，且第二长波通二向色镜14和激光分束镜6之间设置二倍频晶体13，第二凹透镜15和第二双透镜组合17依次设置在第二长波通二向色镜14的右侧，第二长波通二向色镜14的左侧依次设置长通滤波片18和第二光纤耦合透镜19，第二光纤耦合透镜19将光信号耦合至光纤并传输到Raman-LIF光谱仪4，所述第二长波通二向色镜14的截止波长为535nm。由激光分束镜6反射的1064nm激光通过二倍频晶体13后将基频光转变成532nm激光，依次通过第二长波通二向色镜14和第二凹透镜15，532nm激光经过第二凹透镜15和第二双透镜组合17后将激光聚焦至燃烧场中，产生的Raman与LIF信号通过第二双透镜组合17和第二凹透镜15后变为平行的光谱信号，通过第二长波通二向色镜14并经过长通滤波片18，由第二光纤耦合透镜19耦合至光纤并传输到Raman-LIF光谱仪4，实现Raman-LIF信号的探测。
本实施例中，所述电子控制系统5包括控制模块、供电模块和通讯模块，所述供电模块和通讯模块均电连接在控制模块上。
本实施例中，所述全固态长脉冲激光器1发射的基频光的波长为1064nm，产生的纳秒激光脉冲宽度为100ns，脉冲能量最大为250mJ，所述二倍频晶体13位于激光分束镜的反射端，二倍频晶体13用于将基频光转变为波长532nm的激光。
本实施例中，所述第一凹透镜8和第二凹透镜15的直径为1英寸，所述第一双透镜组合10及第二双透镜组合17均由直径相同的月牙透镜和凸透镜平行贴合叠放组成，第一双透镜组合10及第二双透镜组合17的直径为4英寸。
本实施例中，所述第一凹透镜8及第二凹透镜15分别安装于第一直线电机9和第二直线电机16上，通过直线电机调整凹透镜与双透镜组合的间距改变激光实际聚焦距离，以实现燃烧场的远程变焦功能，所述第一直线电机9和第二直线电机16的移动精度为20μm，所述第一直线电机9和第二直线电机16均电连接在控制模块上。
本实施例中，所述LIBS光谱仪3的光谱范围为200-880nm，光谱分辨率为0.3nm；所述Raman-LIF光谱仪4的光谱范围0-4500cm-1，光谱分辨率为10cm-1，所述LIBS前置光路2-1形成LIBS光谱，LIBS光谱诱导产生原子及阳离子光谱，Raman-LIF前置光路2-2形成Raman光谱和LIF光谱，Raman光谱提供具有拉曼活性的阴离子及分子光谱，LIF光谱提供具有荧光活性的分子光谱。
本装置系统使用时，包括以下步骤：
S1、打开全固态长脉冲激光器1发射激光脉冲，通过LIBS-Raman-LIF前置光路2将激光聚焦于燃烧场火焰中；
S2、通过LIBS光谱仪3、Raman-LIF光谱仪4完成对光谱信号的收集：LIBS光谱仪3采用外触发模式，由全固态长脉冲激光器1的调Q输出信号对LIBS光谱仪3进行触发，在激光脉冲发射后时间间隔t1，打开LIBS光谱仪3，采集时间为t2，之后关闭LIBS光谱仪3，获得LIBS光谱信号；Raman-LIF光谱仪4采用内触发模式，在全固态长脉冲激光器1开启后通过控制模块开启Raman-LIF光谱仪4，采集时间为t3，之后关闭Raman-LIF光谱仪4，获得Raman-LIF光谱信号。
其中，t1的取值优选为1μs，t2的取值优选为1ms，t3的取值优选为1s；光谱采集分为时间和空间两种采集模式，时间分辨模式下无需改变凹透镜位置，对燃烧场进行定点探测，获取燃烧场等离子体信息的时间变化过程；空间分辨模式下利用直线电机控制调节凹透镜与双透镜组合之间的距离，分析不同空间位置燃烧场的等离子体辐射信息。
其中，对于LIBS探测过程，脉冲激光所诱导产生的等离子体在初期存在强烈的连续背景辐射，需要设置一定的时间延时避开连续背景辐射的干扰以获得分立的特征光谱信号，因此激光脉冲与LIBS光谱仪3之前需要间隔一定时间t1，时间间隔t1优先选择设置为1μs。LIBS光谱获取需要设置一定的采集时间t2，可设置在1～50ms之间，由于等离子体辐射通常持续几十μs，时间间隔t2优先设置为1ms。相较于LIBS探测，Raman与LIF探测无需设置时间延迟，光谱仪处于内触发模式，需设置相应采集时间t3，由于所采用的激光器为脉冲激光器，Raman及LIF信号的获取需设置相对较长的积分时间以提高探测灵敏度，采集时间t3可设置在1～60s之间，而燃烧场处于动态变化过程，积分时间不宜过长，时间间隔t3优选设置为1s。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (10)
1.一种长脉冲LIBS-Raman-LIF多光谱联合原位探测系统，其特征在于，包括工作舱，所述工作舱(20)内设置全固态长脉冲激光器(1)、LIBS-Raman-LIF前置光路(2)、LIBS光谱仪(3)、Raman-LIF光谱仪(4)和电子控制系统(5)，所述全固态长脉冲激光器(1)为激发光源，单脉冲全固态长脉冲激光器(1)发出的激光通过LIBS-Raman-LIF前置光路(2)后聚焦于燃烧流场火焰中，所述全固态长脉冲激光器(1)、LIBS-Raman-LIF前置光路(2)、LIBS光谱仪(3)、Raman-LIF光谱仪(4)均电连接在电子控制系统(5)上，所述LIBS-Raman-LIF前置光路(2)包括激光分束镜(6)、LIBS前置光路(2-1)和Raman-LIF前置光路(2-2)，所述LIBS前置光路(2-1)和Raman-LIF前置光路(2-2)共用一个激光分束镜(6)，所述激光分束镜与入射光线之间的夹角为45°，所述工作舱(20)的前端分别设置LIBS聚焦视窗(21-1)和Raman-LIF聚焦视窗(21-2)，所述LIBS聚焦视窗(21-1)和LIBS前置光路(2-1)对应设置，Raman-LIF聚焦视窗(21-2)与Raman-LIF前置光路(2-2)对应设置。
2.根据权利要求1所述的一种长脉冲LIBS-Raman-LIF多光谱联合原位探测系统，其特征在于，所述LIBS前置光路(2-1)包括第一长波通二向色镜(7)、第一凹透镜(8)和第一双透镜组合(10)，第一长波通二向色镜(7)、第一凹透镜(8)和第一双透镜组合(10)沿激光行进方向从左至右依次设置在激光分束镜(6)的右侧，第一长波通二向色镜(7)与激光分束镜(6)平行设置，第一长波通二向色镜(7)的上方平行设置有宽带反射镜(11)，宽带反射镜(11)的左侧设置第一光纤耦合透镜(12)，第一光纤耦合透镜(12)将信号光耦合至光纤并传输到LIBS光谱仪(3)，所述第一长波通二向色镜(7)的截止波长为900nm。
3.根据权利要求2所述的一种长脉冲LIBS-Raman-LIF多光谱联合原位探测系统，其特征在于，所述Raman-LIF前置光路(2-2)包括第二长波通二向色镜(14)、第二凹透镜(15)和第二双透镜组合(17)，所述第二长波通二向色镜(14)平行设置在激光分束镜(6)的下方，且第二长波通二向色镜(14)和激光分束镜(6)之间设置二倍频晶体(13)，第二凹透镜(15)和第二双透镜组合(17)依次设置在第二长波通二向色镜(14)的右侧，第二长波通二向色镜(14)的左侧依次设置长通滤波片(18)和第二光纤耦合透镜(19)，第二光纤耦合透镜(19)将光信号耦合至光纤并传输到Raman-LIF光谱仪(4)，所述第二长波通二向色镜(14)的截止波长为535nm。
4.根据权利要求1所述的一种长脉冲LIBS-Raman-LIF多光谱联合原位探测系统，其特征在于，所述电子控制系统(5)包括控制模块、供电模块和通讯模块，所述供电模块和通讯模块均电连接在控制模块上。
5.根据权利要求3所述的一种长脉冲LIBS-Raman-LIF多光谱联合原位探测系统，其特征在于，所述全固态长脉冲激光器(1)发射的基频光的波长为1064nm，产生的纳秒激光脉冲宽度为100ns，脉冲能量最大为250mJ，所述二倍频晶体(13)位于激光分束镜的反射端，二倍频晶体(13)用于将基频光转变为波长532nm的激光。
6.根据权利要求3所述的一种长脉冲LIBS-Raman-LIF多光谱联合原位探测系统，其特征在于，所述第一凹透镜(8)和第二凹透镜(15)的直径为1英寸，所述第一双透镜组合(10)及第二双透镜组合(17)均由直径相同的月牙透镜和凸透镜平行贴合叠放组成，第一双透镜组合(10)及第二双透镜组合(17)的直径为4英寸。
7.根据权利要求3所述的一种长脉冲LIBS-Raman-LIF多光谱联合原位探测系统，其特征在于，所述第一凹透镜(8)及第二凹透镜(15)分别安装于第一直线电机(9)和第二直线电机(16)上，通过直线电机调整凹透镜与双透镜组合的间距改变激光实际聚焦距离，以实现燃烧场的远程变焦功能，所述第一直线电机(9)和第二直线电机(16)的移动精度为20μm，所述第一直线电机(9)和第二直线电机(16)均电连接在控制模块上。
8.根据权利要求1所述的一种长脉冲LIBS-Raman-LIF多光谱联合原位探测系统，其特征在于，所述LIBS光谱仪(3)的光谱范围为200-880nm，光谱分辨率为0.3nm；所述Raman-LIF光谱仪(4)的光谱范围0-4500cm-1，光谱分辨率为10cm-1，所述LIBS前置光路(2-1)形成LIBS光谱，LIBS光谱诱导产生原子及阳离子光谱，Raman-LIF前置光路(2-2)形成Raman光谱和LIF光谱，Raman光谱提供具有拉曼活性的阴离子及分子光谱，LIF光谱提供具有荧光活性的分子光谱。
9.一种利用权利要求1-8中任一权利要求所述的长脉冲LIBS-Raman-LIF多光谱联合原位探测系统来进行燃烧场组分LIBS-Raman-LIF多光谱联合原位探测的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、打开全固态长脉冲激光器(1)发射激光脉冲，通过LIBS-Raman-LIF前置光路(2)将激光聚焦于燃烧场火焰中；
S2、通过LIBS光谱仪(3)、Raman-LIF光谱仪(4)完成对光谱信号的收集：LIBS光谱仪(3)采用外触发模式，由全固态长脉冲激光器(1)的调Q输出信号对LIBS光谱仪(3)进行触发，在激光脉冲发射后时间间隔t1，打开LIBS光谱仪(3)，采集时间为t2，之后关闭LIBS光谱仪(3)，获得LIBS光谱信号；Raman-LIF光谱仪(4)采用内触发模式，在全固态长脉冲激光器(1)开启后通过控制模块开启Raman-LIF光谱仪(4)，采集时间为t3，之后关闭Raman-LIF光谱仪(4)，获得Raman-LIF光谱信号。
10.根据权利要求9所述的一种长脉冲LIBS-Raman-LIF多光谱联合原位探测方法，其特征在于，t1的取值范围为0.9～10μs，t2的取值范围为1～50ms，t3的取值范围为1～60s；光谱采集分为时间和空间两种采集模式，时间分辨模式下无需改变凹透镜位置，对燃烧场进行定点探测，获取燃烧场等离子体信息的时间变化过程；空间分辨模式下利用直线电机控制调节凹透镜与双透镜组合之间的距离，分析不同空间位置燃烧场的等离子体辐射信息。
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