CN117269147A - 一种增强反射式同轴libs激发收集系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种增强反射式同轴LIBS激发收集系统，利用同轴的二向色镜，凹面反射镜，凸面反射镜，激发光路和同轴光路具有重复段，能够使得系统具备多个焦点，能够使得光路维护变得更加简易，光路稳定性提高，解决了解决现有技术中光路维护难、稳定性差的缺陷；凹面反射镜和凸面反射镜的表面覆有介质膜和金属膜，介质膜和金属膜的共同使用使得凹面反射镜和凸面反射镜中的光路损耗降低，能够有效降低光路在传播过程中的光路损耗，提高损伤阈值，实现均一的宽带响应；位移台带动着凸面反射镜，位移台的调整方向平行于激发光路，使得系统的焦距能够被调节，能够改变系统的焦距，使得系统具有对物体位置变动的境况进行对应调整的功能。
Description
技术领域
本发明涉及一种光谱测定领域，尤其涉及一种增强反射式同轴LIBS激发收集系统。
背景技术
LIBS系统是一种使用激光诱导击穿光谱技术进行元素分析的系统。LIBS系统通过激光脉冲将样品表面的物质击穿，产生等离子体，并通过光谱分析等离子体发射的光谱，从而确定样品中的元素成分和浓度。LIBS系统具有非接触、快速、无需样品预处理等优点，可以广泛应用于材料科学、环境监测、药物分析、冶金矿产等领域。它可以用于分析固体、液体和气体样品，适用于不同类型的样品分析。
LIBS系统的工作过程通常包括以下步骤：激光脉冲：LIBS系统使用高能量激光器发射激光脉冲，通常采用纳秒级或飞秒级的激光脉冲。激光脉冲的能量足够高，可以将样品表面的物质击穿；等离子体形成：激光脉冲击穿样品表面后，产生的高温、高压等离子体形成。等离子体中的原子和离子被激发到高能级；发射光谱：等离子体在激发态向基态跃迁时，会发出特定波长的光谱线。LIBS系统通过光学元件收集等离子体发出的光谱，并将其转换为电信号；光谱分析：收集到的光谱信号被传输到光谱分析仪器中进行处理和解析。光谱分析仪器可以识别和测量不同元素的光谱线强度和波长；元素识别和定量：根据收集到的光谱数据，LIBS系统可以通过比对已知元素的光谱特征，识别样品中存在的元素。同时，根据光谱线的强度，可以计算出元素的相对或绝对浓度；数据分析和结果输出：LIBS系统将分析得到的元素识别和定量结果进行数据处理和分析，并将结果以可视化的形式输出，如图表、报告等。
现有技术CN111077135A中公开了一种便携式LIBS系统，该系统包括光源、探测器、第一光反射器件和第一驱动单元等部件，将第一驱动驱动单元将激光进行偏转而对物体进行探测，但由于使用激光激发和光谱收集模块分离的方法，但这种方法会导致焦点位置唯一，从而引起光路维护难、稳定性差等问题，且大尺度的镜片加工成本高，而且透射式方案采用的透镜较多，覆盖宽带增透镀膜技术较难实现，光路损耗严重。
因此，有必要对现有技术中的LIBS激发收集系统进行改进，以解决上述问题。
发明内容
本发明克服了现有技术的不足，提供一种增强反射式同轴LIBS激发收集系统，旨在解决现有技术中光路损耗严重以及稳定性低的缺陷。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种增强反射式同轴LIBS激发收集系统，包括：一种增强反射式同轴LIBS激发收集系统，包括：核心激发模块、收集模块和位移台；
所述核心激发模块设置有纳秒脉冲激光，所述核心激发模块用于脉冲激光的产生以及发射道路的调整，通过所述纳秒脉冲激光产生激光，并依次通过扩束镜，二向色镜，凸面反射镜和凹面反射镜，使得激光投射到物体表面；
所述收集模块设置有聚焦透镜，物体经过激光照射后的等离子体光谱依次经过凹面反射镜，凸面反射镜，二向色镜和聚焦透镜；所述聚焦透镜将等离子体光谱汇聚到光谱仪上；
所述位移台用于调节所述凸面反射镜进而实现系统的焦距调整，所述位移台和所述凸面反射镜通过调节与凹面反射镜的相对距离，实现对系统焦距的改变。
本发明一个较佳实施例中，所述纳秒脉冲激光、所述扩束镜、所述二向色镜、所述凹面反射镜和所述凸面反射镜使用时位于同一激发光路上。
本发明一个较佳实施例中，所述聚焦透镜使用时位于所述二向色镜的收集光路上，所述收集光路与此段激发光路垂直。
本发明一个较佳实施例中，所述位移台的调整方向平行于激发光路。
本发明一个较佳实施例中，所述凹面反射镜和所述凸面反射镜的表面覆有介质膜和金属膜。
本发明一个较佳实施例中，所述凹面反射镜中心有圆孔，能够透过激光。
本发明一个较佳实施例中，所述激发收集系统结合智能光谱解耦算法，依托快速高精度普适性算法模型，实现多参数同步检出。
本发明一个较佳实施例中，所述凹面反射镜和所述凸面反射镜的光轴重合。
一种增强反射式同轴LIBS激发收集系统的使用方法，基于一种增强反射式同轴LIBS激发收集系统，包括以下步骤：
S1：将所述核心激发模块、所述收集模块和所述位移台按照激发光路方向和收集光路方向分别设置并调整好位置；
S2：启动纳秒脉冲激光，激发脉冲激光，并依次通过扩束镜，二向色镜，凸面反射镜和凹面反射镜照射到物体表面；
S3：根据物体高度，调整所述位移台与所述凹面反射镜的相对距离，调整系统焦距；
S4：物体表面散射出等离子体光谱，等离子体光谱依次经过凹面反射镜，凸面反射镜，二向色镜和聚焦透镜到达光谱仪。
本发明一个较佳实施例中，所述凸面反射镜的定位精度与所述位移台的调整加速度相匹配。
本发明解决了背景技术中存在的缺陷，本发明具备以下有益效果：
(1)本发明提供了一种增强反射式同轴LIBS激发收集系统，利用同轴的二向色镜，凹面反射镜，凸面反射镜，激发光路和同轴光路能够具有重复段，能够使得系统具备多个焦点，相比于现有技术中的LIBS激发收集系统，能够使得光路维护变得更加简易，光路稳定性提高，解决了解决现有技术中光路维护难、稳定性差的缺陷。
(2)本发明中，凹面反射镜和凸面反射镜的表面覆有介质膜和金属膜，介质膜和金属膜的共同使用使得凹面反射镜和凸面反射镜中的光路损耗降低，相比于现有技术，能够有效降低光路在传播过程中的光路损耗，提高损伤阈值，实现均一的宽带响应。
(3)本发明中，位移台带动着凸面反射镜，位移台的调整方向平行于激发光路，使得系统的焦距能够被调节，相比于现有技术，能够改变系统的焦距，避免单一焦距位置对收集到的光谱产生影响，使得系统具有对物体位置变动的境况进行对应调整的功能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图；
图1是本发明的优选实施例的立体结构图；
图2是本发明的优选实施例的使用方法流程图；
图中：1、纳秒脉冲激光；2、扩束镜；3、二向色镜；4、凹面反射镜；5、凸面反射镜；6、位移台；7、聚焦透镜。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
如图1所示，一种增强反射式同轴LIBS激发收集系统，包括：一种增强反射式同轴LIBS激发收集系统，包括：核心激发模块、收集模块和位移台6；
核心激发模块设置有纳秒脉冲激光1，核心激发模块用于脉冲激光1的产生以及发射道路的调整，通过纳秒脉冲激光1产生激光，并依次通过扩束镜2，二向色镜3，凸面反射镜5和凹面反射镜4，使得激光投射到物体表面。
纳秒脉冲激光1能够发生出脉冲激光，脉冲激光为发散状，相比于集中式的激光，发散型激光使得激光尺寸更大，产生的激光束更多，光线的散射效应相对减小，能量损耗也相对减小，提高了系统的使用性能。
纳秒脉冲激光1朝扩束镜2方向发射激光，扩束镜2的作用是将发散的光线聚焦成平行光束，纳秒脉冲激光1中所产生的发散激光经过扩束镜2后均转变成平行激光，经过扩束镜2后的发散激光尺寸应小于凸面反射镜5的作用范围。
在激发光路中，激光经过二向色镜3时保持照射方向，并透射凹面反射镜4的凸面，直接到达凸面反射镜5。凸面反射镜5的光轴和凹面反射镜4的光轴重合，经过凸面反射镜5的激光被反射到凹面反射镜4的凹面上，再经过凹面反射镜4的反射，光线汇聚在同一点，并照射到物体上，物体在激光的照射中，物体上的原子和离子接收到能量，分别往高能级上跃迁，在跃迁过程中产生不同的光谱线。
收集模块设置有聚焦透镜7，物体经过激光照射后的等离子体光谱依次经过凹面反射镜4，凸面反射镜5，二向色镜3和聚焦透镜7；聚焦透镜7将等离子体光谱汇聚到光谱仪上。
物体上的在接收到能量后产生等离子光谱线，等离子光谱线呈散射状，并分别照射到凹面反射镜4的凹面上。等离子光谱线到达凹面反射镜4的凹面上时发生反射，反射后照射到凸面反射镜5的光面上。
等离子光谱线照射到凸面反射镜5上后，发生折射，而根据凸面镜的反射效应，等离子光谱线反射后的光线相互平行，产生汇聚现象。反射后的等离子光谱线经过凹面反射镜4时，发生折射角为0的照射，等离子光谱线的方向始终保持。
当等离子光谱线到达二向色镜3时，等离子光谱线发生偏折，偏折后的等离子光谱线方向与原等离子光谱线方向垂直。偏折后的等离子光谱线经过聚焦透镜7，发生汇聚透射现象，透射后的等离子光谱线汇聚成一点，并抵达光谱仪上，并经过光谱仪的分析，由光信号变为电信号。
位移台6用于调节凸面镜进而实现系统的焦距调整，位移台6和凸面反射镜5通过调节与凹面反射镜4的相对距离，实现对系统焦距的改变。位移台带动着凸面反射镜，位移台的调整方向平行于激发光路，使得系统的焦距能够被调节，能够改变系统的焦距，避免单一焦距位置对收集到的光谱产生影响，使得系统具有对物体位置变动的境况进行对应调整的功能。
纳秒脉冲激光1、扩束镜2、二向色镜3、凹面反射镜4和凸面反射镜5使用时位于同一激发光路上。位移台6的调整方向平行于激发光路。扩束镜2、二向色镜3的光路偏转轴线和凹面反射镜4和凸面反射镜5的光轴重合，使得在激发光路上的激光能够始终以平行状态传播。
利用同轴的二向色镜3、凹面反射镜4和凸面反射镜5，激发光路和同轴光路能够具有重复段，能够使得系统具备多个焦点，能够使得光路维护变得更加简易，光路稳定性提高，解决了解决现有技术中光路维护难、稳定性差的缺陷。
聚焦透镜7使用时位于二向色镜3的收集光路上，收集光路与此段激发光路垂直。收集光路与此段激发光路垂直能够使得光谱仪中接收到的光谱均是物体上发出的等离子光谱，保证检测的准确性。
凹面反射镜4和凸面反射镜5的表面覆有介质膜和金属膜。凹面反射镜4和凸面反射镜5的光轴重合，使得检测范围提高。凹面反射镜4中心有圆孔，能够透过激光。介质膜、金属膜和圆孔能够分别影响激光或等离子光谱线的传播，减少损耗。凹面反射镜4和凸面反射镜5的表面覆有介质膜和金属膜，介质膜和金属膜的共同使用使得凹面反射镜和凸面反射镜中的光路损耗降低，能够有效降低光路在传播过程中的光路损耗，提高损伤阈值，实现均一的宽带响应。
介质膜是一种具有特定折射率的薄膜，它可以用于控制光的传播和反射。当光线从一个介质进入另一个折射率较高的介质时，会发生折射现象，部分光线会被反射回原介质。介质膜可以通过控制膜的厚度和折射率，使得特定波长的光在膜上发生干涉现象，从而实现光的选择性反射或透射。系统能够通过调整介质膜的厚度，使得激光在通过带有介质膜的凹面反射镜4或凸面反射镜5时能够根据相应通路选择折射或反射，降低光路损耗。
金属膜是一种具有高电导率的薄膜，它对光的反射和吸收具有特殊的性质。金属膜通常具有较高的反射率，可以将大部分入射光反射回去。对于可见光范围内的金属膜，如银、铝等，它们的反射率可以达到90％以上。系统中的激发通路和收集通路中均存在有多次反射，在激光或等离子光谱线照射到设置有金属膜的凹面反射镜4或凸面反射镜5时，能够减少反射中的光路损耗。
凹面反射镜4直径为25mm，凹面反射镜4直径为100mm，凹面反射镜4中心有圆孔，能够透过1064nm激光，反射光波长覆盖240nm-1100nm，且均可反射高能量1064nm激光，损伤阈值≥10J/cm2，具有损伤阈值高，均一的宽带响应特点。
激发收集系统结合智能光谱解耦算法，依托快速高精度普适性算法模型，实现多参数同步检出。激发收集系统具有智能学习以及大数据统计功能的软件系统，集成自我智能学习功能，实现多参数同步检出，且保障系统在高稳定，高精度状态下运行。
如图2所示，一种增强反射式同轴LIBS激发收集系统的使用方法，基于一种增强反射式同轴LIBS激发收集系统，包括以下步骤：
S1：将核心激发模块、收集模块和位移台6按照激发光路方向和收集光路方向分别设置并调整好位置；
S2：启动纳秒脉冲激光1，激发脉冲激光1，并依次通过扩束镜2，二向色镜3，凸面反射镜5和凹面反射镜4照射到物体表面；
S3：根据物体高度，调整位移台6与凹面反射镜4的相对距离，调整系统焦距；
S4：物体表面散射出等离子体光谱，等离子体光谱依次经过凹面反射镜4，凸面反射镜5，二向色镜3和聚焦透镜7到达光谱仪。
凸面反射镜5的定位精度与位移台6的调整加速度相匹配。凸面镜5调整加速度最小为20mm/s2或最小速度为4mm/s时，定位精度控制在0.01mm之内，精度范围内离焦范围控制在0.5mm之内，当位移台的速度提高到50-200mm/s时，则相应可降低定位精度的要求。
若样品的高度有变化，通过位移台6调节凸面反射镜5，实现聚焦位置的调节，保证聚焦点始终在样品上。搭配高精度、高速位移台实现焦距的有效调节，获取高稳定性和一致性较好的光谱信息，进而实现高准确性、高精度定量分析。
凸面反射镜5和凹面反射镜4最大间隔为100mm，其余部件间隔可根据实际情况调整，通常为50mm，除凸面反射镜5固定在位移台6上可移动外，其余各个部件的位置均固定。系统中扩束镜2，二向色镜3，聚焦透镜7的镜架均可调节，系统的焦距变化为±10mm。
以上依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定技术性范围。
Claims (10)
1.一种增强反射式同轴LIBS激发收集系统，其特征在于，包括：核心激发模块、收集模块和位移台；
所述核心激发模块设置有纳秒脉冲激光，所述核心激发模块用于脉冲激光的产生以及发射道路的调整，通过所述纳秒脉冲激光产生激光，并依次通过扩束镜，二向色镜，凸面反射镜和凹面反射镜，使得激光投射到物体表面；
所述收集模块设置有聚焦透镜，物体经过激光照射后的等离子体光谱依次经过凹面反射镜，凸面反射镜，二向色镜和聚焦透镜；所述聚焦透镜将等离子体光谱汇聚到光谱仪上；
所述位移台用于调节所述凸面镜进而实现系统的焦距调整，所述位移台和所述凸面反射镜通过调节与凹面反射镜的相对距离，实现对系统焦距的改变。
2.根据权利要求1所述的一种增强反射式同轴LIBS激发收集系统，其特征在于：所述纳秒脉冲激光、所述扩束镜、所述二向色镜、所述凹面反射镜和所述凸面反射镜使用时位于同一激发光路上。
3.根据权利要求2所述的一种增强反射式同轴LIBS激发收集系统，其特征在于：所述聚焦透镜使用时位于所述二向色镜的收集光路上，所述收集光路与此段激发光路垂直。
4.根据权利要求2所述的一种增强反射式同轴LIBS激发收集系统，其特征在于：所述位移台的调整方向平行于激发光路。
5.根据权利要求1所述的一种增强反射式同轴LIBS激发收集系统，其特征在于：所述凹面反射镜和所述凸面反射镜的表面覆有介质膜和金属膜。
6.根据权利要求1所述的一种增强反射式同轴LIBS激发收集系统，其特征在于：所述凹面反射镜中心有圆孔，能够透过激光。
7.根据权利要求1所述的一种增强反射式同轴LIBS激发收集系统，其特征在于：所述激发收集系统结合智能光谱解耦算法，依托快速高精度普适性算法模型，实现多参数同步检出。
8.根据权利要求1所述的一种增强反射式同轴LIBS激发收集系统，其特征在于：所述凹面反射镜和所述凸面反射镜的光轴重合。
9.一种增强反射式同轴LIBS激发收集系统的使用方法，基于权利要求1-8中任一项所述的一种增强反射式同轴LIBS激发收集系统，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将所述核心激发模块、所述收集模块和所述位移台按照激发光路方向和收集光路方向分别设置并调整好位置；
S2：启动纳秒脉冲激光，激发脉冲激光，并依次通过扩束镜，二向色镜，凸面反射镜和凹面反射镜照射到物体表面；
S3：根据物体高度，调整所述位移台与所述凹面反射镜的相对距离，调整系统焦距；
S4：物体表面散射出等离子体光谱，等离子体光谱依次经过凹面反射镜，凸面反射镜，二向色镜和聚焦透镜到达光谱仪。
10.根据权利要求9所述的一种增强反射式同轴LIBS激发收集系统的使用方法，其特征在于：所述凸面反射镜的定位精度与所述位移台的调整加速度相匹配。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311236899.2A CN117269147A (zh) | 2023-09-25 | 2023-09-25 | 一种增强反射式同轴libs激发收集系统 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN202311236899.2A CN117269147A (zh) | 2023-09-25 | 2023-09-25 | 一种增强反射式同轴libs激发收集系统 |
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| CN117269147A true CN117269147A (zh) | 2023-12-22 |
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