CN203376255U - 一种用于libs远程探测的望远聚焦收集系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于LIBS远程探测的望远聚焦收集系统，激光初级扩束系统同轴设置于激光发生装置的出射方向；反射系统设置于激光初级扩束系统的激光出射方向；望远系统在反射系统的激光出射方向一侧同轴设置；光纤耦合系统在反射系统的另一侧，与望远系统同轴设置，并在光纤耦合系统的会聚焦点处设置光纤。本实用新型能使激光在不同的距离下聚焦，并且使得聚焦光斑小于1mm，保证其在被测物的表面能激发出高温、高密度的等离子体，同时保证聚焦光路和收集光路同轴，用最少的调整量来控制在不同距离下的聚焦和收集的优化，还需保证在不同的距离下都能将宽波段的光谱信号耦合到光纤芯径中。

Description

一种用于LIBS远程探测的望远聚焦收集系统

技术领域

本实用新型涉及光学设计领域，特别是一种用于LIBS远程探测的望远聚焦收集系统。

背景技术

激光诱导击穿光谱技术，简称LIBS技术，其基本原理是一束高能量的激光经透镜聚焦后产生高温、高密度的等离子体，通过分析等离子体光谱中的特征谱线来检测样品的组分含量，由于其具有无需样品制备、可同时测量多种元素、可测固、液、气以及非接触式、快速测量等优点，非常适合于在线、实时、非接触式分析，现已广泛应用于冶金、环境、考古、深海、太空等各行各业。

目前LIBS技术的发展已由近距离测量逐渐发展到远程测量，如在高温、高辐射的危险环境、悬崖峭壁、太空深海等人无法到达的环境下就需要利用LIBS技术进行远距离测量，而且随着被测物的变化，测量距离也相应的变化，目前的LIBS系统或者是不能同时在不同距离聚焦收集，不能满足在不同距离下的分析测量；或者是聚焦系统和收集系统是分离的，这样的光学系统不够紧凑，不容易调节，所以目前的LIBS系统不适合LIBS应用于未知远距离下的分析测量。

实用新型内容

针对现有技术的不足，本实用新型提供一种能使激光在不同的距离下聚焦，并且使得聚焦光斑小于1mm，保证其在被测物的表面能激发出高温、高密度的等离子体，同时保证聚焦光路和收集光路同轴，用最少的调整量来控制在不同距离下的聚焦和收集的优化，还需保证在不同的距离下都能将宽波段的光谱信号聚焦到光纤芯径中的望远聚焦收集系统。

本实用新型为实现上述目的所采用的技术方案是：一种用于LIBS远程探测的望远聚焦收集系统，激光初级扩束系统2同轴设置于激光发生装置1的出射方向，用于对激光进行扩束；反射系统设置于激光初级扩束系统2的激光出射方向，用于将激光导入望远系统中，并将等离子体7导入光纤耦合系统8；望远系统同轴设置于反射系统的激光出射方向一侧，用于对激光进行扩束聚焦，并收集激光聚焦到被测物表面产生的等离子体7；光纤耦合系统8在反射系统的另一侧，与望远系统同轴设置，并在光纤耦合系统8的聚焦焦点处设置光纤9。

所述激光初级扩束系统2包括依次同轴设置的第一双凹负透镜10、第一弯月透镜11和第一双凸正透镜12，所述第一双凸正透镜12的出射激光与光轴平行。

所述反射系统包括与激光初级扩束系统2的光轴成45度角设置的反射镜3和二向色镜4；

所述反射镜3和二向色镜4的中心分别与激光初级扩束系统2和望远系统同轴，且中心连线垂直于初级扩束系统2的光轴。

所述望远系统包括在二向色镜4的激光出射方向依次同轴设置的主镜5和副镜6。

所述主镜5为凹球面镜，且中心开孔；所述副镜6为可在光轴方向移动的凸非球面镜。

所述光纤耦合系统包括在通过二向色镜4的等离子体7的出射方向依次同轴设置的第二双凸正透镜13、第二双凹负透镜14、第三双凸正透镜15和第二弯月透镜16。

本实用新型具有以下有益效果及优点：

1.可在不同距离下对激光进行聚焦，且聚焦光斑小于1mm，保证了在被测物表面能激发出高温、高密度的等离子体；

2.聚焦光路和收集光路为同轴结构，使得系统更加紧凑、更加容易调节；

3.望远系统即作为激光聚焦系统的一部分，又作为光谱信号收集系统的一部分，保证了只需移动副镜即可实现激光聚焦和光谱信号收集在不同距离下能同时优化，大大缩短了优化时间;

4.在不同距离下能将宽波段的信号光都耦合到光纤芯径中。

附图说明

图1是本实用新型的总体结构示意图；

图2是本实用新型的激光初级扩束系统的光学结构示意图；

图3是本实用新型的收集系统的光学结构示意图；

图4是激光经本系统后在5m处聚焦的几何弥散斑示意图；

图5是5m外的光谱信号经本系统收集聚焦的几何弥散斑示意图；

其中，1为激光发生装置，2为激光初级扩束系统，3为反射镜，4为二向色镜，5为主镜，6为副镜，7为等离子体，8为光纤耦合系统，9为光纤，10为第一双凹负透镜，11为第一弯月透镜，12为第一双凸正透镜，13为第二双凸正透镜，14为第二双凹负透镜，15为第三双凸正透镜，16为第二弯月透镜。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本实用新型做进一步的详细说明。

如图1所示为本实用新型的总体结构示意图，本实用新型提供一种用于LIBS远程探测的望远聚焦收集系统，其中：激光发生装置1发出激光光束，激光初级扩束系统2接收并将激光光束进行第一次扩束后，经过反射镜3和二向色镜4的反射，并通过主镜5的中心孔照射到副镜6；

激光光束经副镜6扩束散后反射到主镜5上再次反射，通过主镜5反射的激光光束聚焦，产生等离子体7；

等离子体7传输到经主镜5收集后，反射到副镜6再次反射，并通过二向色镜4后传输到收集光纤耦合系统8；

等离子体7通过收集光纤耦合系统8后聚焦耦合到光纤9中，光纤9将等离子体7传输到通过光谱仪中进行分光处理分析探测，最后得到了含被测物组分含量信息的光谱图。

望远系统即作为激光聚焦系统的一部分又作为等离子体光谱信号收集系统的一部分，加上二向色镜4的配合保证了激光聚焦光路和等离子体光谱信号收集光路为同轴结构。保证了只需移动副镜6即可实现激光聚焦和等离子体光谱信号收集在不同距离下能同时优化。

光纤耦合系统8能够降低其系统中的球差和色差，保证在不同的距离下都能将宽波段的等离子体光谱信号耦合到光纤芯径中。

如图2所示为本实用新型的激光初级扩束系统的结构示意图，包括依次同轴设置第一双凹负透镜10、第一弯月透镜11和第一双凸正透镜12，使第一双凸正透镜12的出射激光与光轴平行。

激光经透镜10扩散后，再经透镜11和12进行准直，镜片都镀增透膜，注意镜片的摆放位置，防止鬼点打坏镜片。

如图3所示为本实用新型的光纤耦合系统的结构示意图，包括在二向色镜的等离子体光谱信号出射方向依次同轴设置的第二双凸正透镜13、第二双凹负透镜14、第三双凸正透镜15和第二弯月透镜16。

宽波段的等离子体光谱信号经透镜聚焦会产生各种像差，如球差、色差等，设计中采用多组镜片以及采用不同的材料来消减各种像差。

以激光（1064nm，光斑直径8mm）经望远聚焦收集光学系统后在5m处聚焦收集为例，其具体实施方式如下：

首先激光照射到激光初级扩束系统后，出射后光斑变为27mm，经反射镜3将激光折到二向色镜4上，二向色镜4将激光反射到望远系统中的副镜6上，激光经副镜6扩束反射到主镜5上，此时激光光斑变为120mm，当主镜5和副镜6的间距为112.03mm时，主镜5将激光聚焦到5m远处的位置，此时激光聚焦产生等离子体7，聚焦光斑为324um。

聚焦产生的等离子体光谱信号7经望远系统主镜5收集，然后反射到副镜6，经副镜6反射出近似平行光的信号光，然后透过二向色镜4将光谱信号传输到光纤耦合系统8中，经光纤耦合系统8将光谱信号耦合到光纤中，此时宽波段的光谱信号聚焦光斑为312um，绝大部分能量都能耦合到光纤9（芯径600um）中

其用光学设计软件模拟成像质量如下：

如图4所示为激光经本系统后在5m处聚焦的几何弥散斑示意图，望远聚焦收集光学系统在5m处激光（1064nm）聚焦的几何弥散斑，其RMS半径为324um，满足了激光聚焦光斑小于1mm的要求，从而保证了激光在5m远的被测物表面激发出高温、高密度的等离子体。

如图5所示为5m外的光谱信号经本系统收集聚焦的几何弥散斑示意图，望远聚焦收集光学系统在5m处光谱信号（250nm-900nm）收集聚焦的几何弥散斑，其RMS半径为312um，保证了绝大部分能量都能耦合到光纤9（芯径600um）中

本实用新型的望远聚焦收集光学系统非常适合于LIBS远程探测的需求，利用该望远聚焦收集光学系统，可以得到很好的聚焦效果，极大地提高了激光焦点处的能量密度，保证焦点处能激发出高温、高密度的等离子体，而且由于该望远聚焦收集光学系统中的主镜和副镜之间的间距可以调节，所以可以根据需要灵活地改变激光聚焦位置，同时该望远聚焦收集光学系统保证了聚焦光路和收集光路为同轴结构，只需改变副镜的位置，即可同时在不同距离下对聚焦和收集进行优化，大大缩短了优化时间，而且可以在不同距离下将宽波段的光谱信号都耦合到光纤芯径中，所以该实用新型非常适合用于LIBS应用于未知远距离下的分析测量。

Claims (6)

1.一种用于LIBS远程探测的望远聚焦收集系统，其特征在于：

激光初级扩束系统（2）同轴设置于激光发生装置（1）的出射方向，用于对激光进行扩束；

反射系统设置于激光初级扩束系统（2）的激光出射方向，用于将激光导入望远系统中，并将等离子体（7）导入光纤耦合系统（8）；

望远系统同轴设置于反射系统的激光出射方向一侧，用于对激光进行扩束聚焦，并收集激光聚焦到被测物表面产生的等离子体（7）；

光纤耦合系统(8)在反射系统的另一侧，与望远系统同轴设置，并在光纤耦合系统(8)的聚焦焦点处设置光纤（9）。

2.根据权利要求1所述的用于LIBS远程探测的望远聚焦收集系统，其特征在于：所述激光初级扩束系统（2）包括依次同轴设置的第一双凹负透镜（10）、第一弯月透镜（11）和第一双凸正透镜（12），所述第一双凸正透镜（12）的出射激光与光轴平行。

3.根据权利要求1所述的用于LIBS远程探测的望远聚焦收集系统，其特征在于：所述反射系统包括与激光初级扩束系统（2）的光轴成45度角设置的反射镜（3）和二向色镜（4）；

所述反射镜（3）和二向色镜（4）的中心分别与激光初级扩束系统（2）和望远系统同轴，且中心连线垂直于初级扩束系统（2）的光轴。

4.根据权利要求1或3所述的用于LIBS远程探测的望远聚焦收集系统，其特征在于：所述望远系统包括在二向色镜（4）的激光出射方向依次同轴设置的主镜（5）和副镜（6）。

5.根据权利要求4所述的用于LIBS远程探测的望远聚焦收集系统，其特征在于：所述主镜（5）为凹球面镜，且中心开孔；所述副镜（6）为可在光轴方向移动的凸非球面镜。

6.根据权利要求1所述的用于LIBS远程探测的望远聚焦收集系统，其特征在于：所述光纤耦合系统包括在通过二向色镜（4）的等离子体（7）的出射方向依次同轴设置的第二双凸正透镜（13）、第二双凹负透镜（14）、第三双凸正透镜（15）和第二弯月透镜（16）。

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