CN203414408U - 激光诱导击穿光谱分析系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种激光诱导击穿光谱分析系统，激光诱导击穿光谱分析系统，包括控制单元、脉冲激光器和沿脉冲激光出射方向依次设置的分束器、可移动定位平台、光谱收集单元、光谱仪以及数据处理系统，分束器将脉冲激光器的出射光脉冲分出主光路和采样光路，在主光路上设置有激光扩束准直及聚焦光学系统、与所述可移动定位平台构成反馈控制的样品定位单元，在采样光路上设置有脉冲激光能量测量模块、脉冲触发延迟单元，控制单元具有多路控制信号输出，各控制信号输出端分别对应接至样品定位单元，光谱仪的数据输出端连接至数据处理系统。

Description

激光诱导击穿光谱分析系统

技术领域

本实用新型涉及一种用于组成物质元素定性和定量分析的装置。

背景技术

随着激光技术的快速发展，人们对物质微量元素认识需求的不断提高，激光诱导击穿光谱（Laser-induced Breakdown Spectroscopy简称LIBS）技术近年来成为备受关注并迅速发展的一种基于激光与材料相互作用的原子发射光谱分析新技术。通过对低能量窄脉宽脉冲激光聚焦于样品表面产生的等离子体光谱信号进行分光与检测，得到待测样品中元素的信息，最终计算样品定性和定量的元素。该技术具备以下优势：对样品表面要求不高，不受材料类型、表面形貌、状态、导电性等限制，一般不需前处理，样品损耗小，响应迅速，能够实现多元素同时快速分析；具有非接触分析的特点，易于遥感控制，可用于远距离在线快速检测激光诱导击穿光谱技术已经广泛应用于钢铁、有色、煤炭、地质、考古、环境等行业。

但迄今为止，该技术尚停留在理论设计层面，国内尚未能实践LIBS技术，国外或有研制装置，但仅能实现定性判断，不具备定量分析的功能。

实用新型内容

本实用新型提供了一种激光诱导击穿光谱分析系统，以实现定性和定量分析样品的组成元素及其含量。

为实现以上实用新型目的，本实用新型给出以下基本技术方案：

激光诱导击穿光谱分析系统，包括控制单元、脉冲激光器和沿脉冲激光出射方向依次设置的分束器、用以放置待测样品的可移动定位平台、光谱收集单元、光谱仪以及数据处理系统；所述分束器将脉冲激光器的出射光脉冲按照设定的能量分配比例分出主光路和采样光路，在主光路上依次设置有激光扩束准直及聚焦光学系统、与所述可移动定位平台构成反馈控制的样品定位单元，在采样光路上分别设置有脉冲激光能量测量模块、脉冲触发延迟单元，其中，脉冲激光能量测量模块的信号输出端连接至控制单元的第一输入端，脉冲触发延迟单元依次通过触发信号产生单元、延迟控制电路方波信号输出连接至控制单元的第二输入端，所述双光束样品定位单元的信号输出端连接至控制单元的第三输入端；控制单元具有多路控制信号输出，各控制信号输出端分别对应接至样品定位单元、可移动定位平台、光谱仪；光谱仪的数据输出端连接至数据处理系统。

基于上述基本技术方案，本实用新型还可以作如下优化限定和改进：

上述样品定位单元包括双光束光源系统和相机，双光束光源系统发出的两束激光以所述主光路的光轴对称并以固定角度照射在待测样品表面；相机用于拍摄待测样品表面的光斑，与可移动定位平台构成反馈控制。当实验环境照度较低时，也可以设置LED照明灯。双光束样品定位单元工作模式可以是：双光束光源系统通电，LED通电，相机通电，可移动定位平台启动；双光束样品定位单元结束工作，双光束断电，LED断电，相机停止拍照，可移动定位平台关闭。

上述光谱收集单元通过光纤耦合连接至光谱仪，光谱收集单元具体优选卡塞格林望远系统。激光激发出来的光谱以2π立体角向外扩展，为了更好地获取光谱信息，故采用光纤作为接收部件（对卡塞格林望远系统只需稍作常规的适应性调整），然后将接收到的光信号输入光谱仪进行光电转化。

上述脉冲触发延迟单元接收来自脉冲激光能量测量模块光入射面的漫反射。激光光束经过分束器后探测光被脉冲激光能量测量模块漫反射进入脉冲触发延迟单元，输出方波信号，用来触发光谱仪采集光谱。

上述样品定位单元始终固定设置于主光路上，整体以主光路的光轴对称，样品定位单元固定板中心开孔，其结构保证对经过激光扩束准直及聚焦光学系统后的激光光束无影响。当然，也可以在脉冲激光器开始工作前移开该样品定位单元，这样样品定位单元也就不必要求无遮挡的结构。

上述分束器的入射面与主光轴夹角最好设置为45°。

上述可移动定位平台的外部还设置有光罩，这样可以防止外界光干扰，同时也便于给光谱收集单元留一定的接入口，让电动三维平移架外接线路方便留有接口。

上述脉冲激光器的工作波长优选1064nm、532nm或256nm，脉冲能量80-120毫焦，脉冲宽度6-9纳秒；所述分束器采用10:90分光镜，即脉冲激光经该分束器透射90%光能量反射10%光能量。

本实用新型的工作过程主要包括以下步骤：

（1）调整待测样品位置

样品定位单元工作，以主光轴对称的两束激光以固定角度照射在待测样品表面，样品定位单元固定板中心开孔，其结构保证对经过激光扩束准直及聚焦光学系统后的激光光束传输无影响，用相机分别拍摄每一束光在待测样品表面的光斑，控制单元采集所得光斑图片通过软件处理得出光斑质心在图片中的坐标，计算两个光斑质心之间的距离，判断待测样品表面是否处于所述激光扩束准直及聚焦光学系统的焦平面位置或者瑞利长度范围内。

如果是，则控制单元控制相机停止拍照，计算光斑面积及光密度，并发送触发信号使脉冲激光器开始工作；

如果否，则控制单元进一步计算待测样品表面与激光扩束准直及聚焦光学系统的焦平面位置的垂直距离，然后控制可移动定位平台移动，带动待测样品表面至焦平面位置；确认待测样品表面到达焦平面位置或者瑞利长度范围内，控制单元控制相机停止拍照，计算光斑面积及光密度，并发送触发信号使脉冲激光器开始工作。

（2）获取光谱

脉冲激光在待测样品上激发出的光谱以2π立体角向外扩展，采用卡塞格林望远系统接收，并通过光纤将接收到的光信号输入光谱仪进行光电转化。

（3）分析结论

将光谱仪输出的测量数据导入数据处理系统，基于测量数据中的波长和强度对应关系来定性和定量分析该待测样品的组成元素及其含量。

本实用新型具有以下优点：

本实用新型采用了一种新的方法针对多元素组份样品组成元素定性和定量的分析。

本实用新型结构简明，操作方便，能够实现定性和定量确定该样品的组成元素及其含量。

本实用新型中，样品定位单元能够精确地保证样品表面位于透镜组焦平面位置，控制单元触发控制脉冲激光器工作和光谱接收，并可记录各项状态参数，确保测试数据实时性和准确性。

附图说明

图1为本实用新型的光路结构示意图。

图中：1-脉冲激光器、2-分束器、3-脉冲激光能量测量模块、4-脉冲信号探测及触发延迟单元、5-激光扩束准直及聚焦光学系统、6-双光束样品定位单元、7-样品室、8-光谱收集单元、9-光谱仪、10-数据处理系统。

图2为本实用新型实施例的激光诱导击穿光谱分析系统的示意图。

图3为双光束样品定位单元固定圆盘仰视图，中心圆孔通光。

图中：11-第一激光束光源、12-第二激光束光源、13-LED光源、14、15两个孔用来固定相机底座。

图4为双光束样品定位光路示意图。

图中：601-LD光源第一光路，602-LD光源第二光路，603-相机成像光学系统；604-CCD；605-主光路光轴。

图5为双光束定位单元的工作流程图。

图6为定量分析单元素的流程。

具体实施方式

该实施例给出的一种激光诱导击穿光谱分析系统，包括脉冲激光器1、分束器2、脉冲激光能量测量模块3、脉冲触发延迟单元4、激光扩束准直及聚焦光学系统5、双光束样品定位单元6、样品室7、光谱收集单元（卡塞格林望远系统）8、光谱仪9、数据处理系统10等。

脉冲激光器具体要求：脉冲要求波长1064nm，脉冲能量100mJ，脉冲宽度7ns，外接电源控制脉冲能量，配置制冷单元。

分束器要求45°入射，可采用10:90分光镜，1064nm脉冲激光严格按照10:90透射90%光能量反射10%光能量。反射光能量10mJ进入能量探测模块。脉冲激光能量测量模块能准确探测到分束器分出来光能量（即光脉冲十分之一的能量）。

脉冲触发延迟单元探测到从光能量测量模块漫反射出来的光信号，然后给出一个方波延迟信号，再由触发延迟单元控制延迟时间发出信号给光谱仪采集信号触发。

双光束样品定位单元要求：以主光轴对称的两束激光（指示准直光束）以与光轴夹角17°照射在样品表面，用相机以20°分别拍摄每一束光在样品表面的光斑，通过软件处理图片得出样品与光学系统焦平面位置的垂直距离，然后由控制单元控制三维平移架向对应的方向移动从而带动样品向焦平面位置移动。确认样品表面到达焦平面位置后输出一个信号给脉冲激光器供电电源，是脉冲激光器发出脉冲激光。

样品室可防止外界光干扰，给光谱收集单元留一定的入口，给电动三维平移架外接线路留有接口。

光谱仪光谱范围200nm～900nm，对光谱的强度敏感、准确。定量样品元素时需要标定，开始收集数据的时间严格按照脉冲信号探测和延迟单元延迟时间确定。

实现定量分析可能涉及的参数：激光器自身输出波长、输出脉冲能量、脉冲宽度、光学系统焦距、聚焦后激光功率密度，通过接收系统和光谱仪做确定的波长和接收光谱的对应关系。另外为定量分析更精确起见，还可以采集样品室内稳定的环境噪声，作为计算参数。

控制单元协调整个收集光谱过程。通过双光束样品定位单元6将样品表面调节到脉冲激光焦平面位置，供电电源开始输出预定电压，1064nm脉冲激光器1发出激光脉冲经过能量分束器2，一小部分光能量进入脉冲激光能量测量模块3得到能量数据作为进行LIBS的光能量参考计算值，由测量模块漫反射的光进入脉冲信号探测及触发延迟单元4，进行探测触发信号给到控制单元。其余光能量通过激光扩束、准直、聚焦到样品室内的待测样品表面，样品在强激光能量照射下产生等离子体激发过程，以2π立体角向外发射，在此过程中样品元素产生的特征谱线被卡塞格林望远系统接收后进入光谱仪生成光谱数据。经过一系列的数据处理最终得到样品的元素及含量。

实际测量得到的谱线强度公式如下：

$I_{\mathrm{mn}}={\mathrm{FC}}^s{A}_{\mathrm{mn}}{g}_m{e}^{-E_m/k_{b}T}/U^s\left(T\right)$

F是仪器接收效率，C_x是等离子体中粒子x的含量，A_mn是从m能级跃迁到n能级的自发跃迁几率，g_m是m能级的统计权重，E_m是m能级的激发能，k_B表示Boltzmann常数，T是等离子体温度，U_x(T)是粒子x在温度T下的配分函数。

先从整体扫描的等离子体光谱曲线中选择关注的谱线，再次测量该谱线的强度，同时读出每条线的中心波长和强度。根据谱线的相对强度以及上面所述公式估算等离子体的电子温度（T），根据谱线的Stark展宽估算等离子体电子密度（n_e），根据电子温度T和电子密度n_e估算样品中每种元素的浓度C_x以及光谱带宽L。然后采用循环迭代和调整，开始迭代，每个波峰包络下面看成一个区域，计算等离子体化学组成，然后计算吸收系数，接着计算光谱辐射，判断计算得到的光谱和测量光谱从光强和波形区别是否最小，如果不是，那么调整电子密度、电子温度、波长脉宽以及各个元素的相对含量等参数再次计算，如果差别最小，但是比之前设定的阈值大，那么，将波峰包络区域分出一个部分，然后调整电子密度、电子温度、波长脉宽以及各个元素的相对含量等参数再次计算并且小于之前设定的阈值，那么计算结束，最终确定样品组成元素和对应的含量。

Claims (8)

1.激光诱导击穿光谱分析系统，其特征在于：包括控制单元、脉冲激光器和沿脉冲激光出射方向依次设置的分束器、用以放置待测样品的可移动定位平台、光谱收集单元、光谱仪以及数据处理系统；所述分束器将脉冲激光器的出射光脉冲按照设定的能量分配比例分出主光路和采样光路，在主光路上依次设置有激光扩束准直及聚焦光学系统、与所述可移动定位平台构成反馈控制的样品定位单元，在采样光路上分别设置有脉冲激光能量测量模块、脉冲触发控制单元，其中，脉冲激光能量测量模块的信号输出端连接至控制单元的第一输入端，脉冲触发延迟单元依次通过触发信号产生单元、延迟控制电路方波信号输出连接至控制单元的第二输入端，所述样品定位单元的信号输出端连接至控制单元的第三输入端；控制单元具有多路控制信号输出，各控制信号输出端分别对应接至样品定位单元、可移动定位平台、光谱仪；光谱仪的数据输出端连接至数据处理系统。

2.根据权利要求1所述的激光诱导击穿光谱分析系统，其特征在于：

所述样品定位单元包括双光束光源系统和相机，双光束光源系统发出的两束激光以所述主光路的光轴对称并以固定角度照射在待测样品表面；相机用于拍摄待测样品表面的光斑，与可移动定位平台构成反馈控制。

3.根据权利要求1所述的激光诱导击穿光谱分析系统，其特征在于：

所述光谱收集单元通过光纤耦合连接至光谱仪，光谱收集单元采用卡塞格林望远系统。

4.根据权利要求1所述的激光诱导击穿光谱分析系统，其特征在于：

所述脉冲触发延迟单元接收来自脉冲激光能量测量模块漫反射光，并给出可调延迟的方波信号。

5.根据权利要求1所述的激光诱导击穿光谱分析系统，其特征在于：

所述样品定位单元始终固定于主光路上，整体以主光路的光轴对称，并在样品定位单元固定板中心开孔，其结构保证对经过激光扩束准直及聚焦光学系统后的激光光束传输无影响。

6.根据权利要求1所述的激光诱导击穿光谱分析系统，其特征在于：

所述分束器的入射面与光轴夹角呈45°。 

7.根据权利要求1所述的激光诱导击穿光谱分析系统，其特征在于：

所述可移动定位平台的外部设置有光罩。

8.根据权利要求1所述的激光诱导击穿光谱分析系统，其特征在于：

所述脉冲激光器的工作波长取1064nm、532nm或256nm，脉冲能量80-120毫焦，脉冲宽度6-9纳秒；所述分束器采用10:90分光镜，即脉冲激光经该分束器透射90%光能量反射10%光能量。 

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