CN203732424U - 一种双脉冲激光诱导击穿光谱信号增强单元 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种双脉冲激光诱导击穿光谱信号增强单元，包括带有圆形通孔铝板和三维微位移调整架。激光直接作用样品表面产生的等离子体会向四面八方扩散，增强单元通过有三维微位移调整架固定好的带圆形通孔铝板紧贴于样品表面，可以有效的约束等离子体的扩散，将其限制在一个有限的空间内，进而增强等离子体的碰撞几率，促进等离子体向更高能级跃迁，从而达到增强光谱强度的效果。此增强单元只需预先调节好铝孔位置，自由移动样品，就能使得激光每次都能够通过铝孔中心打在新的样品位置，减轻了制作等离子体空间约束的复杂性。该信号增强单元在制作上结构简单、成本低、有很好的实用性。并且本实用新型相对于双脉冲LIBS技术有更强的信号强度、更低的样品检出限和更高的稳定性等特点。

Description

一种双脉冲激光诱导击穿光谱信号增强单元

技术领域

本实用新型涉及原子光谱学，属于等离子体光谱检测技术领域，具体是一种双脉冲激光诱导击穿光谱信号增强单元。 

背景技术

激光诱导击穿光谱技术(LIBS)是利用高能量的脉冲烧蚀样品，且使材料表面被烧蚀的微量样品发生电离，形成激光等离子体。高温等离子体不断地与环境进行能量交换，在等离子体冷却过程中会发射出包含着丰富元素信息的线状光谱和背景信息的连续光谱，分析这些线状谱线可以得到等离子体中元素和溶度等一系列相关信息。LIBS技术具有无须复杂的样品预处理过程，可以实现快速、工业在线和远距离分析等特点。 

近几十年来，LIBS技术不管在理论上还是实际的应用上都有很大的进步。但是，目前LIBS在实际检测和应用中还存在着检测极限高、灵敏度低和受基体效应影响大等不足。而现实生活中的很多领域，常需要对某些有毒物质进行痕量元素的分析，比如检测环境污染、食品、各种日用品中的微量重金属元素。因此，增强信号的强度和降低LIBS检出限是LIBS技术的重要发展方向。目前关于这一方面的研究，国内外学者提出了利用等离子体空间约束模型来提高LIBS的信号。图1所示为半圆球空间约束模型，在样品表面放着一个直径为11.1mm的铝制半圆球，脉冲激光聚焦后通过圆球上方的小孔打在样品表面。图2为金属片空间约束模型，通过制作带有排成阵列的圆形通孔的金属片紧贴在样品表面，实现等离子体空间约束。 

但是，以上技术在空间约束条件上要求过于复杂，图1需要在铝制金属中制作一半圆带孔且体积很小球体，不易实现。图2需要在金属片上制作很多个通孔，并且需要控制步进电机的速度，使得每次激光能够通过圆形通孔打在样品上，不易控制，也不利于大面积的检测。 

实用新型内容

本实用新型为了克服以上现有技术存在的不足，提出了一种双脉冲激光诱导击穿光谱信号增强单元，该信号增强单元制作简单，成本低，有很好的实用性。 

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是： 

双脉冲激光诱导击穿光谱信号增强单元，其特征在于所述的信号增强单元由铝板和三维微位移调整架构成，信号增强单元置于激光诱导击穿光谱检测装置中，铝板通过三维微位移调整架固定于检测样品的表面，脉冲激光通过铝板中的小孔中心入射到样品表面，激光诱导产生的等离子体在小孔壁的约束作用下，碰撞几率增强，使更多的等离子体跃迁到高能级，从而实现光谱强度的增强。 

所述铝板很薄，厚度为1mm，表面平滑，铝板中间带有圆形的通孔，孔的直径为3mm。 

所述三维微位移调整架有两个伸出的支架，支架可在竖直方向上以10微米精度上下移动。 

所述铝板两端固定在三维微位移调整架的两个支架上，铝板的圆形通孔刚好置于样品表面上，且微高于表面。 

本实用新型的工作原理为： 

通常情况，在双脉冲激光诱导击穿光谱检测装置下，高能量激光脉冲诱导产生的等离子体以激光中心线为轴向外快速膨胀。通过外加由圆形通孔的铝板和可调节高度的三维微位移调整架构成的信号增强单元，在圆形通孔的约束下，急剧向外膨胀的等离子体碰到小孔内壁后，将被反射回来，与后续扩展而来的等离子体中原子、分子、离子产生二次碰撞，增加激光等离子体中高速运动粒子间的碰撞几率，并通过碰撞能量转移，使得更多的原子或离子获得能量而被激发或电离。这样使得处于激发态的原子或离子数密度增加，等离子体的温度升高。所以在外加约束的情况下激光等离子体辐射光谱强度增强，从而提高LIBS光谱检测灵敏度。 

本实用新型的主要优点是：一、此信号增强单元只需首先固定好前面所述结构的铝孔，自由移动样品，就能使得激光每次都能够通过铝孔打在样品的新位置，减轻了制作等离子体空间约束的复杂性。二、信号增强单元结构简单、成本低、有很好的实用性。三、LIBS光谱强度提高了3-5倍，可重复性提高了2-5倍，检测限相比未加空间约束时降低了1.5倍。 

附图说明

图1为半圆球空间约束模型结构示意图。 

图2为金属片空间约束模型结构示意图。 

图3为本实用新型双脉冲激光诱导击穿光谱信号检测装置示意图。 

图4为本实用新型信号增强单元结构示意图。 

图5为信号增强单元相同孔径不同厚度的铝板光谱检测结果对比图。 

其中5(a)铝板的厚度为1mm、5(b)铝板的厚度为3.5mm。 

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型作进一步的说明。 

图3所示为双脉冲激光诱导击穿光谱信号增强检测装置，包括第一脉冲激光器1、第二脉冲激光器2、第一平面反射镜3、偏振分光片4、第二平面反射镜5、聚焦透镜6、圆形通孔的铝板7、样品8、X-Y移动平台9、三维微位移调整架10、光学收集单元11、光谱仪12、触发器13、计算机14、探头15。 

双脉冲激光诱导击穿光谱信号增强检测装置，包括以下步骤： 

第一步：第一脉冲激光器1和第二脉冲激光器2发出平行光束，通过第一平面反射镜3和偏振分光片4实现合束后经第二平面反射镜5入射到聚焦透镜6聚焦于样品8表面。 

第二步：将有圆形通孔的铝板7两端固定于三维微位移调整架10的支架上，通过水平调节调整架10，使铝板小孔圆心与聚焦透镜6的焦点重合。 

第三步：调节探头15的位置，使之与聚焦光束的夹角小于30度。 

第四步：移动三维微位移调整架10使得铝板7的圆形通孔刚好贴在(并微高于)样品8表面。这样，样品能随着样品台水平自由移动，而不触动有小孔的铝板。 

第五步：移动电移平台9，使脉冲激光每次通过小孔中心打在样品新的位置，等离子体发出的光被光纤收集单元11收集并传输到光谱仪12，利用触发器13控制光谱仪12记录实验数据。 

第六步：光谱仪12将实验数据送入计算机14进行处理和分析。 

Claims (4)

1.一种双脉冲激光诱导击穿光谱信号增强单元，其特征在于所述的信号增强单元由铝板和三维微位移调整架构成，信号增强单元置于激光诱导击穿光谱检测装置中，铝板通过三维微位移调整架固定于检测样品的表面，脉冲激光通过铝板中的小孔中心入射到样品表面，激光诱导产生的等离子体在小孔壁的约束作用下，碰撞几率增强，使更多的等离子体跃迁到高能级，从而实现光谱强度的增强。 

2.根据权利要求1所述的双脉冲激光诱导击穿光谱信号增强单元，其特征在于所述铝板很薄，厚度为1mm，表面平滑，铝板中间带有圆形的通孔，孔的直径为3mm。 

3.根据权利要求1所述的双脉冲激光诱导击穿光谱信号增强单元，其特征在于所述三维微位移调整架有两个伸出的支架，支架可在竖直方向上以10微米精度上下移动。 

4.根据权利要求1所述的双脉冲激光诱导击穿光谱信号增强单元，其特征在于所述铝板两端固定在三维微位移调整架两个支架上，铝板的圆形通孔刚好置于样品表面上，且微高于表面。