CN204832032U - 一种吸收腔式激光击穿检测装置 - Google Patents
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Abstract
一种吸收腔式激光击穿检测装置，包括吸收腔、激发光源、检测光源、声光调制器、光强探测器以及控制工作过程的电学控制系统；本实用新型装置将激光诱导击穿技术与光衰荡技术相结合，在一个衰荡腔中放置待检测样品，激发光聚焦入射到待检测样品上，待检测样品由于吸热而形成纳米粒子云团并扩散到腔中，检测光在衰荡腔两端高反镜间来回反射并不断被相应的物质吸收，通过在腔外的探测器探测出射的信号，可以推算出物质的含量。本实用新型结合激光诱导击穿和光衰荡技术，利用高反射率的高反镜，检出极限可以达到ppb量级；激发光照射前吸收腔抽真空，可防止空气中其它成分的干扰，并能减少谱线加宽，使被探测的谱线容易区分，提高了灵敏度。
Description
技术领域
本实用新型涉及光谱测量技术领域，特别是一种吸收腔式激光击穿检测装置，结合光衰荡技术提高检测极限。
背景技术
当前常用的激光诱导击穿光谱法是一种激光烧灼式光谱分析方法，激光经过透镜聚焦到待测样品上(可以是固体、液体或气体)，当激光的能量密度大于待测样品击穿阈值时，就会在局部产生等离子体，这种等离子体的局部能量密度及温度非常高，用光谱仪收集待测样品等离子体表面产生的发射谱线的信号，就可以根据发射谱线的强度而定量分析里面物质的浓度。目前激光诱导击穿光谱法的检出极限为ppm量级，检测灵敏度难以满足更高的检测要求。
发明内容
本实用新型的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种吸收腔式激光诱导击穿检测装置，利用光腔衰荡技术进行物质浓度的更高灵敏度测量。
为了解决上述技术问题，本实用新型的技术方案为：
一种吸收腔式激光击穿检测装置，包括检测光路系统和电学控制系统；所述检测光路系统包括吸收腔、激发光源、检测光源、声光调制器和光强探测器；
所述吸收腔包括腔体，前高反镜、后高反镜以及样品池；腔体与前后端的前高反镜和后高反镜组成密闭的衰荡腔，前高反镜为输入镜，后高反镜为输出镜；腔体中段上方有透光窗口，样品池位于腔体中，与所述透光窗口相对；腔体留有可关闭的气口；所述激发光源的出射光路上设置激发光隔离器和激发光聚焦透镜，激发聚焦透镜的出射光路照准吸收腔腔体内的样品池；所述检测光源为连续可调谐激光源，其出射的检测光自前高反镜入射吸收腔，再从后高反镜出射到达光强探测器；检测光源与前高反镜之间光路中设置检测光隔离器和声光调制器，前高反镜与光强探测器之间光路中设置检测光聚焦透镜。
所述电学控制系统包括激发光控制器、检测光控制器、触发器和主机，其中：所述激发光控制器连接控制激发光源；检测光控制器连接控制检测光源，所述主机连接控制激发光控制器和检测光控制器；触发器信号输入端连接光强探测器输出端，信号输出端分别连接声光调制器和主机。
优选的，所述吸收腔为圆柱状。
优选的，所述前高反镜和后高反镜均可选择平面镜或凹面镜。
优选的，所述激发光源使用脉冲激光光源。本技术方案中的激发光源为激光光源；可以是紫外光源、可见光源或者红外光源，波段不受限制；可以是固体激光器、半导体激光器或气体激光器；可以是连续光源，也可以是脉冲光源，使用脉冲光源更佳。
优选的，所述声光调制器出射光路中设置小孔光阑以阻挡零级衍射斑。
优选的，所述样品池为移动样品池。
优选的，所述检测光源输出采用步进扫描方式。
进一步优选的，所述电学控制系统还包括压电陶瓷，所述压电陶瓷附在所述输出镜上，驱动输出镜位移从而改变所述衰荡腔腔长，压电陶瓷在电压控制下以恒定频率振荡。
再进一步优选的，所述压电陶瓷位移振荡驱动的衰荡腔腔长变化幅度需要大于检测光波长的1/2，可使腔模在检测激光频率附近振荡。
优选的，所述吸收腔在激发光源出射前抽成真空状态。
本实用新型技术方案在一个衰荡腔中放置待检测样品，激发光聚焦入射到待检测样品上，待检测样品由于吸热而形成纳米粒子云团并扩散到腔中，这时关闭激发光，打开检测光，检测光在两个高反镜中来回反射不断被相应的物质吸收，通过在腔外的光强探测器探测透过输出镜的信号，可以推算出物质的含量。
本技术方案的有益效果为：
1.结合激光诱导击穿和光衰荡技术进行高灵敏度的吸收光谱测量，利用具有高反射率的高反镜，光腔衰荡技术的检出极限可以达到ppb量级；
2.激发光照射前吸收腔抽真空，可防止空气中其它成分的干扰；
3.由于被激发的纳米粒子云团在腔中扩散有很小的气压，所以谱线加宽效应很小，被探测的谱线容易和其他谱线区分，因此噪声很小，相应的可提高检测的灵敏度。
附图说明
图1为本实用新型吸收腔式激光击穿检测装置结构示意图。
其中：
1：吸收腔；1-1：前高反镜；1-2：后高反镜；1-3：气口；1-4：移动样品池；2：激发光源；2-1：激发光控制器；2-2：激发光隔离器；2-3：激发光聚焦透镜；3：检测光源；3-1：检测光控制器；3-2：检测光隔离器；4：声光调制器；5：光强探测器；5-1：检测光聚焦透镜；6：触发器；7：主机；8：待检测样品；
A：激发光；B：检测光。
具体实施方式
以下结合附图通过实施例对本实用新型做进一步说明，以便更好地理解本实用新型。
光衰荡技术是基于衰荡腔的高灵敏检测技术。主要测量光在衰荡腔中的衰荡时间，由于衰荡时间与衰荡腔的腔镜、基长以及腔内介质的散射和吸收有关，与光源光强的变化无关，具有灵敏度高的特点。检测激光进入由高反镜组成的衰荡腔之后，会有一部分光透过高反镜射出，随着光在两个高反镜中的来回反射，透射的光线会随着时间按单指数的方式衰减，对这个衰荡过程单指数拟合可以得到该过程的衰荡时间。
实施例1
图1是本实施例的基本结构图。激发光源2使用脉冲式的Nd:YAG激光器，出射1064nm的脉冲激光，而检测光源3使用连续可调谐的钛宝石环形连续激光器，其可调谐范围为700-900nm，输出功率在1000-1700W之间。声光调制器4的一级衍射的效率在85％左右，零级衍射斑被一个小孔光阑挡住(图1中未画出)，工作频率为80MHz。吸收腔1的两个高反镜的反射率均为99.995％，曲率半径为1m，吸收腔1腔体长1.25m，相应的衰荡腔的自由光谱范围为120MHz。吸收腔1在没有样品时并在真空状态下，衰荡时间为80μs，腔的精细度为50000，腔内模式的半高全宽为2kHz。
检测工作时，首先使用的是标准样品而非待检测样品，标准样品中的某一成分含量已知为a1。标准样品放置于移动样品池1-4中，然后吸收腔1通过气口1-3被抽真空以防止空气中其它成分的干扰。激发光A聚焦到标准样品上，激光的照射时间为t1，经过时间t2等待纳米粒子云团在腔内得到一定扩散，此时打开检测光B；检测光B自入射镜进入吸收腔1中，在作为输入镜的前高反镜1-1和作为输出镜的后高反镜1-2之间来回反射，检测光B反复穿过纳米粒子云团，其中的某些成分吸收检测光而使得检测光衰减，即为衰荡过程，通过在腔外的光强探测器5探测检测光B，记录标准样品的光衰荡时间τ1。
具体的，主机7通过控制激发光控制器2-1使得激发光源2出射激发光A，激发光A首先通过激发光隔离器2-2，其作用是防止光反射而打坏激光器；然后激发光A通过激发光聚焦透镜2-3聚焦到待检测样品8上而产生纳米粒子云团，照射时间为t1；经过时间t2后，纳米粒子云团在衰荡腔内得到一定扩散，此时通过主机7控制关闭激发光A，通过检测光控制器3-1使检测光源3发射检测光B，检测光B首先通过检测光隔离器3-2，再通过声光调制器4，声光调制器4起到光学开关的作用；作为检测光源3的钛宝石激光器采用步进扫描的模式输出，每一步约为0.2s，压电陶瓷以300Hz的频率振动，检测光B耦合到吸收腔1中，在吸收腔1的两个高反镜之间来回反射，自输出镜透射的光通过检测光聚焦透镜5-1入射光强探测器5；当光强探测器5探测到的光强达到一定的阈值时，通过触发器6控制声光调制器4可以切断检测光B，使得吸收腔1中剩余的光在腔中衰荡，此时开始采集光强探测器5的输出信号，采集足够长时间后，触发器6再次打开声光调制器4，进行下一次衰荡过程的测量，如此反复直到扫描完成一个或数个吸收光谱。
每当激光耦合入光学腔时，探测器探测到相应的光强，当光强达到某一阈值时，触发器产生低电平关闭声光调制器，此时开始采集探测器的输出电压，采集足够长时间后，触发器再产生高电压打开声光调制器，进行下一次衰荡过程的测量，如此往复，直到扫描完成一个吸收光谱或者数个吸收光谱。
测完标准样品后，再放置待检测样品8，测量记录检测光的光衰荡时间为τ2
通过公式：
由a1、τ1和τ2可以推算出待检测样品中某一物质的浓度a2。
图1中的样品放置需要通过移动样品池1-4尽量接近检测光B，但同时要确保不阻挡检测光。
实施例2
在实施例1的基础上，将输出镜(后高反镜1-2)上安装一个圆环形压电陶瓷(图1中未画出)，输出镜在压电陶瓷驱动下可改变衰荡腔的腔长，即腔长受压电陶瓷调制；压电陶瓷调制下的腔长变化稍大于检测光的λ/2，使得腔模在激光频率附近振荡。
当作为检测光源采用步进扫描的模式输出，每一步约为0.2s，设置压电陶瓷以300Hz的频率振动，使检测光更加容易耦合到吸收腔中，增加了检测的精度。
应理解，上述实施例只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于供本领域技术人员了解本实用新型的内容并据以实施，并非具体实施方式的穷举，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。
Claims (9)
1.一种吸收腔式激光击穿检测装置，包括检测光路系统和电学控制系统，其特征在于：
所述检测光路系统包括吸收腔(1)、激发光源(2)、检测光源(3)、声光调制器(4)和光强探测器(5)，其中：
所述吸收腔(1)包括腔体、前高反镜(1-1)、后高反镜(1-2)以及样品池；腔体与前后端的前高反镜(1-1)和后高反镜(1-2)组成密闭的衰荡腔，前高反镜(1-1)为输入镜，后高反镜(1-2)为输出镜；腔体中段上方有透光窗口，样品池位于腔体中，与所述透光窗口相对；腔体留有可关闭的气口(1-3)；
所述激发光源(2)的出射光路上设置激发光隔离器(2-2)和激发光聚焦透镜(2-3)，激发光聚焦透镜(2-3)的出射光路照准吸收腔(1)腔体内的样品池；
所述检测光源(3)为连续可调谐激光源，其出射的检测光(B)自前高反镜(1-1)入射吸收腔(1)，再从后高反镜(1-2)出射到达光强探测器(5)；检测光源(3)与前高反镜(1-1)之间光路中设置检测光隔离器(3-2)和声光调制器(4)，前高反镜(1-1)与光强探测器(5)之间光路中设置检测光聚焦透镜(5-1)；
所述电学控制系统包括激发光控制器(2-1)、检测光控制器(3-1)、触发器(6)和主机(7)，其中：
所述激发光控制器(2-1)连接控制激发光源(2)；检测光控制器(3-1)连接控制检测光源(3)；所述主机(7)连接控制激发光控制器(2-1)和检测光控制器(3-1)；
触发器(6)信号输入端连接光强探测器(5)输出端，信号输出端分别连接声光调制器(4)和主机(7)。
2.根据权利要求1所述的吸收腔式激光击穿检测装置，其特征在于：所述吸收腔(1)为圆柱状。
3.根据权利要求1所述的吸收腔式激光击穿检测装置，其特征在于：所述前高反镜(1-1)为平面镜或凹面镜，所述后高反镜(1-2)为平面镜或凹面镜。
4.根据权利要求1所述的吸收腔式激光击穿检测装置，其特征在于：所述激发光源(2)使用脉冲激光光源。
5.根据权利要求1所述的吸收腔式激光击穿检测装置，其特征在于：所述声光调制器(4)出射光路中设置小孔光阑以阻挡零级衍射斑。
6.根据权利要求1所述的吸收腔式激光击穿检测装置，其特征在于：所述样品池为移动样品池(1-4)。
7.根据权利要求1至6任一项所述的吸收腔式激光击穿检测装置，其特征在于：所述检测光源(3)输出波长步进扫描。
8.根据权利要求7所述的吸收腔式激光击穿检测装置，其特征在于：所述电学控制系统还包括压电陶瓷，所述压电陶瓷附在所述输出镜上。
9.根据权利要求8所述的吸收腔式激光击穿检测装置，其特征在于：所述压电陶瓷在电压控制下以恒定频率振荡，振荡引起的衰荡腔腔长变化幅度大于检测光(B)波长的1/2。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN201520367272.5U CN204832032U (zh) | 2015-06-01 | 2015-06-01 | 一种吸收腔式激光击穿检测装置 |
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| CN (1) | CN204832032U (zh) |
Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN104849245A (zh) * | 2015-06-01 | 2015-08-19 | 南京先进激光技术研究院 | 一种吸收腔式激光击穿检测装置 |
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2015
- 2015-06-01 CN CN201520367272.5U patent/CN204832032U/zh active Active
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