CN206330890U - 一种反射式同轴结构激光诱导击穿光谱分析装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种反射式同轴结构激光诱导击穿光谱分析装置，包括主机、激光器、载物台、光纤、光谱仪、激光扩束镜、分束单元和第一离轴抛物面镜；激发光沿激发光路聚焦于载物台放置的待测样品表面，待测样品发出的信号光沿信号光路返回并耦合入光纤；分束单元与待测样品之间的激发光路和信号光路保持同轴；准直的激发光经第一离轴抛物面镜反射聚焦于待测样品表面；入射分束单元的激发光和信号光沿不同方向出射。所述装置能消除宽带光谱收集时的色差、增大光谱接收面积，从而极大地提高了仪器的光谱收集效率；采用激光扩束镜，提高激发光功率密度，更容易激发局部的激光等离子体；所述装置还具有成本较低的特点。

Description

一种反射式同轴结构激光诱导击穿光谱分析装置

技术领域

本实用新型属于元素光谱分析技术领域，特别涉及一种反射式同轴结构激光诱导击穿光谱分析装置。

背景技术

激光诱导击穿光谱分析技术被广泛应用于地球污染、地质研究、工业制造等领域，可对元素进行定性和定量分析，如用于金属合金分析、核废料处理、生物医学、食品安全研究、重金属污染检测、空气环境监控等。激光诱导击穿光谱技术是一种以激光作为激发源诱导产生激光等离子体的原子发射光谱分析方法，基于激光与物质相互作用和光谱学的元素成分和浓度分析技术，通过将一束高能量短脉冲的激光束聚焦到待检测的样品上，产生高温高密度且由自由电子、离子和原子组成的激光等离子体，然后对等离子体辐射光谱进行分析得到检测结果。

现有的激光诱导击穿光谱分析装置通常为采用透射式非同轴结构，即激光聚焦或光谱收集元件为透射式光学元件，且激发光路和信号光路非同轴。如图1所示，激光器R1发出的高能量短脉冲激光通过透镜R2聚焦到测试样品R3表面产生高温高压的激光等离子体，该等离子体的原子特征光谱，经过准直器R4耦合入光纤R5，最终传输至光谱仪R6；通过软件对采集到的特征光谱进行分析，计算出元素的成分和含量。

现有的透射式非同轴结构激光诱导击穿光谱分析装置还存在如下缺陷：1.原子发射光谱的范围一般在200~800nm，采用透射元件作为宽光谱收集元件难以消除色差，使各波长光谱收集效率不一致，同时宽光谱复消色差元件的价格高昂，加大了仪器成本；2. 激发光路和收集光路非同轴的设置限制了采集光谱的接收面积，降低了激光等离子体半球发射光谱的利用率，以至于需要更高能量的激光器，大幅提高了仪器的成本。

实用新型内容

为了克服前述现有技术中透射式非同轴结构激光诱导击穿光谱分析装置存在的缺陷，本实用新型实施例提供了具有反射式同轴结构的激光诱导击穿光谱分析装置，可极大的提高光谱收集效率。

为解决上述技术问题，本实用新型的实施例提供的激光诱导击穿光谱分析装置，包括激光器、载物台、光谱仪、分束单元和第一离轴抛物面镜；所述激光器出射的激发光沿激发光路聚焦于所述载物台放置的待测样品表面，所述待测样品发出的信号光沿信号光路返回并导入所述光谱仪；所述激发光和信号光在所述分束单元与所述待测样品之间光路同轴且传播方向相反；自所述分束单元出射的准直的激发光经第一离轴抛物面镜反射后可聚焦于所述待测样品表面，所述信号光经第一离轴抛物面镜反射后准直入射所述分束单元；自所述分束单元出射的信号光与激发光分束。

优选地，所述装置还包括主机，所述主机分别连接所述激光器和光谱仪，所述激光器和光谱仪通过所述主机实现互连。

优选地，所述装置还包括连接所述光谱仪的光纤，自所述分束单元出射的信号光聚焦并耦合入所述光纤，所述光纤将耦合的所述信号光导入所述光谱仪。

优选地，所述激光器为Nd:YAG脉冲激光器，所述激发光波长为1064nm，所述信号光波长200~800nm。

优选地，所述激光器和所述分束单元之间的所述激发光路中设置有激光扩束镜。

优选地，所述激光器和所述分束单元之间所述激发光路中设置用于偏转光路的光束偏转单元；进一步优选地，所述光束偏转单元可以是一个或多个平面反射镜。

优选地，所述分束单元为二向色镜或带孔的平面反射镜；所述二向色镜将入射的所述激发光与信号光分束；所述激发光从所述带孔的平面反射镜的通孔中穿过，沿信号光路返回的所述信号光在通孔之外的反射面反射；进一步优选地，所述装置还包括第二离轴抛物面镜，所述第二离轴抛物面镜将自所述分束单元出射的准直的信号光反射聚焦并导入所述光谱仪。

作为二向色镜的优选，其对所述激发光高反且对所述信号光高透，或对所述激发光高透且对所述信号光高反。

作为分束单元的另一优选，所述分束单元为带孔的离轴抛物面镜；所述激发光从所述带孔的离轴抛物面镜的通孔中穿过，沿信号光路返回的所述信号光在通孔之外的反射面反射聚焦并导入所述光谱仪。

本实用新型实施例的上述技术方案的有益效果为：

1. 激发光路和信号光路反射式同轴的结构使激光诱导击穿光谱分析装置能消除宽带光谱收集时的色差、增大光谱接收面积，从而极大地提高了仪器的光谱收集效率；

2. 激光诱导击穿光谱分析装置采用激光扩束镜，可增大传输激光的束腰直径，可缩小激光的远场发散角，再经由聚焦元件汇聚，可获得更小的焦斑尺寸，从而具有更高的激光功率密度，更容易激发局部的激光等离子体；

3. 无需使用宽光谱复消色差元件，且使用较低能量的激光器即可满足需要，可大大节约设备成本。

附图说明

图1是现有技术透射式非同轴结构的激光诱导击穿光谱分析装置的结构示意图；

图2是本实用新型实施例一提供的激光诱导击穿光谱分析装置的结构示意图；

图3是本实用新型实施例二提供的激光诱导击穿光谱分析装置的结构示意图；

图4是本实用新型实施例三提供的激光诱导击穿光谱分析装置的结构示意图。

［主要元件符号说明］

R1-激光器；R2-透镜；R3-测试样品；R4-准直器；R5-光纤；R6-光谱仪；

1-主机；2-激光器；3-激光扩束镜；4-第一平面反射镜；5-第二平面反射镜；6-二向色镜；7-第一离轴抛物面镜；8-位移平台；9-样品；10-第二离轴抛物面镜；11-光纤；12-光谱仪；13-带孔的平面反射镜；14-带孔的离轴抛物面镜。

具体实施方式

为使本实用新型要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本实用新型实施例针对现有技术中存在的问题，提供了激发光路和信号光路反射式同轴的激光诱导击穿光谱分析装置，可消除宽带光谱收集时的色差，提升光谱收集效率，并可节约设备成本。

实施例一：

如图2所示，本实施例反射式同轴结构激光诱导击穿光谱分析装置包括：主机1、激光器2、激光扩束镜3、第一平面反射镜4、第二平面反射镜5、分束单元、第一离轴抛物面镜7、载物台8、待测样品9、第二离轴抛物面镜10、光纤11和光谱仪12；主机1分别与激光器2和光谱仪12相连，在激光器2与光谱仪12之间实现信号连接，主机1负责控制激光器2与光谱仪12动作，并分析采集到的光谱数据；激光器2出射的激发光沿激发光路聚焦于载物台8放置的待测样品9表面，待测样品9发出的信号光沿信号光路返回并聚焦耦合入光纤11，光纤11连接光谱仪12，将耦合入光纤11的信号光导入光谱仪12；激发光和信号光在分束单元与待测样品9之间光路同轴且传播方向相反；自分束单元出射的准直的激发光经第一离轴抛物面镜7反射后可聚焦于待测样品9表面，所述信号光经第一离轴抛物面镜7反射后准直入射分束单元，分束单元出射的信号光与激发光分束。

本实施例中激光器2采用Nd:YAG脉冲激光器，产生波长为1064nm的短脉冲高能激光；本实施例分束单元使用二向色镜6，将入射的准直激发光和经第一离轴抛物面镜7反射后返回的准直的信号光分离。具体的装置结构与工作方式如下：

主机1发出工作指令到激光器2的控制模块，激光器2开始工作产生波长为1064nm的短脉冲高能激光，同时可以输出同步电信号到光谱仪12；

本实施例中，作为激发光的激光束通过激光扩束镜3，用来扩大传输激光的直径以缩小其聚焦在样品表面的焦斑尺寸，激光扩束镜3可位于激光器2和二向色镜6之间的任意位置，根据实际情况，如扩束并不必要，激发光路中也可以移除激光扩束镜；根据实际光路设计，激光扩束镜3和二向色镜6之间可设置光束偏转单元偏转调节光路，本实施例中，光束偏转单元为反射镜，包括第一平面反射镜4和第二平面反射镜，二反射镜组合将激发光路180度翻折，使激发光入射后端的二向色镜6，激发光路翻转可使元件排列更加紧凑，有利于减小装置整体尺寸；二向色镜6设置为可以高效地透过1064nm的激发光并反射200~800nm的光谱信号光，考虑到光学镀膜的可行性，本实施例中的二向色镜6也可以设计成相反的透射反射模式，即反射1064nm的激发光并透射200~800nm的信号光；本实施例中，激发光入射向色镜6的入射角设为45度，如图2分束后的激发光和信号光相互垂直，光束分离程度最大；

通过适当的选择设置第一离轴抛物面镜7，使经二向色镜6分束出射的准直的激发光经由第一离轴抛物面镜7镜面反射后聚焦至载物台8承载的待测样品9表面，使待测样品9产生激光等离子体，同时激发出原子光谱辐射的信号光；该信号光沿激发光的逆向光路经过第一离轴抛物面镜7反射时没有色差，仍以准直光出射，再经过二向色镜6，并由第二离轴抛物面镜10反射后，无色差地会聚到光纤11中；激光经第一离轴抛物面镜7聚焦到样品表面后，产生的等离子光谱辐射经第一离轴抛物面镜7准直并返回，不会因波长不一致产生的色差而导致焦点位置不同。同样，通过适当的选择设置第二离轴抛物面镜10，可使二向色镜6出射的准直的信号光经第二离轴抛物面镜10镜面反射后会聚耦合至光纤中，波长不一致的宽光谱可以聚焦于同一位置。

光纤11和第二离轴抛物面镜10的数值孔径应当基本匹配，以最高效地收集信号光并将信号光导入光谱仪12；光谱仪12收到激光器2发出的同步电信号后，加以一定时间的延迟后打开快门曝光，可获得待测样品9等离子体发出的原子光谱图；通过主机1处理获得的原子光谱图，可得知待测样品9中元素的成分以及各元素的含量。

实施例二：

图3所示为本实施例反射式同轴结构激光诱导击穿光谱分析装置，该装置与实施例一的主要区别在于，使用带孔平面反射镜13代替二向色镜6来实现激发光和信号光的分离，具体如下：

作为激发光的激光束通过激光扩束镜3后，再经过第一平面反射镜4和第二平面反射镜5翻折调节，使激光入射后端的带孔平面反射镜13；带孔平面反射镜13设置为通孔刚好透过1064nm的激发光，并利用通孔外的面积反射200~800nm的光谱信号光，实现了激发光和信号光的分离；分离出的激发光聚焦至待测样品9表面产生激光等离子体，同时发出原子光谱辐射的信号光；该信号光沿激发光的逆向光路依次经过第一离轴抛物面镜7和带孔平面反射镜13，并由第二离轴抛物面镜10无色差地会聚到光纤11中，再将信号光导入光谱仪12获得待测样品9激发的等离子体发出的原子光谱图。

本实施例光谱的收集效率虽然较实施例一略有降低，但较传统的非同轴光路，本实施例装置的光谱收集效率仍然很高。

实施例三：

图4所示为本实施例反射式同轴结构激光诱导击穿光谱分析装置，该装置与实施例二的主要区别在于，使用带孔离轴抛物面镜14代替带孔平面反射镜13来实现激发光和信号光的分离，同时可省去第二离轴抛物面镜10，具体如下：

作为激发光的激光束通过激光扩束镜3后，再经过第一平面反射镜4和第二平面反射镜5翻折调节，使激光入射后端的带孔离轴抛物面镜14；带孔离轴抛物面镜14设置为通孔刚好透过1064nm的激发光，并利用通孔外的面积反射200~800nm的光谱信号光，实现了激发光和信号光的分离，同时孔外的面积对信号光具有会聚作用，因此可省去用于会聚信号光的额外设置的第二离轴抛物面镜；分离的激发光聚焦至待测样品9表面产生激光等离子体，同时发出原子光谱辐射的信号光；信号光沿激发光的逆向光路依次经过第一离轴抛物面镜7和带孔平面反射镜13，无色差地会聚耦合至光纤11中，通过光纤11将信号光导入光谱仪12获得待测样品9激发的等离子体发出的原子光谱图。

本实施例采用带孔离轴抛物面镜14代替带孔平面反射镜13和第二离轴抛物面镜，可简化装置结构。

前述本实用新型实施例中采用激光扩束镜3增大传输激光的束腰直径，缩小了激光的远场发散角，再经由聚焦元件汇聚，可以获得更小的焦斑尺寸，从而具有更高的激光功率密度，更容易激发局部的激光等离子体。

前述本实用新型实施例中的第一离轴抛物面镜7、第二离轴抛物面镜10和带孔离轴抛物面镜14，采用反射式的聚焦和准直元件，可避免因光谱中不同波长光线的折射率差异而导致的色差，从而提高原子光谱信号光的收集效率，提高系统的灵敏度；激光经第一离轴抛物面镜7聚焦到样品表面后，激发的等离子光谱辐射产生的信号光经第一离轴抛物面镜7准直并返回，不会因波长不一致产生的色差而导致焦点位置不同；同理，信号光在第二离轴抛物面镜10和带孔离轴抛物面镜14会聚到光纤11中时，波长不一致的宽光谱依然可以聚焦于同一位置。

对于上述的本实用新型的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识未作过多描述；各实施例采用递进的方式描述，各实施例中所涉及到的技术特征在彼此之间不构成冲突的前提下可以相互组合，各实施例之间相同相似部分互相参见即可。

在本实用新型的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“上”、“下”、“前”、“后”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实用新型和简化描述，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，不应理解为对本实用新型的限制；术语 “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；此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

以上所述是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为落入本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种反射式同轴结构激光诱导击穿光谱分析装置，包括激光器（2）、载物台（8）和光谱仪（12）；所述激光器（2）与所述光谱仪（12）信号连接；所述激光器（2）出射的激发光沿激发光路聚焦于所述载物台（8）放置的待测样品（9）表面，所述待测样品（9）发出的信号光沿信号光路返回并导入所述光谱仪（12）；其特征在于：

所述装置还包括分束单元和第一离轴抛物面镜（7）；所述激发光和信号光在所述分束单元与所述待测样品（9）之间光路同轴且传播方向相反；自所述分束单元出射的准直的激发光经第一离轴抛物面镜（7）反射后可聚焦于所述待测样品（9）表面，所述信号光经第一离轴抛物面镜（7）反射后准直入射所述分束单元；自所述分束单元出射的信号光与激发光分束。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括主机（1），所述主机（1）分别连接所述激光器（2）和光谱仪（12），所述激光器（2）和光谱仪（12）通过所述主机（1）实现互连。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括连接所述光谱仪（12）的光纤（11），自所述分束单元出射的信号光聚焦并耦合入所述光纤（11），所述光纤（11）将耦合的所述信号光导入所述光谱仪（12）。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述激光器（2）为Nd:YAG脉冲激光器，所述激发光波长为1064nm，所述信号光波长200~800nm。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述激光器（2）和所述分束单元之间的所述激发光路中设置有激光扩束镜（3）。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述激光器（2）和所述分束单元之间所述激发光路中设置用于偏转光路的光束偏转单元。

7.根据权利要求1至6任一项所述的装置，其特征在于，所述分束单元为二向色镜（6）或带孔的平面反射镜（13）；所述二向色镜（6）将入射的所述激发光与信号光分束；所述激发光从所述带孔的平面反射镜（13）的通孔中穿过，沿信号光路返回的所述信号光在通孔之外的反射面反射。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述装置还包括第二离轴抛物面镜（10），所述第二离轴抛物面镜（10）将自所述分束单元出射的准直的信号光反射聚焦并导入所述光谱仪（12）。

9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述二向色镜（6）对所述激发光高反且对所述信号光高透，或对所述激发光高透且对所述信号光高反。

10.根据权利要求1至6任一项所述的装置，其特征在于，所述分束单元为带孔的离轴抛物面镜（14）；所述激发光从所述带孔的离轴抛物面镜（14）的通孔中穿过，沿信号光路返回的所述信号光在通孔之外的反射面反射聚焦并导入所述光谱仪（12）。