CN207662798U - 便携式激光诱导击穿光谱分析装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种便携式激光诱导击穿光谱分析装置，包括激光器，分束单元，反射镜组，离轴抛物面镜和光谱仪；激光器出射的激光经所述分束单元平行透射到反射镜组，经反射镜组反射后聚焦于待测样品表面；待测样品发出的信号光经反射镜组反射后平行出射到分束单元，激光与信号光在分束单元与待测样品之间的光路同轴，经分束单元反射到离轴抛物面镜，经离轴抛物面镜反射后传输至光谱仪，连接控制盒进行光谱分析与显示。本实用新型的装置克服了透射式非同轴光谱分析装置的缺点，同时增大了聚焦激光的数值孔径，缩小了焦斑，提高了作用于物体表面的激光能量密度，可降低仪器对激光器能量的要求，具有相当可预见的工业和商业应用的价值。

Description

便携式激光诱导击穿光谱分析装置

技术领域

本实用新型涉及元素光谱分析技术领域，尤其涉及一种便携式激光诱导击穿光谱分析装置。

背景技术

激光诱导击穿光谱技术是一种基于原子发射光谱的检测技术，即依靠高能量的激光脉冲来加热样品表面，使得样品表面微粒获得足够的能量脱离表面进而击穿得到等离子体，探测原子发射光谱。由于其检测速度快，能够分析气体、液体、固体，能够进行全元素分析，能够远程检测等一系列优点，激光诱导击穿光谱技术可以被广泛应用于环境监测、生物医学、地质研究等许多领域。针对考古学、建筑、文物检测、艺术品鉴定等取样不便和工业上实地抽样检测要求，便携式激光诱导击穿光谱系统具有体积小、携带方便、轻盈等特点，成为解决上述问题的选择。

现有的激光诱导击穿光谱分析装置通常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发出高能短脉冲，由透镜R2聚焦于待测样品表面R3，产生激光等离子体，其发射谱线由准直器R4准直，再耦合入光纤R5，最终传输入光谱仪R6进行分析。

现有的透射式非同轴结构激光诱导击穿光谱分析装置存在如下缺点：

(1)原子发射光谱范围一般在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昂贵，大大提高了成本；

(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，增加了仪器的成本，降低了安全性；

(3)现有的大部分激光诱导击穿光谱分析仪体积较大，多为台式，不适合搬运操作。

实用新型内容

发明目的：针对以上问题，本实用新型提出一种便携式激光诱导击穿光谱分析装置。

技术方案：为实现上述设计目的，本实用新型所采用的技术方案是：一种便携式激光诱导击穿光谱分析装置，包括激光器，分束单元，反射镜组，离轴抛物面镜和光谱仪；所述激光器出射的激光经所述分束单元平行透射到所述反射镜组，经所述反射镜组反射后聚焦于待测样品表面；所述待测样品发出的信号光经所述反射镜组反射后平行出射到所述分束单元，所述激光与信号光在所述分束单元与所述待测样品之间的光路同轴，经所述分束单元反射到所述离轴抛物面镜，经所述离轴抛物面镜反射后传输至所述光谱仪。

进一步地，所述反射镜组包括第一球面镜和第二球面镜；激光器出射的激光经所述分束单元平行透射到所述第一球面镜，经所述第一球面镜反射到第二球面镜，经所述第二球面镜反射后聚焦于测试样品表面；所述待测样品发出的信号光传输至第二球面镜，经第二球面镜反射到第一球面镜，经第一球面镜反射后平行出射至分束单元。

进一步地，所述分束单元为二向色镜，所述二向色镜将入射的激光和由反射镜组反射出的信号光分束；所述二向色镜对所述激光高反且对所述信号光高透，或对所述激光高透且对所述信号光高反；所述激光入射所述二向色镜的入射角为45度，分束后的激光和信号光相互垂直。

进一步地，所述装置还包括负透镜，所述负透镜放置于所述激光器和所述分束单元之间；所述激光器出射的激光通过所述负透镜，经所述分束单元平行透射到所述反射镜组，经所述反射镜组反射后聚焦于待测样品表面；所述待测样品发出的信号光经所述反射镜组反射后平行出射到所述分束单元，经所述分束单元反射后，直接聚焦耦合入光纤，传输至所述光谱仪。

进一步地，所述装置还包括控制盒，所述控制盒连接激光器和光谱仪；所述控制盒为激光器提供电源并控制激光器产生激光；所述光谱仪通过控制盒进行光谱分析与显示。

进一步地，所述装置还包括光纤头和光纤，所述信号光经所述离轴抛物面镜反射后聚焦于所述光纤，耦合入光纤，导入所述光谱仪。

进一步地，所述装置还包括前缘和手柄；所述激光经所述反射镜组反射后聚焦于前缘，测量时，待测样品与前缘紧靠；所述装置还包括激光控制接口，电源接口和光谱仪连接口；均连接于所述控制盒上的对应接口。

有益效果：本实用新型的技术方案包括以下优点：

1.本实用新型装置为反射式同轴结构，在收集存在一定带宽的信号光光谱信息时，不会产生色差，且增大了光谱接收的空间角度，从而极大程度上提高了光谱收集效率；

2.本实用新型装置反射同轴结构利用两个球面镜，增大了聚焦于样品的数值孔径，从而减小了焦斑，增大了作用于样品表面的激光能量密度，降低了对激光器的能量要求，提高了安全性并降低了设备成本；

3.本实用新型装置光路结构紧凑，仪器体积小，方便携带和操作。

附图说明

图1是现有技术的透射式非同轴结构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的光路结构示意图；

图3是本实用新型便携式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二的光路结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型的技术方案作进一步的说明。

实施例一：

如图2所示，为本实施例便携式激光诱导击穿光谱分析装置的光路结构图，包括激光器1、分束单元、第一球面镜3、第二球面镜4、待测样品5、离轴抛物面镜6、光纤头7、光纤8、光谱仪9、控制盒10；本实施例中分束单元使用二向色镜2，将入射的准直激光和经由第二球面镜4和第一球面镜3返回的信号光分束。

控制盒10连接激光器1，为激光器1提供电源产生激光，激光器1出射的激光经由二向色镜2平行透射至第一球面镜3表面，经第一球面镜3反射至第二球面镜4，激光束经由第二球面镜4反射后可聚焦于测试样品5表面，有测试样品5激发的信号光传输至第二球面镜4表面，经由第二球面镜4反射至第一球面镜3，由第一球面镜3反射后平行出射至二向色镜2表面，经二向色镜2反射，平行光入射至离轴抛物面镜6，由离轴抛物面镜6聚焦至光纤头7，耦合入光纤8，再将信息传输到光谱仪9，光谱仪9连接控制盒10，进行光谱分析，并有控制盒10中的显示器显示分析过程及结果。

激光和信号光在二向色镜2与测试样品5之间是光路同轴且方向相反的；二向色镜2对激光高透，对信号光高反。

本实施例中激光器1采用Nd:YAG主动调Q单脉冲激光器，产生波长为1064nm的短脉冲高能激光。本实施例中二向色镜2设置为可以高效地透过1064nm的激光并反射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2也可以设计成相反的透射反射模式，即对1064nm的激光高反，对200～800nm的信号光高透；本实施例中，激光入射二向色镜2的入射角设为45度，如图2所示分束后的激发光和信号光相互垂直，光束分离程度最大。

第一球面镜3和第二球面镜4构成反射镜组，反射镜组为反射球面镜组或反射非球面镜组，通过选择适当的反射镜组，使经过二向色镜2分束出射的准直的激光经由反射镜组反射后聚焦于测试样品5表面，使测试样品5产生激光等离子体，同时激发出原子光谱辐射的信号光；该信号光沿激光的逆向光路经过第二球面镜4和第一球面镜3没有色差，且仍准直出射，再经过二向色镜2反射，并由第一离轴抛面镜6反射后，导入光纤头7，耦合至光纤8；激光由第二球面镜4聚焦于测试样品5表面后，产生的等离子光谱辐射经第二球面镜4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离轴抛物面镜6，可使二向色镜2出射的准直的信号光经过离轴抛物面镜6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点处。

离轴抛物面镜6为离轴球面镜或离轴非球面镜，光纤8和离轴抛物面镜6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9；光谱仪9收到激光器1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，可获得测试样品5等离子体发出的原子光谱图；通过控制盒10处理获得的原子光谱图，可获得测试样品5中的元素成分及含量等信息。

本实施例中的控制盒10包含显示器、光谱仪处理器、激光器电源、连接线缆等部件；控制盒10连接激光器1，为激光器1提供电源，产生激光；光谱仪9连接控制盒10，将信号光信息传输至控制盒10，经由控制盒10进行分析与显示。

如图3所示，本实施例的便携式激光诱导击穿光谱分析装置，包括激光器1，二向色镜2，第一球面镜3，第二球面镜4，离轴抛物面镜6，光纤头7，光纤8，前缘11，手柄12，激发光控制接口13，电源接口14，光谱仪连接口15。激光控制接口13和电源接口14连接控制盒10。控制盒10与电源接口14连接，为激光器1提供工作电压；激光控制接口13与控制盒10连接，来控制并调节激光器1产生的激光。激光由二向色镜2透射，到达第一球面镜3，由第一球面镜3反射至第二球面镜4，再由第二球面镜4反射聚焦于光谱仪前缘11，测试样品与光谱仪前缘11紧靠，便可激发信号光，信号光发射至第二球面镜4，再由第二球面镜4反射至第一球面镜3后呈平行光出射，平行的信号光入射到二向色镜2，由二向色镜2反射至离轴抛物面镜6，平行的信号光由离轴抛物面镜6聚焦于光纤头7表面，耦合入光纤8，最后信号光传输至光谱仪连接口15所连接的光谱仪9，最后信息控制盒10进行分析显示。

本实施例中的光谱仪的激光聚焦于前缘11，使用时将前缘11与测试样品紧靠，从而将激光聚焦于测试样品表面产生信号光。本实施例中的激发光控制接口13、电源接口14、光谱仪连接口15均连接于控制盒10上的对应接口。

实施例二：

如图4所示是实施例二的便携式激光诱导击穿光谱分析装置的光路图，对于与实施方式一相同的部件标记相同的记号，并省略详细的说明。

实施例二中，在激光器1与二向色镜2之间放置一片负透镜16，使激发光发散。选择适当的负透镜16、第一球面镜3与第二球面镜4，使激发光仍然聚焦于测试样品5的表面。

增加负透镜16，使平行激光束发散，产生虚焦点，并且该虚焦点和光纤头7是物象共轭关系。

激发的信号光分别由第二球面镜4和第一球面镜3按原路反射，传输至二向色镜2，由二向色镜2反射，直接聚焦于光纤头7处，直至耦合入光纤8，最终将信息传输到光谱仪9，光谱仪9连接控制盒10，进行光谱分析，并有控制盒10中的显示器显示分析过程及结果。

Claims (9)

1.一种便携式激光诱导击穿光谱分析装置，其特征在于：包括激光器(1)，分束单元，反射镜组，离轴抛物面镜(6)和光谱仪(9)；所述激光器(1)出射的激光经所述分束单元平行透射到所述反射镜组，经所述反射镜组反射后聚焦于待测样品(5)表面；

所述待测样品(5)发出的信号光经所述反射镜组反射后平行出射到所述分束单元，所述激光与信号光在所述分束单元与所述待测样品(5)之间的光路同轴，经所述分束单元反射到所述离轴抛物面镜(6)，经所述离轴抛物面镜(6)反射后传输至所述光谱仪(9)。

2.根据权利要求1所述的便携式激光诱导击穿光谱分析装置，其特征在于：所述反射镜组包括第一球面镜(3)和第二球面镜(4)；激光器(1)出射的激光经所述分束单元平行透射到所述第一球面镜(3)，经所述第一球面镜(3)反射到第二球面镜(4)，经所述第二球面镜(4)反射后聚焦于待测样品(5)表面；所述待测样品(5)发出的信号光传输至第二球面镜(4)，经第二球面镜(4)反射到第一球面镜(3)，经第一球面镜(3)反射后平行出射至分束单元。

3.根据权利要求1所述的便携式激光诱导击穿光谱分析装置，其特征在于：所述分束单元为二向色镜(2)，所述二向色镜(2)将入射的激光和由反射镜组反射出的信号光分束。

4.根据权利要求3所述的便携式激光诱导击穿光谱分析装置，其特征在于：所述二向色镜(2)对所述激光高反且对所述信号光高透，或对所述激光高透且对所述信号光高反。

5.根据权利要求3所述的便携式激光诱导击穿光谱分析装置，其特征在于：所述激光入射所述二向色镜(2)的入射角为45度，分束后的激光和信号光相互垂直。

6.根据权利要求1所述的便携式激光诱导击穿光谱分析装置，其特征在于：所述装置还包括负透镜(16)，所述负透镜(16)放置于所述激光器(1)和所述分束单元之间；所述激光器(1)出射的激光通过所述负透镜(16)，经所述分束单元平行透射到所述反射镜组，经所述反射镜组反射后聚焦于待测样品(5)表面；所述待测样品(5)发出的信号光经所述反射镜组反射后平行出射到所述分束单元，经所述分束单元反射后，直接聚焦耦合入光纤，传输至所述光谱仪(9)。

7.根据权利要求1所述的便携式激光诱导击穿光谱分析装置，其特征在于：所述装置还包括控制盒(10)，所述控制盒(10)连接激光器(1)和光谱仪(9)；所述控制盒(10)为激光器(1)提供电源并控制激光器(1)产生激光；所述光谱仪(9)通过控制盒(10)进行光谱分析与显示。

8.根据权利要求1所述的便携式激光诱导击穿光谱分析装置，其特征在于：所述装置还包括光纤头(7)和光纤(8)，所述信号光经所述离轴抛物面镜(6)反射后聚焦于所述光纤头(7)，耦合入光纤(8)，导入所述光谱仪(9)。

9.根据权利要求7所述的便携式激光诱导击穿光谱分析装置，其特征在于：所述装置还包括前缘(11)和手柄(12)；所述激光经所述反射镜组反射后聚焦于前缘(11)，测量时，待测样品(5)与前缘(11)紧靠；

所述装置还包括激光控制接口(13)，电源接口(14)和光谱仪连接口(15)；均连接于所述控制盒(10)上的对应接口。