CN213482072U - 一种激光诱导击穿光谱的信号增强装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种激光诱导击穿光谱的信号增强装置，包括光纤激光器、聚焦透镜、第一集气装置、第二集气装置、第一排气开关、第二排气开关、样品台、火花放电装置、第一流量开关、第二流量开关、待测样品、光谱仪、计算机和保护罩；火花放电装置放置在待测样品表面；在保护罩中充满合适压强的保护气体后，光纤激光器发出激光通过聚焦透镜后打到待测样品表面，在表面产生等离子体，火花放电装置产生电火花放电，从而将电能注入到等离子体中，等离子体中的原子和离子被进一步地激发，经过光谱仪收集等离子体光信号后，转化成电信号传输到计算机进行分析处理。本实用新型降低等离子体屏蔽效应，增加激光对样品的烧蚀量，增强光谱信号强度。

Description

一种激光诱导击穿光谱的信号增强装置

技术领域

本实用新型涉及激光诱导击穿光谱技术领域，具体涉及一种激光诱导击穿光谱的信号增强装置。

背景技术

激光诱导击穿光谱技术(LIBS)是一种新兴的元素分析方法，它利用激光束在待测样品表面烧蚀产生等离子体，再通过收集和分析等离子体的发射光谱从而获得待测样品中元素种类和含量信息。LIBS具有多元素同时在线分析、无须采样、原位监测、快速响应、远距离检测等技术优势，而且设备容易维护、对实验环境要求较低，可以离开实验室，走进野外环境以及工业现场，对固体、液体、气体、粉末等样品进行检测分析，在诸多领域内体现了十分良好的应用前景，如：冶铁炼金、食品安全检测、能源探索、海洋探索、太空探索等。

但传统LIBS中的激光器的频率通常低于100Hz，严重制约了采集分析速度的提高，并且传统激光器在长时间连续工作时，不可避免地会出现功率下降的现象。为了避免这些缺陷，采取将光纤激光器代替传统激光器作为LIBS技术的激光源的方法。光纤激光器具有光束质量好、结构柔性、电光转换效率高等诸多优势，并且能够在长时间连续运转时保持功率的稳定输出。用光纤激光器代替传统激光器作为LIBS技术的激光源，提高了LIBS系统的分析速度和稳定性，从而提高LISB系统在工业现场工作的可靠性。

然而，以光纤激光器为核心的LIBS系统存在两个不足：第一，光纤激光器的重复频率一般在20kHz以上，过高的重复频率导致光谱探测器难以与之同步，无法利用延时采集法去避免等离子体早期的轫致辐射，造成光谱信号的连续背景和噪声较大；第二，激光到达样品之前，都要经过之前脉冲所激发的等离子团，降低了激光对样品的烧蚀量，并且会对等离子团进行再激发，轫致辐射进一步加大。

为了提升光谱信号的强度，提升检测限，一些研究者提出了火花放电增强光谱信号的方法，如：专利申请200920199159.5和201720532253.2,但此方法能够将电能通过电弧注入等离子体中，能够有效的提升光谱信号的强度，但由于整个实验暴露在空气中进行，没有考虑空气中氮氧等元素的激发对测量精度影响。

实用新型内容

有鉴于此，为了解决现有技术中的上述问题，本实用新型提出一种激光诱导击穿光谱的信号增强装置，降低等离子体屏蔽效应，增加激光对样品的烧蚀量，增强光谱信号强度。

本实用新型通过以下技术手段解决上述问题：

一种激光诱导击穿光谱的信号增强装置，包括光纤激光器、聚焦透镜、第一集气装置、第二集气装置、第一排气开关、第二排气开关、样品台、火花放电装置、第一流量开关、第二流量开关、待测样品、光谱仪、计算机和保护罩；

保护罩、第一排气开关、第二排气开关、第一流量开关和第二流量开关组成一封闭的腔体；

待测样品、样品台和火花放电装置放置在腔体内；

待测样品放置在样品台上，火花放电装置放置在待测样品表面；

第一排气开关与第一集气装置连接，第二排气开关与第二集气装置连接；

在实验开始前，打开第一排气开关和第二排气开关，通过第一集气装置和第二集气装置排空保护罩中的空气，关闭第一排气开关和第二排气开关后，打开第一流量开关和第二流量开关注入所需压强的保护气体，最后关闭第一流量开关和第二流量开关，使得保护罩中充满合适压强的保护气体；

在保护罩中充满合适压强的保护气体后，光纤激光器发出激光通过聚焦透镜后打到待测样品表面，在表面产生等离子体，火花放电装置产生电火花放电，从而将电能注入到等离子体中，等离子体中的原子和离子被进一步地激发，经过光谱仪收集等离子体光信号后，转化成电信号传输到计算机进行分析处理；

完成实验后，打开第一排气开关和第二排气开关，通过第一集气装置和第二集气装置将保护罩中的保护气体收集起来，回收气体，同时往保护罩中注入空气，关闭第一排气开关和第二排气开关。

进一步地，所述火花放电装置包括高压直流电源、高压二极管、起保护作用的限流电阻、电容和弧面电极；

高压直流电源的正极连接高压二极管的正极，高压二极管的负极连接限流电阻的一端，限流电阻的另一端连接高压直流电源的负极；

限流电阻与电容并联，弧面电极与电容并联，并且弧面电极的正极和负极分别与高压直流电源的正负极相对应。

进一步地，所述第一集气装置包括第一抽气泵和第一集气瓶，第一抽气泵的一端与第一集气瓶连接，另一端与第一排气开关连接。

进一步地，所述第二集气装置包括第二抽气泵和第二集气瓶，第二抽气泵的一端与第二集气瓶连接，另一端与第二排气开关连接。

进一步地，所述保护罩拐角处为圆弧形。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果至少包括：

1、排除空气中氧氮等元素的干扰，减少分析误差，提高分析的准确性；

2、降低等离子体屏蔽效应，增加激光对样品的烧蚀量，增强光谱信号强度；

3、火花放电有效提升光谱信号强度，提升分析的灵敏度；

4、以光纤激光器为核心的LIBS系统，大大缩短了处理分析所需的时间；

5、回收气体，有效避免实验室中氧浓度下降问题；

6、操作简单，安装方便。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型激光诱导击穿光谱的信号增强装置的示意图；

图2是本实用新型火花放电装置的示意图；

图中：

1、光纤激光器；2、聚焦透镜；3a、第一集气装置；3b、第二集气装置；4a、第一排气开关；4b、第二排气开关；5、样品台；6、火花放电装置；7a、第一流量开关；7b、第二流量开关；8、待测样品；9、光谱仪；10、计算机；11、保护罩；12、高压直流电源；13、高压二极管；14、限流电阻；15、电容；16、弧面电极。

具体实施方式

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合附图和具体的实施例对本实用新型的技术方案进行详细说明。需要指出的是，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例

图1是激光诱导击穿光谱的信号增强装置的示意图，该装置包括高重复频率的光纤激光器1、对脉冲激光进行聚焦的聚焦透镜2、收集保护气的第一集气装置3a和第二集气装置3b(其中包括抽气泵和集气瓶)、第一排气开关4a和第二排气开关4b、样品台5、火花放电装置6、第一流量开关7a和第二流量开关7b、待测样品8、光谱仪9、计算机10、保护罩11。保护罩11、第一排气开关4a、第二排气开关4b、第一流量开关7a和第二流量开关7b组成一封闭的腔体；待测样品8、样品台5和火花放电装置6放置在腔体内；待测样品8放置在样品台5上，火花放电装置6放置在待测样品8表面；第一排气开关4a与第一集气装置3a连接，第二排气开关4b与第二集气装置3b连接。

火花放电装置6组成包括高压直流电源12、高压二极管13、起保护作用的限流电阻14、电容15、弧面电极16(如图二所示)，高压直流电源12的正极连接高压二极管13的正极，高压二极管13的负极连接限流电阻14的一端，限流电阻14的另一端连接高压直流电源12的负极；限流电阻14与电容15并联，弧面电极16与电容15并联，并且弧面电极16的正极和负极分别与高压直流电源12的正负极相对应。

在保护罩11中充满合适压强的保护气体后，光纤激光器1发出激光通过聚焦透镜2后打到待测样品8表面，在表面产生等离子体，经过光谱仪9收集等离子体光信号后，转化成电信号传输到计算机10进行分析处理。

本实用新型对待测样品的检测过程如下：

在实验开始前，打开第一排气开关4a和第二排气开关4b，通过第一集气装置3a和第二集气装置3b排空保护罩11中的空气，关闭第一排气开关4a和第二排气开关4b后，打开第一流量开关7a和第二流量开关7b注入所需压强的保护气体，最后关闭第一流量开关7a和第二流量开关7b，使得保护罩11中充满合适压强的保护气体，其中保护罩11拐角处被设计成圆弧形，确保了排出空气和惰性气体(保护气)注入排出不存在死角，确保了实验的顺利进行。

待保护罩11中充满合适压强的气体后，光纤激光器1产生高重复频率脉冲激光，经过聚焦透镜2打到待测样品8表面上，产生等离子体。火花放电装置6中的高压直流电源12通过高压二极管13后给电容15充电，电容15储存大量电能。当激光诱导击穿待测样品产生等离子体时，弧面电极16间电阻急剧下降，两个电极间瞬间导通，产生电火花放电，从而将电容15中的电能注入到等离子体中，等离子体中的原子和离子被进一步地激发，通过光谱仪9收集等离子体光信号后，转化成电信号传输到计算机10中，在计算机10中进行分析处理，进而获得待测样品组成成分浓度信息。

完成实验后，打开第一排气开关4a和第二排气开关4b，通过第一集气装置3a和第二集气装置3b将保护罩11中的保护气体收集起来，回收气体，并且避免造成实验室中氧浓度下降的问题，同时往保护罩中注入空气，关闭第一排气开关4a和第二排气开关4b。

本实用新型的原理如下：

通过在保护罩中充满惰性气体，能够有效避免激光对大气中氧氮等元素的激发问题，并且当惰性气体气压合适时(一般低于一个标准大气压)，能够降低等离子体屏蔽效应，进而增强激光对样品的烧蚀量，提升光谱信号的谱线强度；高重复频率的脉冲激光诱导击穿待测样品，在样品表面产生等离子体，等离子体的出现使得电极间的电阻迅速下降，产生电火花放电，电火花放电能够对两方面进行增益：第一，火花放电能够对待测样品进行二次诱导击穿，促使更多的等离子体产生，第二，火花放电能够对已激发出的等离子体中原子和离子进一步充分激发，增强光谱信号强度。

本实用新型的有益效果如下：

1、排除空气中氧氮等元素的干扰，减少分析误差，提高分析的准确性；

2、降低等离子体屏蔽效应，增加激光对样品的烧蚀量，增强光谱信号强度；

3、火花放电有效提升光谱信号强度，提升分析的灵敏度；

4、以光纤激光器为核心的LIBS系统，大大缩短了处理分析所需的时间；

5、回收气体，有效避免实验室中氧浓度下降问题；

6、操作简单，安装方便。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种激光诱导击穿光谱的信号增强装置，其特征在于，包括光纤激光器、聚焦透镜、第一集气装置、第二集气装置、第一排气开关、第二排气开关、样品台、火花放电装置、第一流量开关、第二流量开关、待测样品、光谱仪、计算机和保护罩；

保护罩、第一排气开关、第二排气开关、第一流量开关和第二流量开关组成一封闭的腔体；

待测样品、样品台和火花放电装置放置在腔体内；

待测样品放置在样品台上，火花放电装置放置在待测样品表面；

第一排气开关与第一集气装置连接，第二排气开关与第二集气装置连接；

在实验开始前，打开第一排气开关和第二排气开关，通过第一集气装置和第二集气装置排空保护罩中的空气，关闭第一排气开关和第二排气开关后，打开第一流量开关和第二流量开关注入所需压强的保护气体，最后关闭第一流量开关和第二流量开关，使得保护罩中充满合适压强的保护气体；

在保护罩中充满合适压强的保护气体后，光纤激光器发出激光通过聚焦透镜后打到待测样品表面，在表面产生等离子体，火花放电装置产生电火花放电，从而将电能注入到等离子体中，等离子体中的原子和离子被进一步地激发，经过光谱仪收集等离子体光信号后，转化成电信号传输到计算机进行分析处理；

完成实验后，打开第一排气开关和第二排气开关，通过第一集气装置和第二集气装置将保护罩中的保护气体收集起来，回收气体，同时往保护罩中注入空气，关闭第一排气开关和第二排气开关。

2.根据权利要求1所述的激光诱导击穿光谱的信号增强装置，其特征在于，所述火花放电装置包括高压直流电源、高压二极管、起保护作用的限流电阻、电容和弧面电极；

高压直流电源的正极连接高压二极管的正极，高压二极管的负极连接限流电阻的一端，限流电阻的另一端连接高压直流电源的负极；

限流电阻与电容并联，弧面电极与电容并联，并且弧面电极的正极和负极分别与高压直流电源的正负极相对应。

3.根据权利要求1所述的激光诱导击穿光谱的信号增强装置，其特征在于，所述第一集气装置包括第一抽气泵和第一集气瓶，第一抽气泵的一端与第一集气瓶连接，另一端与第一排气开关连接。

4.根据权利要求1所述的激光诱导击穿光谱的信号增强装置，其特征在于，所述第二集气装置包括第二抽气泵和第二集气瓶，第二抽气泵的一端与第二集气瓶连接，另一端与第二排气开关连接。

5.根据权利要求1所述的激光诱导击穿光谱的信号增强装置，其特征在于，所述保护罩拐角处为圆弧形。

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