CN216622173U - 一种遥测式激光诱导击穿光谱检测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种遥测式激光诱导击穿光谱检测系统，包括激光烧蚀装置、激光光斑整形组件、聚焦收集光路镜组和光谱探测分析装置；激光光斑整形组件与聚焦收集光路镜组共轴设置，光谱探测分析装置位于激光光斑整形组件和聚焦收集光路镜组之间；激光光斑整形组件用于将激光烧蚀装置发射出的激光光束的光斑整形为空心激光光斑，聚焦收集光路镜组用于将整形后的激光光束聚焦于待检测物料表面进行烧蚀，还用于将烧蚀产生的等离子体光进行收集并传输给光谱探测分析装置，光谱探测分析装置用于对等离子光进行探测分析。本实用新型的检测系统能够使激光光束能量集中在光斑边缘，以提高激光能量的利用效率，同时降低垂直反射激光对器件造成的损伤。

Description

一种遥测式激光诱导击穿光谱检测系统

技术领域

本实用新型属于激光检测和分析技术领域，特别涉及一种遥测式激光诱导击穿光谱检测系统。

背景技术

在钢铁和有色冶金等行业，需要对冶炼过程中高温冶金熔体、生产原材料等工业物料进行成分检测，用来监控物料质量以指导工艺技术参数的调整。

目前，工业物料成分检测多采用化验室离线检测的方法，需要取样、制样和检测分析等流程，检测过程耗时，而且检测结果严重滞后，限制了生产过程工艺参数的及时调整。激光诱导击穿光谱技术（laser-induced breakdown spectroscopy，LIBS）是一种基于原子发射光谱的物质成分检测技术。用高能量的脉冲激光经透镜聚焦到样品表面，烧蚀样品产生等离子体，通过测量等离子体自发辐射光的波长及强度即可获知样品中元素组成和含量。相比于传统检测方法，LIBS技术具有测量速度快、无需样品预处理、可多元素同时分析、无辐射等优势，非常适合对物质成分的实时、在线检测。在电力、冶金、水泥、农作物检测等工农业生产过程控制中有着广阔的应用潜力。

通常LIBS检测系统所使用激光器的激光光束能量分布为高斯型，激光光束能量分布表现为中间强两边弱的特点，激光能量主要集中在激光光束中心区域，而且传统的遥测式LIBS检测系统采用卡塞格林望远镜的结构，中心区域的激光光束经过凸面反射镜垂直反射后，将沿原入射光路返回，不仅损失了可利用的激光能量，也对激光器、光谱探测器、光学镀膜镜片造成了损伤。

实用新型内容

针对上述问题，本实用新型提出了一种遥测式激光诱导击穿光谱检测系统，能够提高激光的利用效率，并降低反射激光对系统中器件的损伤。

本实用新型的一种遥测式激光诱导击穿光谱检测系统，包括激光烧蚀装置、激光光斑整形组件、聚焦收集光路镜组和光谱探测分析装置；

所述激光光斑整形组件与所述聚焦收集光路镜组共轴设置；所述激光光斑整形组件用于将所述激光烧蚀装置发射出的激光光束的光斑整形为空心激光光斑，所述聚焦收集光路镜组用于将整形后的所述激光光束聚焦于待检测物料表面对所述待检测物料进行烧蚀；

所述光谱探测分析装置位于所述激光光斑整形组件和所述聚焦收集光路镜组之间；所述聚焦收集光路镜组还用于将烧蚀产生的等离子体光进行收集并传输给所述光谱探测分析装置，所述光谱探测分析装置用于对等离子光进行探测分析以获取所述待检测物料的成分信息。

进一步地，所述激光光斑整形组件包括激光光斑整形装置和准直模块；

所述准直模块位于所述激光光斑整形装置与所述光谱探测分析装置之间。

进一步地，所述激光光斑整形装置为衍射光学元件、锥形透镜或激光光斑整形器。

进一步地，所述激光烧蚀装置包括等激光光束光轴设置的激光器和激光光束扩束器；所述激光光束扩束器、所述激光光斑整形组件和所述聚焦收集光路镜组沿所述激光光束照射方向依次布置在所述激光器和待检测物料之间。

进一步地，所述聚焦收集光路镜组包括等激光光束光轴布置的中心钻孔凹面反射镜和凸面反射镜；

所述中心钻孔凹面反射镜设于所述激光光斑整形组件和所述凸面反射镜之间；所述中心钻孔凹面反射镜的凹面与所述凸面反射镜的凸面相对设置。

进一步地，所述聚焦收集光路镜组还包括移动导轨；

所述凸面反射镜设置在所述移动导轨上，所述移动导轨调节所述凸面反射镜与所述中心钻孔凹面反射镜之间的距离。

进一步地，所述光谱探测分析装置包括分色镜、收集透镜组和光谱探测器；

所述分色镜位于所述激光光斑整形组件和所述聚焦收集光路镜组之间，且所述分色镜的反射面朝向所述聚焦收集光路镜组设置；

所述收集透镜组位于所述分色镜的反射光路上；

所述光谱探测器对所述收集透镜组收集到的等离子体光进行探测分析以获取所述待检测物料的光谱数据。

进一步地，所述光谱探测分析装置还包括光纤耦合模块和计算机；

所述光纤耦合模块通过光纤连接所述光谱探测器；

所述光谱探测器与所述计算机连接并将所述待检测物料的光谱数据传输至所述计算机；

所述计算机对接收到的所述光谱数据进行分析和处理后获取所述待检测物料的成分信息。

进一步地，还包括设置在所述激光烧蚀装置和所述激光光斑整形组件之间的光束反射结构；

所述光束反射结构包括呈预设第一角度倾斜设置的第一激光反射镜和呈预设第二角度倾斜设置的第二激光反射镜，且所述第二激光反射镜位于所述第一激光反射镜的反射光路上，所述激光光斑整形组件位于所述第二激光反射镜的反射光路上，所述激光光束经所述第一激光反射镜和所述第二激光反射镜的反射呈U型光路照射。

进一步地，所述第一激光反射镜为分束镜，所述第二激光反射镜为激光全反反射镜；

所述系统还包括激光能量探测器，所述激光能量探测器位于所述第一激光反射镜的透射光路上，并通过对所述透射光路进行激光能量的实时探测以监测激光能量的稳定性。

本实用新型的一种遥测式激光诱导击穿光谱检测系统，包括激光烧蚀装置、激光光斑整形组件、聚焦收集光路镜组和光谱探测分析装置，激光烧蚀装置发射的激光光束通过激光光斑整形装置整形为空心激光光斑的激光光束；通过准直模块对空心激光光斑的激光光束进行准直；再通过聚焦收集光路镜组将空心激光光斑的激光光束聚焦于待检测物料表面对待检测物料进行烧蚀；最后通过聚焦收集光路镜组和光谱探测分析装置对烧蚀产生的等离子体光进行收集和探测分析，获取待检测物料的成分信息；本实用新型的检测系统能够使聚焦后的激光光束能量集中在光斑边缘，提高激光能量的利用效率，同时降低垂直反射激光对激光器、光谱探测器、光学镀膜镜片等器件造成损伤。

本实用新型的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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示出了根据本实用新型实施例的一种遥测式激光诱导击穿光谱检测系统结构示意图；

图2示出了根据本实用新型实施例的激光光斑整形聚焦前后激光光斑及能量分布示意图。

图中主要标号说明：

1、激光器；2、激光光束扩束器；3、第一激光反射镜；4、激光能量探测器；5、第二激光反射镜；6、激光光斑整形装置；7、准直模块；8、分色镜；9、中心钻孔凹面反射镜；10、凸面反射镜；11、移动导轨；12、待检测物料；14、收集透镜组；15、光纤耦合模块；16、光纤；17、光谱探测器；18、计算机；19、高斯激光光斑；20、空心激光光斑；21、测距模块。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例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。

如图1所示，为申请的一种遥测式激光诱导击穿光谱检测系统，包括激光烧蚀装置、激光光斑整形组件、聚焦收集光路镜组和光谱探测分析装置；其中，

激光烧蚀装置包括激光器1和激光光束扩束器2；聚焦收集光路镜组包括中心钻孔凹面反射镜9和凸面反射镜10，光谱探测分析装置包括分色镜8、收集透镜组14和光谱探测器17；

激光光束扩束器2、激光光斑整形装置6、分色镜8、中心钻孔凹面反射镜9和凸面反射镜10沿着激光器1到待检测物料12之间的激光光束的光路依次布置。

其中，激光器1用于提供烧蚀样品所需的能量，激光光束扩束器2用于扩展激光束的直径并减小激光束的发散角；

激光光斑整形组件用于将激光光束的光斑整形为空心激光光斑；激光光斑整形组件包括激光光斑整形装置6和准直模块7；准直模块7位于激光光斑整形装置6与分色镜8之间。如图2所示，在本申请的实施例中，高斯激光光斑19在经过激光光斑整形装置6和准直模块7进行整形后得到空心激光光斑20；图2中箭头“→”表示激光光束的光路方向。

具体地，激光光斑整形装置6可以选择衍射光学元件、锥形透镜或激光光斑整形器。

参见图1，在本申请的实施例中，聚焦收集光路镜组用于将整形后的激光光束聚焦于待检测物料12表面对待检测物料12进行烧蚀；还用于将烧蚀产生的等离子体光进行共轴收集，并传输给光谱探测分析装置，通过光谱探测分析装置用于对等离子光进行探测分析以获取待检测物料12的成分信息；“共轴收集”是指烧蚀的激光光束的光路和等离子体光收集的光路是相同的，但是光束的传播方向相反的；图1中的双向箭头“↔”表示聚焦收集光路镜组将激光光束聚焦于待检测物料12表面，且聚焦收集光路镜组还能够收集产生的等离子体光。

所述聚焦收集光路镜组包括等激光光束光轴布置的中心钻孔凹面反射镜9和凸面反射镜10，且中心钻孔凹面反射镜9设于激光光斑整形组件和凸面反射镜10之间，中心钻孔凹面反射镜9的凹面与凸面反射镜10的凸面相对设置。在对待检测物料12进行烧蚀的环节中，凸面反射镜10的作用在于将从激光光斑整形组件入射的激光光束反射至凹面反射镜的表面，中心钻孔凹面反射镜9的作用在于将凸面反射镜10反射的激光聚焦在待检测物料12表面，对待检测物料12进行烧蚀获得等离子体；

在对等离子体光进行收集的环节中，中心钻孔凹面反射镜9的作用在于接收等离子体光并反射至凸面反射镜10，凸面反射镜10的作用在于将接收的中心钻孔凹面反射镜9的反射的等离子体光反射至分色镜8。

此外，中心钻孔凹面反射镜9和凸面反射镜10组合在一起构成望远镜系统，可实现数米的激光聚焦和等离子体光收集，能够提高激光诱导击穿光谱检测系统的检测距离，实现“遥测”的效果。

其中，根据中心钻孔凹面反射镜9和凸面反射镜10的曲率半径来确定中心钻孔凹面反射镜9的中心孔的尺寸。

通过激光光斑整形装置6、准直模块7、中心钻孔凹面反射镜9和凸面反射镜10，可对聚焦后的激光光束中心区域及能量分布进行调节，使聚焦后的激光光束能量集中在光斑边缘，大大提升了激光诱导击穿光谱检测系统中激光能量的利用率；

同时相比较于现有技术，可以极大地降低垂直反射激光的对激光器1、光谱探测器17、光学镀膜镜片等激光诱导击穿光谱检测系统中结构器件造成损伤。

进一步地，分色镜8位于激光光斑整形组件和聚焦收集光路镜组之间，用于透过激光光斑整形组件整形后的激光光束，还用于反射等离子体光至收集透镜组14；光谱探测器17用于对收集透镜组14收集到的等离子体光进行探测分析以获取等离子体光谱数据。

进一步地，本实施例中，光谱探测分析装置还包括光纤耦合模块15和计算机18；等离子体光经过聚焦收集光路镜组收集和汇聚后，经过分色镜8反射至收集透镜组14，然后通过光纤耦合模块15耦合至光纤16，光纤16的输出端连接光谱探测器17的信号输入端；在光谱探测器17中完成等离子体光的分光和光电转换，得到等离子体光谱数据；光谱探测器17与计算机18连接并将等离子体光谱数据从光谱探测器17的信号输出端传输至计算机18；在计算机18中可以对接收到的光谱数据进行存储、定性分析以及定量分析，得到待检测物料12的成分信息。

根据本申请的另外一个较佳实施例，在激光光束扩束器2和激光光斑整形装置6之间还设置有的光束反射结构；通过设置光束反射结构来提高系统的紧凑性。

光束反射结构包括呈预设第一角度倾斜设置的第一激光反射镜3和呈预设第二角度倾斜设置的第二激光反射镜5，使激光光束经第一激光反射镜3和第二激光反射镜5呈U型光路照射。通过第一激光束反射镜和第二激光束反射镜的设置，除了可以使系统更加地紧凑外，也可以通过同时对两片反射镜进行对维度以及俯仰角度的调节，实现简单快速的调节激光器1发出的激光光束光轴（激光光束传输光路的中心轴）与聚焦收集光路镜组所在地聚焦收集光路光轴重合，减少对系统中其他镜片的调节量。

第一激光反射镜3为分束镜，第二激光反射镜5为激光全反反射镜；

第一激光反射镜3位于激光光束扩束器2的出射光路上，并将出射光路分束为预定比例的反射激光光束和透射激光光束，第二激光反射镜5位于第一激光反射镜3的反射光路上；

激光光斑整形装置6位于第二激光反射镜5的反射光路上。

可选地，本申请的遥测式激光诱导击穿光谱检测系统中还设置有激光能量探测器4，激光能量探测器4位于第一激光反射镜3的透射光路上，用于对透射光路进行激光能量的实时探测，获取激光能量数据；本领域技术人员可以通过实时获取的激光能量数据，判断激光能量的稳定性，从而实现对激光器1发射的激光脉冲能量的稳定性进行监测。

参见图1，激光器1、激光光束扩束器2、第一激光反射镜3和激光能量探测器4等激光光束光轴布置；第二激光反射镜5、激光光斑整形装置6、准直模块7、分色镜8、中心钻孔凹面反射镜9和凸面反射镜10等激光光束光轴布置。

进一步地，还包括激光能量监测控制模块，用于接收激光能量探测器4传输的激光能量数据，并判断激光能量数据是否满足预设稳定阈值，指导激光能量数据有效性的判别；

激光能量监测控制模块还用于在激光能量数据不满足预设稳定阈值时，生成控制信号或报警信号。应当理解的是，所述的控制信号是指针对系统中相对应的结构的调节指令，以实现调节后的激光能量数据满足预设稳定阈值。

通过激光能量探测器4和激光监测控制模块实现对激光能量的实时监控，确保激光能量的稳定性。

可选地，聚焦收集光路镜组还包括移动导轨11，凸面反射镜10设置在移动导轨11上，移动导轨11移动时调节凸面反射镜10与中心钻孔凹面反射镜9之间的距离，进而改变系统的检测距离。

可选地，激光诱导击穿光谱检测系统中还包括测距模块21和控制器，测距模块21用于实时测量中心钻孔凹面反射镜9与待检测物料12表面之间的相对距离，并将测量结果传输给控制器；

控制器用于根据测量结果来控制凸面反射镜10与中心钻孔凹面反射镜9之间的距离，具体地，控制器根据测量结果发出控制指令控制移动导轨11来实现对中心钻孔凹面反射镜9与凸面反射镜10之间间距的调节。

通过移动导轨11、测距模块21和控制器可以实现对激光诱导击穿光谱检测系统检测距离的实时调控，从而实现自动定位激光光束的聚焦点位置。

本实用新型的遥测式激光诱导击穿光谱检测系统在进行物料检测时，检测方法包括下面步骤：

启动激光烧蚀装置，发射激光光束；

通过激光光斑整形装置6将激光光束的光斑整形为空心激光光斑；

通过聚焦收集光路镜组将空心激光光斑的激光光束聚焦于待检测物料12表面，对待检测物料12进行烧蚀；

通过聚焦收集光路镜组和光谱探测分析装置对烧蚀产生的等离子体光进行收集和探测分析，获取待检测物料12的等离子体光谱数据。

尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种遥测式激光诱导击穿光谱检测系统，其特征在于，包括激光烧蚀装置、激光光斑整形组件、聚焦收集光路镜组和光谱探测分析装置；

所述激光光斑整形组件与所述聚焦收集光路镜组共轴设置；所述激光光斑整形组件用于将所述激光烧蚀装置发射出的激光光束的光斑整形为空心激光光斑，所述聚焦收集光路镜组用于将整形后的所述激光光束聚焦于待检测物料（12）表面对所述待检测物料（12）进行烧蚀；

所述光谱探测分析装置位于所述激光光斑整形组件和所述聚焦收集光路镜组之间；所述聚焦收集光路镜组还用于将烧蚀产生的等离子体光进行收集并传输给所述光谱探测分析装置，所述光谱探测分析装置用于对等离子光进行探测分析以获取所述待检测物料（12）的成分信息。

2.根据权利要求1所述的遥测式激光诱导击穿光谱检测系统，其特征在于，所述激光光斑整形组件包括激光光斑整形装置（6）和准直模块（7）；

所述准直模块（7）位于所述激光光斑整形装置（6）与所述光谱探测分析装置之间。

3.根据权利要求2所述的遥测式激光诱导击穿光谱检测系统，其特征在于，所述激光光斑整形装置（6）为衍射光学元件、锥形透镜或激光光斑整形器。

4.根据权利要求1所述的遥测式激光诱导击穿光谱检测系统，其特征在于，所述激光烧蚀装置包括等激光光束光轴设置的激光器（1）和激光光束扩束器（2）；所述激光光束扩束器（2）、所述激光光斑整形组件和所述聚焦收集光路镜组沿所述激光光束照射方向依次布置在所述激光器（1）和待检测物料（12）之间。

5.根据权利要求1所述的遥测式激光诱导击穿光谱检测系统，其特征在于，所述聚焦收集光路镜组包括等激光光束光轴布置的中心钻孔凹面反射镜（9）和凸面反射镜（10）；

所述中心钻孔凹面反射镜（9）设于所述激光光斑整形组件和所述凸面反射镜（10）之间；所述中心钻孔凹面反射镜（9）的凹面与所述凸面反射镜（10）的凸面相对设置。

6.根据权利要求5所述的遥测式激光诱导击穿光谱检测系统，其特征在于，所述聚焦收集光路镜组还包括移动导轨（11）；

所述凸面反射镜（10）设置在所述移动导轨（11）上，所述移动导轨（11）调节所述凸面反射镜（10）与所述中心钻孔凹面反射镜（9）之间的距离。

7.根据权利要求1所述的遥测式激光诱导击穿光谱检测系统，其特征在于，所述光谱探测分析装置包括分色镜（8）、收集透镜组（14）和光谱探测器（17）；

所述分色镜（8）位于所述激光光斑整形组件和所述聚焦收集光路镜组之间，且所述分色镜（8）的反射面朝向所述聚焦收集光路镜组设置；

所述收集透镜组（14）位于所述分色镜（8）的反射光路上；

所述光谱探测器（17）对所述收集透镜组（14）收集到的等离子体光进行探测分析以获取所述待检测物料（12）的光谱数据。

8.根据权利要求7所述的遥测式激光诱导击穿光谱检测系统，其特征在于，所述光谱探测分析装置还包括光纤耦合模块（15）和计算机（18）；

所述光纤耦合模块（15）通过光纤（16）连接所述光谱探测器（17）；

所述光谱探测器（17）与所述计算机（18）连接并将所述待检测物料的光谱数据传输至所述计算机（18）；

所述计算机（18）对接收到的所述光谱数据进行分析和处理后获取所述待检测物料（12）的成分信息。

9.根据权利要求1~8中任一项所述的遥测式激光诱导击穿光谱检测系统，其特征在于，还包括设置在所述激光烧蚀装置和所述激光光斑整形组件之间的光束反射结构；

所述光束反射结构包括呈预设第一角度倾斜设置的第一激光反射镜（3）和呈预设第二角度倾斜设置的第二激光反射镜（5），且所述第二激光反射镜（5）位于所述第一激光反射镜（3）的反射光路上，所述激光光斑整形组件位于所述第二激光反射镜（5）的反射光路上，所述激光光束经所述第一激光反射镜（3）和所述第二激光反射镜（5）的反射呈U型光路照射。

10.根据权利要求9所述的遥测式激光诱导击穿光谱检测系统，其特征在于，所述第一激光反射镜（3）为分束镜，所述第二激光反射镜（5）为激光全反反射镜；

所述系统还包括激光能量探测器（4），所述激光能量探测器（4）位于所述第一激光反射镜（3）的透射光路上，并通过对所述透射光路进行激光能量的实时探测以监测激光能量的稳定性。

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