CN218917762U - 一种大口径远距离变焦libs激发与接收系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种大口径远距离变焦LIBS激发与接收系统，包括依次设置的脉冲激光器、激光扩束器、激光线反射镜、低通二项色镜、主镜和副镜，激光扩束器包括依次设置的弯月透镜和平凸透镜，弯月透镜的凸面朝向平凸透镜，平凸透镜的凸面朝向激光线反射镜，低通二项色镜位于激光线反射镜的正下方并与激光线反射镜平行，低通二项色镜和激光线反射镜与水平面呈45度夹角，主镜为平凹扁椭球反射镜，并且凹面朝向副镜，主镜中心开设有孔，开孔处嵌设入口透镜，入口透镜为双凹球面透镜，副镜为平凸非球面透镜，副镜能够沿光轴相对于主镜前后移动从而实现变焦，低通二项色镜背离主镜的一侧设有消色差镜头，消色差镜头通过光纤与光谱仪连接。

Description

一种大口径远距离变焦LIBS激发与接收系统

技术领域

本实用新型属于光谱测量技术领域，具体涉及一种大口径远距离变焦LIBS激发与接收系统。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

LIBS是Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (激光诱导击穿光谱仪)的简称，该技术通过超短脉冲激光聚焦样品表面形成等离子体，利用光谱仪对等离子体发射光谱进行分析，以此来识别样品中的元素组成成分，进而可以进行材料的识别、分类、定性以及定量分析。LIBS可对现有材质进行快速直接分析，根据不同的电路和软件处理能力，最快可以1s得出检测结果，且几乎不需要样品制备。LIBS技术具有以下优点：可以检测几乎所有元素；可以同时分析多种元素；基体形态多样性，可以检测几乎所有固态样品和某些液态样品。基于以上优点，LIBS弥补了传统元素分析方法的不足，尤其在微小区域材料分析、镀层/薄膜分析、缺陷检测、珠宝鉴定、法医证据鉴定、粉末材料分析、合金分析等应用领域优势明显，同时，LIBS还可以广泛适用于地质、煤炭、冶金、制药、环境、科研等不同领域的应用。除了传统的实验室应用，LIBS还是为数不多的可以做成手持便携装置的元素分析技术，更是目前为止被认为唯一可以做在线分析的元素分析技术。这将使分析技术从实验室领域极大地拓展到户外、现场、甚至生产工艺过程中。

现有LIBS激发接收系统通常是不可变焦或可激发的变焦范围较小，无法远距离检测，造成检测场景受限，在环境比较恶劣的场所比如矿场、大型锅炉等场所的检验有诸多不便。另外，对于某些液体和透明固体的检测，通常需要较高的能量密度才能激发，而等离子光谱则相对微弱；而对于一些金属等则不需要很高的能量密度，这就对LIBS系统的激发和接收能力提出了需求。

实用新型内容

为克服上述不足，本实用新型提供一种LIBS激发接收系统，该系统能够远距离连续变焦而且可在全谱范围内实现超低的检测限。

本实用新型的上述技术目的是通过以下技术方案实现的：一种大口径远距离变焦LIBS激发与接收系统，包括依次设置的脉冲激光器、激光扩束器、激光线反射镜、低通二项色镜、主镜和副镜，激光扩束器包括依次设置的弯月透镜和平凸透镜，弯月透镜的凸面朝向平凸透镜，平凸透镜的凸面朝向激光线反射镜，低通二项色镜位于激光线反射镜的正下方并与激光线反射镜平行，低通二项色镜和激光线反射镜与水平面呈45度夹角，主镜为平凹扁椭球反射镜，并且凹面朝向副镜，主镜中心开设有孔，开孔处嵌设入口透镜，入口透镜为双凹球面透镜，副镜为平凸非球面透镜，副镜能够沿光轴相对于主镜前后移动从而实现变焦，低通二项色镜背离主镜的一侧设有消色差镜头，消色差镜头通过光纤与光谱仪连接。

对上述技术方案的进一步描述，所述脉冲激光器的输出波长为1064nm，所述脉冲激光器带激光准直镜头，优选的，脉冲激光器的单脉冲能量及脉宽可调。

对上述技术方案的进一步描述，所述激光扩束器扩束倍数为4倍，波前差小于1/6λ。

对上述技术方案的进一步描述，所述激光线反射镜在1064nm处的反射率大于99%。

对上述技术方案的进一步描述，所述低通二项色镜的透射截至波长为1000nm，在1064nm处反射率大于98%。

对上述技术方案的进一步描述，所述消色差镜头为四片透镜式，在360-1100nm波段将色差控制在20μm范围内。

对上述技术方案的进一步描述，所述副镜的凸面为双曲面，且镀有致密高反射铝膜，所述主镜的凹面为扁椭非球面且镀有致密高反射铝膜。

对上述技术方案的进一步描述，所述主镜的口径为340mm，所述副镜的口径为70mm，所述入口透镜的口径为40mm。

对上述技术方案的进一步描述，所述主镜和副镜之间的最大距离为480.8mm，最小距离为318.4mm。

对上述技术方案的进一步描述，所述弯月透镜、平凸透镜和双凹平面透镜均为熔石英材料。

本实用新型的有益效果：

1、本实用新型的LIBS激发与接收系统实现了聚焦光斑在1-50米范围连续可调，拓宽了LIBS系统的可检测场景。

2、本实用新型的LIBS激发与接收系统采用大口径的主镜和副镜，并且接收端设计了360-1100mm宽谱消色差镜头，极大地提高了接收的检测限；

3、本实用新型的LIBS激发接收系统采用非球面的主镜和副镜，极大地消除了初级球差，将激发能量密度提升到10⁶mJ/mm²量级。

附图说明

图1 是具体实施例大口径远距离变焦LIBS激发接收系统的结构示意图；

其中，1-脉冲激光器，2-弯月透镜，3-平凸透镜，4-激光线反射镜，5-低通二向色镜，6-入口透镜，7-副镜，8-主镜，9-待测物，10-消色差镜头，11-光纤法兰，12-光纤，13-光谱仪。

具体实施例

以下结合具体实施例对本实用新型作进一步说明。需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本实用新型。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本具体实施例的大口径远距离变焦LIBS激发与接收系统，包括依次设置的脉冲激光器1、激光扩束器、激光线反射镜4、低通二项色镜5、主镜8和副镜7，激光扩束器包括依次设置的弯月透镜2和平凸透镜3，弯月透镜2的凸面朝向平凸透镜3，平凸透镜3的凸面朝向激光线反射镜4，低通二项色镜5位于激光线反射镜4的正下方并与激光线反射镜4平行，低通二项色镜5和激光线反射镜4与水平面呈45度夹角，主镜8为平凹扁椭球反射镜，并且凹面朝向副镜7，主镜8中心开设有孔，开孔处嵌设入口透镜6，入口透镜6为双凹球面透镜，副镜7为平凸非球面透镜，副镜7可以借助步进电机等现有驱动机构沿光轴相对于主镜8前后移动从而实现变焦，低通二项色镜5背离主镜8的一侧设有消色差镜头10，消色差镜头10通过光纤法兰11与光纤12连接，光纤12的另一端与光谱仪13连接。

其中，弯月透镜2、平凸透镜3、激光线反射镜4、低通二项色镜5、入口透镜6、副镜7和主镜8共同组成本专利的激发光路系统，入口透镜6、副镜7和主镜8共同组成一卡塞格林望远镜结构，光纤法兰11、光纤12和光谱仪13共同组成光谱分析系统，用于分析待测物9被激发后的发射光谱从而得出其元素组分。

激发光路由脉冲激光器1射出，经过弯月透镜2和平凸透镜3组成的扩束器扩束，再经过激光线反射镜4和低通二项色镜5组成的光束转向机构转向，同轴入射到卡塞格林系统的入口透镜6，经副镜7和主镜8聚焦到待测物9处，将其激发。待测物9激发的光是向空间各个方向散射的，其在卡塞格林主镜8口径与待测物9所夹的锥角内的光能沿着卡塞格林系统原路返回并被收集到，即光束从待测物9发出，经过主镜8收集，然后再经过副镜7和入口透镜6进行准直后通过消色差镜头10聚焦再耦合到光纤里面。

本具体实施例中，脉冲激光器1的输出波长为1064nm，带激光准直头，输出准直激光，出射光斑大小在6.5mm，单脉冲能量及脉宽可调。弯月透镜2和平凸透镜3共同组成的激光扩束器扩束倍数为4倍，波前差小于1/6λ。为了抗强激光损伤，弯月透镜2和平凸透镜3材质均采用熔石英材料。激光线反射镜4在1064nm处的反射率大于99%。低通二向色镜5的透射截止波长设计在1000nm，在1064nm处反射率大于98%。副镜7为的凸面为双曲面，且镀有致密高反射铝膜。主镜8的凹面为扁椭非球面，并镀有致密高反射铝膜。为了抗强激光，入口透镜6的材质也采用熔石英。

本具体实施例由于激发光采用的是1064nm的单一波长，故采用消球差的设计。消色差镜头10采用四片式设计，在360-1100nm波段能够将色差控制在20um范围内，保证能够耦合到光纤法兰11的光纤纤芯内。

由于待测物9被激发的光向空间各个方向散开，故能收集到的能量正比于物体与卡塞格林主镜8的边缘孔径组成的锥角。即主镜口径越大，能量收集效率越高，同时，聚焦光斑的大小与有效孔径成反比关系，即在无像差的条件下卡塞格林口径越大，聚焦光斑越小，但通常的情况下，孔径越大，像差也越大，造成聚焦光斑也是越大的。对于本系统，对激发系统聚焦光斑大小起主要影响的是球差，球差与孔径的平方成正比。

本具体实施例将卡塞格林系统的主镜8的口径设为340mm，副镜7的口径设为70mm，入口透镜6的口径设为40mm，主副镜口径比为4.9：1, 大大增加了发射光的收集效率，并且主、副镜设计成不同的非球面，结合激光扩束装置和入口透镜，可有效地消除初级球差，将激发光斑控制在衍射极限范围内。副镜7和主镜8的非球面特性保证在变焦范围内聚焦光斑都可以控制在衍射极限范围内。同时，本具体实施例主镜8与副镜7之间的可调节距离最大为480.8mm，最小为318.4mm，即副镜7和主镜8的相对距离在318.4mm-480.8mm内变化，这使得本系统的有效焦距可在102.26mm-3478.06mm内连续变化，从而可实现在1-50米内的连续变焦，并保证激发光斑在衍射极限范围内，同时实现在200mJ的单脉冲能量的情况下激发能量密度在10⁶mJ/mm²的量级。当采用不同激发脉冲能量时，可同比推断相应的激发能量密度。

显然，以上仅为本实用新型的部分实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有前述各种技术特征的组合和变型，本领域的技术人员在不脱离本实用新型的精神和范围的前提下，对本实用新型的改进、变型、等同替换，或者将本实用新型的结构或方法用于其它领域以取得同样的效果，都属于本实用新型包括的保护范围。

Claims (10)

1.一种大口径远距离变焦LIBS激发与接收系统，包括依次设置的脉冲激光器、激光扩束器、激光线反射镜、低通二项色镜、主镜和副镜，其特征在于：激光扩束器包括依次设置的弯月透镜和平凸透镜，弯月透镜的凸面朝向平凸透镜，平凸透镜的凸面朝向激光线反射镜，低通二项色镜位于激光线反射镜的正下方并与激光线反射镜平行，低通二项色镜和激光线反射镜与水平面呈45度夹角，主镜为平凹扁椭球反射镜，并且凹面朝向副镜，主镜中心开设有孔，开孔处嵌设入口透镜，入口透镜为双凹球面透镜，副镜为平凸非球面透镜，副镜能够沿光轴相对于主镜前后移动从而实现变焦，低通二项色镜背离主镜的一侧设有消色差镜头，消色差镜头通过光纤与光谱仪连接。

2.根据权利要求1所述的一种大口径远距离变焦LIBS激发与接收系统，其特征在于：所述脉冲激光器的输出波长为1064nm，所述脉冲激光器带激光准直镜头。

3.根据权利要求2所述的一种大口径远距离变焦LIBS激发与接收系统，其特征在于：所述激光扩束器扩束倍数为4倍，波前差小于1/6λ。

4.根据权利要求3所述的一种大口径远距离变焦LIBS激发与接收系统，其特征在于：所述激光线反射镜在1064nm处的反射率大于99%。

5.根据权利要求4所述的一种大口径远距离变焦LIBS激发与接收系统，其特征在于：所述低通二项色镜的透射截至波长为1000nm，在1064nm处反射率大于98%。

6.根据权利要求5所述的一种大口径远距离变焦LIBS激发与接收系统，其特征在于：所述消色差镜头为四片透镜式，在360-1100nm波段将色差控制在20μm范围内。

7.根据权利要求1所述的一种大口径远距离变焦LIBS激发与接收系统，其特征在于：所述副镜的凸面为双曲面，且镀有致密高反射铝膜，所述主镜的凹面为扁椭非球面且镀有致密高反射铝膜。

8.根据权利要求1所述的一种大口径远距离变焦LIBS激发与接收系统，其特征在于：所述主镜的口径为340mm，所述副镜的口径为70mm，所述入口透镜的口径为40mm。

9.根据权利要求8所述的一种大口径远距离变焦LIBS激发与接收系统，其特征在于：所述主镜和副镜之间的最大距离为480.8mm，最小距离为318.4mm。

10.根据权利要求2所述的一种大口径远距离变焦LIBS激发与接收系统，其特征在于：所述弯月透镜、平凸透镜和双凹平面透镜均为熔石英材料。

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