TW201314199A - 雷射誘發崩解光譜系統及分析方法 - Google Patents

雷射誘發崩解光譜系統及分析方法 Download PDF

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Tze-An Liu
Chen-Wei Chen
Yu-Tai Li
Chen-Hsiu Liu
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Ind Tech Res Inst
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    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/71—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light thermally excited
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Abstract

本揭露提供一種雷射誘發崩解光譜系統，包括一雷射模組、光延遲裝置、克爾介質、偵測裝置，以及處理模組。雷射模組，用以產生第一脈衝雷射與第二脈衝雷射。光延遲裝置，用以讓第二脈衝雷射入射以增加該第二脈衝雷射的光程。克爾介質，用以讓第二脈衝雷射入射且觸發產生時間閘門，並讓第一脈衝雷射入射樣品所產生之電漿光通過時間閘門以於時間點輸出。偵測裝置，用以接收且量測時間點輸出的電漿光並產生訊號。處理模組，連接偵測裝置，用以偵測訊號並與資料庫比較得到樣品之成分與濃度資訊。

Description

雷射誘發崩解光譜系統及分析方法
本揭露係有關於一種光譜系統及分析方法，特別是有關雷射誘發崩解光譜系統及分析方法。
在越來越講究生活品質的今天，人們對於生活環境或日常接觸到的用品，越來越重視其安全與健康的考量，目前在日常生活用品(例如3C產品、面板、太陽能板)、食品(例如中草藥)、玩具、環境(例如土壤)、有價礦產(例如Au,Ag...)等之檢測標準方式為化學法，檢測程序繁雜，須先現場採樣再運到化學實驗室，並利用龐大的真空抽氣與冷卻設備來檢測，且樣品需特殊製備以利於放入檢測設備，使整個檢測時程拉長到將近一週，檢測儀器昂貴且效率差，費人力且操作技術門檻高。
雷射誘發崩解光譜(laser induced breakdown spectroscopy,LIBS)或雷射誘發電漿光譜(laser induced plasma spectroscopy,LIPS)，是一種用於材料分析的技術以決定固體、液體、和氣體的化學成份。實驗室LIBS系統已經配置在工業和政府應用於檢測和分析化學作用物。雷射剝蝕用於誘發性耦合電漿質量光譜儀(LA－ICP－MS)以及雷射剝蝕用於誘發性耦合電漿光學式發射光譜儀(LA－ICP－OES)也都可以用於材料分析。LIBS儀器一般被認為比雷射剝蝕儀器較不昂貴，以致於對LIBS用以測試各種材料的認可方式逐漸增加需求，然而由於產生的電漿光譜通常背景雜訊較大，且無法得知量測最佳時間點，使其準確性和精確度較差。
因此，有必要尋求一種新的雷射誘發崩解光譜系統及分析方法，其能夠改善或避免上述的問題。
有鑑於此，本揭露一實施例提供一種雷射誘發崩解光譜系統，包括一雷射模組、光延遲裝置、克爾介質、偵測裝置，以及處理模組。雷射模組，用以產生第一脈衝雷射與第二脈衝雷射。光延遲裝置，用以讓第二脈衝雷射入射以増加該第二脈衝雷射的光程。克爾介質，用以讓第二脈衝雷射入射且觸發產生時間閘門，並讓第一脈衝雷射入射樣品所產生之電漿光通過時間閘門以於時間點輸出。偵測裝置，用以接收且量測時間點輸出的電漿光並產生訊號。處理模組，連接偵測裝置，用以偵測訊號並與資料庫比較得到樣品之成分與濃度資訊。
本揭露另一實施例提供一種雷射誘發崩解光譜系統，包括：雷射模組、干涉儀、偵測裝置，以及處理模組。雷射模組，用以產生第一脈衝雷射。干涉儀，用以讓第一脈衝雷射入射樣品產生之電漿光入射且讓以於波長位置或頻率位置輸出。偵測裝置，用以接收且量測頻率位置輸出的電漿光並產生訊號。處理模組，連接偵測裝置，用以偵測訊號並與資料庫比較得到樣品之成分與濃度資訊。
本揭露另一實施例之提供一種雷射誘發崩解光譜分析方法，包括利用雷射模組產生第一脈衝雷射與第二脈衝雷射；利用第一脈衝雷射激發樣品產生電漿光，且利用第二脈衝雷射沿光軸方向入射至光延遲裝置後再入射至克爾介質，並觸發克爾介質產生時間閘門；使電漿光通過具有干涉儀使電漿光於第一波長位置輸出，其中干涉儀具有第一腔長；使於第一波長位置輸出的電漿光通過時間閘門以於第一時間點輸出，得到於第一波長位置和第一時間點輸出的電漿光；使光延遲裝置沿光軸方向移動，以使時間閘門在不同於第一時間點的第二時間點開啟，因而得到在於第一波長位置和第二時間點輸出的電漿光。
以下以各實施例詳細說明並伴隨著圖式說明之範例，做為本發明之參考依據。本發明實施例所列數值範圍僅用於清楚說明本發明，本領域具有通常知識者當知悉使用不同裝置或設備將具有不同的數值範圍。本發明已經由數種實施例揭露如上。習知技藝者應能以本發明所揭露的技術內容作為基礎來設計或修改其他的製程或架構來達到相同於本發明之目的和/或優點。習知技藝者應能知悉在不脫離本發明的精神和架構的前提下，當可作些許更動、替換和置換。本發明之範疇當視所附申請專利範圍而定。
本發明實施例係提供了一種多重時間解析(time-resolved)和多重波長解析(wavelength-resolved)之雷射誘發崩解光譜系統及分析方法。上述雷射誘發崩解光譜系統包括二個部份，其中一個部份為利用一個超短脈衝雷射激發樣品產生雷射誘發崩解光譜(LIBS)或雷射誘發電漿光譜(LIPS)。另一個部份為多重時間解析(time-resolved)之訊號取樣技術和多重波長選擇的干涉儀，以量測樣品在不同波長位置和不同時間點的LIBS或LIPS訊號強度及訊噪比(S/N ratio)，可找到各個頻譜位置之最佳訊噪比組態，解決以前用類似方法量測濃度極限的問題。因此特別適合用於中草藥、土壤等之重金屬現場成分檢測。
第1圖為本發明實施例之雷射誘發崩解光譜系統500的架構示意圖。如第1圖所示，雷射誘發崩解光譜系統500包括雷射模組10，其用以產生初始脈衝雷射11，經由分光鏡20分為第一脈衝雷射12與第二脈衝雷射13。在本發明一實施例中，雷射模組10產生的初始脈衝雷射11可為一超短脈衝雷射(ultra-short pulse laser)(又稱飛秒雷射(femtosecond laser))，例如為鈦：藍寶石雷射(Ti:sapphire laser)。第一脈衝雷射12藉由反射鏡28改變行進方向，再經過透鏡21入射並聚焦於樣品80上，達到可游離之溫度後即產生電漿光14，樣品80激發產生的電漿光14具有隨時間而有不同的雷射誘發崩解光譜(LIBS)或雷射誘發電漿光譜(LIPS)。並且，電漿光14經過透鏡25後，再經過例如偏光片40之起偏振元件並收光入射至克爾介質41上。
另一方面，第二脈衝雷射13可選擇性藉由一反射鏡16改變行進方向，再經過一個光延遲裝置22後，再藉由另外二個反射鏡26與27，和一透鏡23，改變行進方向並將第二脈衝雷射13聚焦入射至克爾介質41再打到一止光器24，以截止第二脈衝雷射13。如第1圖所示，第二脈衝雷射13與電漿光14會在克爾介質41上重合。在本發明一實施例中，光延遲裝置22可為一個或複數個反射鏡，其可沿第二脈衝雷射13的光軸方向18移動，藉由增加第二脈衝雷射13的光程(optical path)之方式使第二脈衝雷射13在空間上產生時間延遲。
第2a圖為本發明實施例之雷射誘發崩解光譜系統的時間閘門的示意圖。第2b圖為電漿光通過時間閘門之時間-光強度關係圖。在本發明一實施例中，克爾介質41為非線性介質，其材質可為二硫化碳(CS2)。克爾介質41在高光強度(例如經由脈衝雷射觸發)中會在非常短暫時間(ps)產生雙折射性質(光學克爾效應(Optical Kerr Effect))，所以可視為一個時間閘門(time gate)。如第2a和2b圖所示，當第二脈衝雷射13以觸發克爾介質41而產生時間閘門(time gate)時，電漿光14只可於一段時間通過克爾介質(時間閘門)41，且由於觸發克爾介質41的第二脈衝雷射13具有週期性變化的電場，所以時間閘門為週期性開啟(第2b圖)。在本發明一實施例中，以飛秒(fs)脈衝雷射觸發例如為二硫化碳(CS2)的克爾介質41產生之時間閘門的寬度(開啟時間)最窄可達800 fs，重複率可為單發(single shot)到1 GHz。另外，因為克爾介質41為一非線性介質，當光通過克爾介質41會產生λ/2的相位差。因此，如第1、2a圖所示，可於克爾介質41的兩側分別設置偏光片40(起偏振元件)和偏光片42(解偏振元件)以過濾電漿光14的相位，其中偏光片40和偏光片42的偏振方向互相垂直。
因此，入射至克爾介質41的第二脈衝雷射13係用以觸發克爾介質41而產生週期性的時間閘門(time gate)。做為時間閘門的克爾介質41會使電漿光14通過以於一時間點輸出而得到時間解析(time-resolved)雷射誘發崩解光譜(或雷射誘發電漿光譜)。以飛秒(fs)脈衝雷射(第二脈衝雷射13)觸發上述克爾介質41產生的時間閘門具有非常短的開啟時間(最窄可達800 fs)，因此可以提高雷射誘發崩解光譜的時間解析度。另一方面，可藉由調整光延遲裝置22(沿光軸方向18移動)，使第二脈衝雷射13延遲入射至克爾介質41，使時間閘門的開啟時間延後，因而可以得到多重(不同時間點)的時間解析(time-resolved)雷射誘發崩解光譜(或雷射誘發電漿光譜)，可進一步得知雷射誘發崩解光譜具有最佳訊噪比(S/N ratio)的時間點，因此可精確得知樣品成分，並提升裝置量測極限。
如第1圖所示，雷射誘發崩解光譜系統500還包括一干涉儀50，設置於克爾介質41與偵測裝置43之間。在本發明一實施例中，干涉儀50可介於克爾介質41與偏光片42之間。在本發明其他實施例中，干涉儀50可介於偏光片42與偵測裝置43之間。在本發明一實施例中，干涉儀50可為由兩面近乎平行的高反射率鏡所組成的一Fabry-Perot干涉儀，入射光在兩面鏡間做多次反射，兩相鄰的反射光或穿透光會產生光程差，當干涉儀的腔長(兩面鏡間距離)為入射光半波長整數倍(Nλ/2)時可產生建設性干涉而使輸出光強增大，因而可視為一波長閘門(wavelength gate)。因此，可藉由調整干涉儀50的腔長，讓通過時間閘門(克爾介質41)的電漿光14再通過一波長閘門以於一波長位置或一頻率位置輸出，不需習知的光譜儀即可得到時間解析(time-resolved)和波長選擇的雷射誘發崩解光譜(或雷射誘發電漿光譜)。
第2c圖係用以說明電漿光通過波長閘門之訊噪比提升原理。由於例如為Fabry-Perot干涉儀之干涉儀50具有非常窄的輸出寬度(最窄可達1 GHz)，意即通過波長閘門之電漿光只於非常窄的波長範圍輸出。如第2c圖所示的實施例中，相較於輸出寬度大(例如為Δλ2)的波長閘門，當調整具有窄輸出寬度(例如為Δλ1)波長閘門讓具有特定波長位置光譜的電漿光14a通過時，上述波長閘門可僅允許強度較高的電漿光訊號通過並阻擋強度較低的電漿光訊號和雜訊，所以可以抑制時間解析(time-resolved)和波長選擇的雷射誘發崩解光譜的雜訊，以進一步提升訊噪比(S/N ratio)。
如第1圖所示，上述時間解析(time-resolved)和波長選擇的雷射誘發崩解光譜(或雷射誘發電漿光譜)可藉由偵測裝置43量測時間點和頻率位置輸出的電漿光14並產生訊號。再經由連接偵測裝置43的處理模組44(例如為電腦)，偵測上述訊號強度得到最佳訊噪比(S/N ratio)組態並與資料庫比較得到樣品之成分與濃度等資訊。
以下利用第3a~3b圖說明本發明實施例之雷射誘發崩解光譜分析方法。第3a圖為樣品激發電漿光的訊噪比對時間和波長的關係圖。本發明提出一種雷射誘發崩解光譜分析方法，利用雷射模組產生飛秒(fs)等級的第一脈衝雷射與第二脈衝雷射。利用第一脈衝雷射激發樣品產生電漿光，搭配包含多重波長選擇之干涉儀與多重時間解析之訊號取樣裝置(克爾介質和光延遲裝置)。當樣品被第一脈衝雷射激發產生電漿光後，先利用具有第一腔長的干涉儀(波長閘門)使電漿光於一波長位置輸出。之後，使於第一波長位置輸出的該電漿光通過第二脈衝雷射激發的克爾介質(時間閘門)以於一第一時間點輸出，以得到於一波長位置和第一時間點輸出的電漿光。然後，使光延遲裝置沿光軸方向移動，以使時間閘門在不同於第一時間點的一第二時間點開啟(意即時間閘門會延後開啟)，因而得到在於一波長位置和第二時間點輸出的該電漿光。接著再重覆上述步驟改變時間閘門開啟的時間點，即可得到在一波長位置之電漿光譜訊號(或訊噪比)隨時間之變化值，如第3a圖所示的線301。之後，再調整干涉儀(例如Fabry-Perot干涉儀)至不同於第一時間點的第二腔長，使電漿光於另一波長位置輸出並使時間閘門在不同的時間點開啟，得到另一波長位置之電漿光譜訊號(或訊噪比)隨時間之變化值，如第3a圖所示的線302或303。可再重覆上述步驟持續改變電漿光穿透的波長位置與時間點，經偵測裝置得到具最佳訊噪比之電漿光譜訊號所對應之波長位置與時間點，並利用處理模組(例如為電腦)與資料庫之最佳頻譜與時間點找出樣品材料成分與濃度。上述資料庫可由例如分子動力學或流體力學等理論來建立，亦可由實驗數據而建立。第3b圖為利用本發明實施例之雷射誘發崩解光譜系統的雷射誘發崩解光譜示意圖，每一個轉折點即為波長閘門和時間閘門開啟的波長位置與時間點。由第3b圖可得知，本發明實施例之雷射誘發崩解光譜系統將可得具有高時間解析度(fs~ps等級)和及高波長解析度的雷射誘發崩解光譜。
本發明實施例之雷射誘發崩解光譜系統及分析方法係具有以下優點。利用飛秒(fs)脈衝雷射的優點來觸發克爾介質，使其產生具有極短開啟時間(最窄可達800 fs)的時間閘門以提升裝置時間解析度，並利用Fabry-Perot干涉儀代替習知的光譜儀做為極窄線寬波長閘門以提升裝置頻域靈敏度，將樣品的雷射誘發崩解光譜的訊噪比二次提升，可使裝置偵測極限再次提高。另外，本發明實施例之雷射誘發崩解光譜系統的體積小且構造簡易，可應用為商品化之微量物質檢測儀，做為非接觸式之現場即時檢測，且只需幾秒鐘即可知道結果。解決目前遇到檢測繁瑣的問題，並取代目前昂貴的檢測設備。可用於在日常生活用品(例如3C產品、面板、太陽能板)、食品(例如中草藥)、玩具、環境(例如土壤)、有價礦產(例如Au,Ag...)等之檢測設備。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
500．．．雷射誘發崩解光譜系統
10．．．雷射模組
11．．．初始脈衝雷射
12．．．第一脈衝雷射
13．．．第二脈衝雷射
14、14a．．．電漿光
16、26、27、28．．．反射鏡
18．．．光軸方向
20．．．分光鏡
21、23、25．．．透鏡
22．．．光延遲裝置
24．．．止光器
40、42．．．偏光片
41．．．克爾介質
43．．．偵測裝置
44．．．處理模組
50．．．干涉儀
80．．．樣品
301、302、303．．．線
第1圖為本發明實施例之雷射誘發崩解光譜系統的架構示意圖。
第2a圖為本發明實施例之雷射誘發崩解光譜系統的時間閘門的示意圖。
第2b圖為電漿光通過時間閘門之時間-光強度關係圖。
第2c圖為電漿光通過波長閘門之波長-光強度關係圖，係用以說明電漿光通過波長閘門之訊噪比提升原理。
第3a圖為樣品激發電漿光的訊噪比對時間和波長的關係圖。
第3b圖為本發明實施例之雷射誘發崩解光譜系統的雷射誘發崩解光譜示意圖。
500．．．雷射誘發崩解光譜系統
10．．．雷射模組
11．．．初始脈衝雷射
12．．．第一脈衝雷射
13．．．第二脈衝雷射
14．．．電漿光
16、26、27、28．．．反射鏡
18．．．光軸方向
20．．．分光鏡
21、23、25．．．透鏡
22．．．光延遲裝置
24．．．止光器
40、42．．．偏光片
41．．．克爾介質
43．．．偵測裝置
44．．．處理模組
50．．．干涉儀
80．．．樣品

Claims (22)

  1. 一種雷射誘發崩解光譜系統，包括：一雷射模組，用以產生一第一脈衝雷射與一第二脈衝雷射；一光延遲裝置，用以讓該第二脈衝雷射入射以増加該第二脈衝雷射的一光程；一克爾介質，用以讓増加該光程的該第二脈衝雷射入射且觸發產生一時間閘門，並讓該第一脈衝雷射入射一樣品所產生之一電漿光通過該時間閘門以於一時間點輸出；一偵測裝置，用以接收且量測該時間點輸出的該電漿光並產生一訊號；以及一處理模組，連接該偵測裝置，用以偵測該訊號並與一資料庫比較得到該樣品之成分與濃度資訊。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之雷射誘發崩解光譜系統，更包括一干涉儀，設置於該克爾介質與該偵測裝置之間，用以讓通過該時間閘門的該電漿光入射且讓通過該時間閘門的該電漿光在一波長位置或一頻率位置輸出，且該偵測裝置量測該時間點和該頻率位置輸出的該電漿光。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之雷射誘發崩解光譜系統，其中該時間閘門的寬度最窄可達800 fs。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之雷射誘發崩解光譜系統，其中該第一脈衝雷射與該第二脈衝雷射為飛秒脈衝雷射，且該時間閘門的重複率可為單發(single shot)到1 GHz。
  5. 如申請專利範圍第2項所述之雷射誘發崩解光譜系統，其中該干涉儀為一Fabry-Perot干涉儀，該干涉儀的輸出寬度最窄可達1 GHz。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之雷射誘發崩解光譜系統，其中該光延遲裝置為一個或複數個反射鏡，該光延遲裝置沿該第二脈衝雷射的一光軸方向移動。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之雷射誘發崩解光譜系統，其中該雷射模組產生一初始脈衝雷射，經由一分光鏡分為該第一脈衝雷射與該第二脈衝雷射。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之雷射誘發崩解光譜系統，更包括一第一偏光片和一第二偏光片，分別設置於該克爾介質的兩側，用以使通過該時間閘門的該電漿光依序入射至該第一偏光片、該克爾介質和該第二偏光片。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之雷射誘發崩解光譜系統，其中該第一偏光片和該第二偏光片的偏振方向互相垂直。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之雷射誘發崩解光譜系統，其中產生時間延遲的該第二脈衝雷射和該電漿光在該克爾介質上重合。
  11. 一種雷射誘發崩解光譜系統，包括：一雷射模組，用以產生一第一脈衝雷射；一干涉儀，用以讓該第一脈衝雷射入射一樣品產生之一電漿光入射且讓以於一波長位置或一頻率位置輸出；一偵測裝置，用以接收且量測該頻率位置輸出的該電漿光並產生一訊號；以及一處理模組，連接該偵測裝置，用以偵測該訊號並與一資料庫比較得到該樣品之成分與濃度資訊。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之雷射誘發崩解光譜系統，更包括：一光延遲裝置，用以讓該雷射模組產生的一第二脈衝雷射入射以増加該第二脈衝雷射的一光程；一克爾介質，用以讓増加該光程的該第二脈衝雷射入射且觸發產生一時間閘門，並讓該第一脈衝雷射所產生之該電漿光通過該時間閘門以於一時間點輸出，且該偵測裝置量測該時間點和該頻率位置輸出的該電漿光。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之雷射誘發崩解光譜系統，其中該時間閘門的寬度最窄可達約800 fs。
  14. 如申請專利範圍第12項所述之雷射誘發崩解光譜系統，其中該第一脈衝雷射與該第二脈衝雷射為飛秒脈衝雷射，且該時間閘門的重複率可為單發(single shot)到1 GHz。
  15. 如申請專利範圍第11項所述之雷射誘發崩解光譜系統，其中該干涉儀為一Fabry-Perot干涉儀，該干涉儀的輸出寬度最窄可達1 GHz。
  16. 如申請專利範圍第12項所述之雷射誘發崩解光譜系統，其中該光延遲裝置為一個或複數個反射鏡，該光延遲裝置沿該第二脈衝雷射的一光軸方向移動。
  17. 如申請專利範圍第12項所述之雷射誘發崩解光譜系統，其中該雷射模組產生一初始脈衝雷射，經由一分光鏡分為該第一脈衝雷射與該第二脈衝雷射。
  18. 如申請專利範圍第12項所述之雷射誘發崩解光譜系統，更包括一第一偏光片和一第二偏光片，分別設置於該克爾介質的兩側，用以使通過該時間閘門的該電漿光依序入射至該第一偏光片、該克爾介質和該第二偏光片。
  19. 如申請專利範圍第18項所述之雷射誘發崩解光譜系統，其中該第一偏光片和該第二偏光片的偏振方向互相垂直。
  20. 如申請專利範圍第12項所述之雷射誘發崩解光譜系統，其中產生時間延遲的該第二脈衝雷射和該電漿光在該克爾介質上重合。
  21. 一種雷射誘發崩解光譜分析方法，包括下列步驟：利用一雷射模組產生一第一脈衝雷射與一第二脈衝雷射；利用該第一脈衝雷射激發一樣品產生一電漿光，且利用該第二脈衝雷射沿一光軸方向入射至一光延遲裝置後再入射至一克爾介質，並觸發該克爾介質產生一時間閘門；使該電漿光通過具有一干涉儀使該電漿光於一第一波長位置輸出，其中該干涉儀具有一第一腔長；使於該第一波長位置輸出的該電漿光通過該時間閘門以於一第一時間點輸出，得到於該第一波長位置和該第一時間點輸出的該電漿光；以及使該光延遲裝置沿該光軸方向移動，以使該時間閘門在不同於該第一時間點的一第二時間點開啟，因而得到在於該第一波長位置和該第二時間點輸出的該電漿光。
  22. 如申請專利範圍第21項所述之雷射誘發崩解光譜分析方法，更包括；調整該干涉儀至不同於該第一腔長的一第二腔長，使通過該干涉儀的該電漿光於一第二波長位置輸出；使於該第二波長位置輸出的該電漿光通過該時間閘門以於該第一時間點輸出，得到於該第二波長位置和該第一時間點輸出的該電漿光；以及使該光延遲裝置沿該光軸方向移動，以使該時間閘門在該第二時間點開啟，因而得到在於該第二波長位置和該第二時間點輸出的該電漿光。
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