CN103411932B - 基于远程变焦光路复用的libs测试***及测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于远程变焦光路复用的LIBS测试***及测试方法。该***主要采用一个远程变焦光路复用LIBS望远镜;该望远镜由一个扩束器、一个450放置的分束镜、一个调整镜组、一个二次扩束聚焦镜组、一个可调光纤耦合镜及一个光纤接口组成。本专利提出的方法可实现LIBS激发与LIBS光谱信号采集的光路复用，且由于镀膜的设计，实现了对于1064nm脉冲激光的高效透过及200nm-750nm范围的LIBS光谱信号的高效采集，提高了远程LIBS的信噪比。

Description

基于远程变焦光路复用的LIBS测试***及测试方法
技术领域
本专利涉及一种激光光谱探测方法，尤其涉及一种基于远程变焦光路复用的激光诱导击穿光谱(Laser-inducedbreakdownspectroscopy，简称LIBS)探测方法。
背景技术
远程激光诱导击穿光谱(LIBS)探测技术是利用高能量、短脉宽、低重频脉冲激光器发出的脉冲激光，经过聚焦透镜聚焦到远程的目标表面，在聚焦点上获得瞬时高功率密度的激光脉冲，可使目标表面聚焦点烧蚀、蒸发和电离形成高温、高压、高电子密度的等离子体火花，辐射出包含原子和离子特征谱线的光谱，可用于探测物质的元素组成。
远程LIBS探测技术需要解决两个重要问题:第一，由于探测距离较远，脉冲激光经过***各光学部件后会有较大的能量衰减，如何保证激光能量的高效传输非常重要。第二，由于探测***的光学口径对应于远程目标表面聚焦点的空间立体角很小，导致由目标表面聚焦点发出的可能探测***采集的LIBS信号非常微弱，因此需要有效提高远程LIBS信号的采集效率。
为提高远程LIBS探测脉冲激光的传输效率及LIBS信号的采集效率，最终提高远程LIBS探测信噪比，本专利提出一种基于远程变焦光路复用的LIBS探测方法，该方法可实现LIBS激发与LIBS光谱信号采集的光路复用，从而利用聚焦镜组的大口径光学***进行LIBS回波信号采集，增大了采集信号的空间立体角，且由于镀膜的设计，实现了对于1064nm脉冲激光的高效透过及200nm-750nm范围的LIBS光谱信号的高效采集，提高了远程LIBS的信噪比。
发明内容
本专利的目的在于提供一种基于远程变焦光路复用的LIBS探测方法，利用聚焦镜组的大口径光学***进行LIBS回波信号采集，增大了采集信号的空间立体角。利用光学***镀膜的设计，实现了对于1064nm脉冲激光的高效透过及200nm-750nm范围的LIBS光谱信号的高效采集，提高了远程LIBS的信噪比。
本专利是这样来实现的，其方法步骤为:
由皮秒固体脉冲激光器发出一束波长为1064nm的皮秒级脉冲激光，通过镀有1064nm高透膜的扩束器进行扩束，透过与光轴成450安装的镀有1064nm高透膜及200nm-750nm高反膜的分束镜，再透过镀有1064nm及200nm-750nm高透膜的调整镜组，再经过镀有1064nm及200nm-750nm高透膜的二次扩束聚焦镜组进行扩束与聚焦，会聚到远处目标表面上的一点。在此激发过程中，脉冲激光所经过的每个光学元件都镀有1064nm高透膜，从而保证了激光的高效传输，提高了透过率，有效地减小了光能损失。
从远程目标表面激发出的LIBS信号光主要集中在200nm-750nm光谱范围，该信号光反向首先透过镀有1064nm及200nm-750nm高透膜的二次扩束聚焦镜组实现光路复用，由于聚焦镜组属于大口径光学元件，因此提高了信号光采集的立体角;然后透过镀有1064nm及200nm-750nm高透膜的调整镜组，再经过镀有1064nm高透膜及200nm-750nm高反膜的分束镜反射，最后经过镀有200nm-750nm高透膜的可调光纤耦合镜聚焦至插在光纤接口的ICCD光谱仪的光纤端面，然后由ICCD光谱仪采集及分析LIBS光谱信号。通过调节可调光纤耦合镜，可使LIBS信号光准确聚集到光纤端面。在此信号采集过程中，LIBS信号光通过的所有光学元件都镀有200nm-750nm高透膜或高反膜，从而可有效减小信号光的传输损耗，提高信号光的采集效率。
由于远程目标离探测***距离并不固定，为提高远程LIBS探测的机动性，可通过调节调整镜组与二次扩束聚焦镜组的距离改变光路***的焦距，从而实现变焦功能，可用于不同距离目标的LIBS探测。
该方法实现了LIBS激发与LIBS光谱信号采集的光路复用，且由于镀膜的设计，实现了对于1064nm脉冲激光的高效透过及200nm-750nm范围的LIBS光谱信号的高效采集，提高了远程LIBS的信噪比。
附图说明
图1为本专利的原理图，图中：1——皮秒固体脉冲激光器；2——远程变焦光路复用LIBS望远镜；3——扩束器；4——分束镜；5——调整镜组；6——变焦控制器；7——二次扩束聚焦镜组；8——远程目标；9——ICCD光谱仪；10——光纤；11——光纤接口；12——可调光纤耦合镜。
具体实施方式
本专利的原理如图1所示，基于远程变焦光路复用的LIBS测试***包含皮秒固体脉冲激光器1、远程变焦光路复用LIBS望远镜2、光纤10及ICCD光谱仪9。其中远程变焦光路复用LIBS望远镜2由扩束器3、分束镜4、调整镜组5、变焦控制器6、二次扩束聚焦镜组7、可调光纤耦合镜12及光纤接口11组成
由皮秒固体脉冲激光器1发出一束波长为1064nm的皮秒级脉冲激光，通过镀有1064nm高透膜的扩束器3进行扩束，透过与光轴成450安装的镀有1064nm高透膜及200nm-750nm高反膜的分束镜4，再透过镀有1064nm及200nm-750nm高透膜的调整镜组5，再经过镀有1064nm及200nm-750nm高透膜的二次扩束聚焦镜组7进行扩束与聚焦，会聚到远程目标8表面上的一点。在此激发过程中，脉冲激光所经过的每个光学元件都镀有1064nm高透膜，从而保证了激光的高效传输，提高了透过率，有效地减小了光能损失。通过变焦控制器6可调节调整镜组5与二次扩束聚焦镜组7的距离从而改变光路***的焦距，实现变焦功能，可用于不同距离目标的LIBS探测。
从远程目标表面激发出的LIBS信号光主要集中在200nm-750nm光谱范围，该信号光反向首先透过镀有1064nm及200nm-750nm高透膜的二次扩束聚焦镜组7实现光路复用，由于聚焦镜组属于大口径光学元件，因此提高了信号光采集的立体角;然后透过镀有1064nm及200nm-750nm高透膜的调整镜组5，再经过镀有1064nm高透膜及200nm-750nm高反膜的分束镜4反射，最后经过镀有200nm-750nm高透膜的可调光纤耦合镜12聚焦至插在光纤接口11的ICCD光谱仪9所配的光纤10的端面上，然后由ICCD光谱仪9采集及分析LIBS光谱信号。通过调节可调光纤耦合镜12，可使LIBS信号光准确聚集到光纤10的端面。在此信号采集过程中，LIBS信号光通过的所有光学元件都镀有200nm-750nm高透膜或高反膜，从而可有效减小信号光的传输损耗，提高信号光的采集效率。
由于激发光路及信号采集光路实现了复用，且所有的光学元件构成一体化封闭结构的远程变焦光路复用LIBS望远镜2，可有效克服外界杂散光的影响，从而进一步提高信噪比。

Claims (2)

1.一种基于远程变焦光路复用的激光诱导击穿光谱测试***，它包括皮秒固体脉冲激光器(1)，远程变焦光路复用LIBS望远镜(2)，ICCD光谱仪(9)，光纤(10)，其特征在于：所述的测试***采用一个远程变焦光路复用LIBS望远镜，该望远镜由一个扩束器、一个45°放置的分束镜、一个调整镜组、一个二次扩束聚焦镜组、一个可调光纤耦合镜及一个光纤接口组成，其中所述的扩束器镀有1064nm高透膜、所述的分束镜镀有1064nm高透膜及200nm-750nm高反膜；所述的调整镜组与二次扩束聚焦镜组镀有1064nm及200nm-750nm高透膜；所述的可调光纤耦合镜镀有200nm-750nm高透膜。
2.一种基于权利要求1所述测试***的LIBS测试方法，其特征在于：波长1064nm脉冲激光依次通过镀有1064nm高透膜的扩束器、镀有1064nm高透膜及200nm-750nm高反膜的分束镜、镀有1064nm及200nm-750nm高透膜的调整镜组、镀有1064nm及200nm-750nm高透膜的二次扩束聚焦镜组，然后聚焦到远处目标表面上的一点，激发出的LIBS光谱信号反向依次经过镀有1064nm及200nm-750nm高透膜的二次扩束聚焦镜组、镀有1064nm及200nm-750nm高透膜的调整镜组，然后经过镀有1064nm高透膜及200nm-750nm高反膜的分束镜反射，再经过镀有200nm-750nm高透膜的可调光纤耦合镜聚焦至插在光纤接口的ICCD光谱仪的光纤端面，然后由ICCD光谱仪采集及分析LIBS光谱信号。
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