CN103529000A - 单光源双波长激光诱导击穿光谱测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单光源双波长激光诱导击穿光谱测量装置及方法。该装置主要包括脉冲激光器、倍频晶体、分光镜、第一全反射镜、第二全反射镜、光快门、光谱仪、同步延迟控制器；脉冲激光器产生的激光通过倍频晶体后分为基频光和倍频光，照射在分光镜上；倍频光经所述第一全反射镜反射后垂直照射于待测样品的表面；基频光经过所述光快门、然后被所述第二全反射镜反射后平行照射在待测样品表面的上方1-5mm处；待测样品被激发出的等离子体产生的光谱信号会聚至光纤收集头，传送至光谱仪。本发明在实现双脉冲LIBS高探测灵敏度的同时，还具有结构简单、体积紧凑、价格低廉的优点，可广泛应用于激光诊断和光谱分析技术领域。
Description
技术领域
本发明属于激光诊断和光谱分析技术领域，具体涉及一种物质元素含量分析的单光源双波长激光诱导击穿光谱测量装置及方法。
背景技术
激光诱导击穿光谱(Laser-induced Breakdown Spectroscopy，LIBS)技术是利用高功率密度激光聚焦在待测样品表面，产生10000K～20000K高温的激光等离子体，通过对等离子体中包含的原子、离子、分子所发射光谱波长的测定分析，确定待测样品中元素的组成。LIBS技术运行成本低、测量速度快，具有高灵敏度、无需或或只需简单的样品预处理，便能够实现对样品的多元素同步快速检测，已经被尝试应用于物体元素成分诊断等领域。
传统LIBS技术采用单脉冲激光作为光源，当激光脉冲照射在待测样品表面时，在激光脉冲入射方向上的等离子体区域的电子密度较大，对激光能量起到了屏蔽作用，使得后续激光能量无法到达待测样品表面，阻止了待测样品的继续烧蚀，因此，探测到的等离子信号较弱，限制了其应用范围。为解决这一问题，比较成功的是采用双脉冲激光对等离子体信号进行增强。
经文献检索，专利“光电双脉冲激光诱导击穿光谱仪及光谱分析方法”(CN101620183B)，在单脉冲LIBS的基础上加入第二个高压电脉冲来增强等离子体中的原子辐射强度，以提高光谱检测的灵敏度；专利申请“双脉冲激光诱导击穿光谱仪***及其光谱分析的方法”(公开号为CN102854172A，公开日为2013.01.02)，旨在实现光谱分析的全自动化；专利申请“基于双脉冲激光的粉状物质元素含量测量方法”(公开号为CN102788772A，公开日为2012.11.21)，该方法旨在提高在线检测速度和测试结果的重复性；专利申请“一种红外紫外双脉冲激光诱导击穿光谱在线原位检测装置”(公开号为CN102507511A，公开日为2012.06.20)，该装置旨在增强激光等离子体的光谱辐射强度，提高光谱检测的灵敏度。
分析可知，在上述双脉冲LIBS技术中，等离子体信号增强的实现，要么采用两个激光器，要么将其中一个激光器以高压放电装置来代替；这就导致了测试装置存在结构复杂、体积庞大、成本高昂的缺陷，限制了LIBS技术的应用范围。
发明内容
本发明为克服以上现有技术存在的问题，提供了一种单光源双波长激光诱导击穿光谱测量装置以及光谱测量方法。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种单光源双波长激光诱导击穿光谱测量装置，主要包括脉冲激光器、倍频晶体、分光镜、第一全反射镜、第二全反射镜、光快门、待测样品载台、光纤收集头、光谱仪、同步延迟控制器和计算机；
所述的脉冲激光器产生的激光通过倍频晶体后分为基频光和倍频光，照射在分光镜上；
所述的分光镜对基频光高反射、对倍频光高透射，经过分光镜后，基频光和倍频光被分为两个光路；所述的倍频光经所述第一全反射镜反射后垂直照射于待测样品的表面；所述的基频光经过所述光快门、然后被所述第二全反射镜反射后平行照射在待测样品表面的上方1-5mm处；
待测样品被激发出的等离子体产生的光谱信号会聚至光纤收集头，传送至光谱仪；
所述的计算机与同步延迟控制器、光谱仪分别相连，用以负责参数设置、通信和总体控制；所述的同步延迟控制器根据计算机设置的参数对脉冲激光器、光快门以及光谱仪的同步和延迟进行控制；所述的光谱仪获得的光谱信号传递给计算机进行数据分析。
基于上述基本方案，本发明还作如下优化限定和改进：
在第一全反射镜后方设置有第一会聚透镜，在第二全反射镜后方设置有第二会聚透镜，在光纤收集头与待测样品载台之前设置有第三会聚透镜。
上述待测样品载台为可移动平台，由计算机控制可移动平台的水平移动；光纤收集头收集到的光谱信号通过多路光纤传送至光谱仪。
采用上述单光源双波长激光诱导击穿光谱测量装置进行光谱测量的方法，主要包括以下步骤：
步骤1、放置待测样品，利用计算机设置同步延迟控制器、光谱仪和移动平台的参数；
步骤2、脉冲激光器发出高功率激光照射在倍频晶体上，激光束被分为基频光和倍频光，经过分光镜后，基频光和倍频光被分为两个光路；倍频光经第一全反射镜反射后垂直照射在待测样品上，产生等离子体火花；
步骤3、经过10-30μs的时间延迟后，同步延迟控制器给光快门发布打开命令，基频光通过光快门后照射在第二全反射镜上，反射光平行于待测样品表面的方向对等离子体羽再次加热；
步骤4、经过300-400ns的时间延迟后，同步延迟控制器给光谱仪触发信号，光谱仪开始收集光谱信号；
步骤5、光谱仪收集到的光谱信号传送给计算机进行分析，把待测样品的等离子体光谱信号与标准光谱进行对比分析，得出待测样品中的元素及元素浓度。
为了取得更准确可靠的结论，还可以进行步骤6：待测样品在移动平台的带动下进行移动，重复步骤1至步骤5进行多次测量，以消除元素误判，对多次测量获得的元素浓度取平均值，以消除随机误差；最终，获得待测样品中所含有的元素及其浓度值。
较之于现有技术，本发明具有如下优点：
采用了一个激光器即实现双脉冲LIBS信号的增强，在提高LIBS技术探测灵敏度的同时，该装置还具有结构简单、体积紧凑和成本低廉的优势，可广泛应用于激光诊断和光谱分析技术领域。
附图说明
图1为本发明光谱测量装置的结构原理图。
其中，100-脉冲激光器，110-倍频晶体，120-分光镜，131-全反射镜I，132-全反射镜II，140-光快门，151-会聚透镜I，152-会聚透镜II，153-会聚透镜III，200-待测样品，210-移动平台，220-光纤收集头，230-光谱仪，300-同步延迟控制器，400-计算机。
具体实施方式
下面结合附图给出一个具体实施例，对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，该单光源双波长激光诱导击穿光谱测量装置，主要包括脉冲激光器100、倍频晶体110、分光镜120、全反射镜I131、全反射镜II132、光快门140、会聚透镜I151、会聚透镜II152、会聚透镜III153、移动平台210、光纤收集头220、光谱仪230、同步延迟控制器300和计算机400；
所述的脉冲激光器100为电光调Q Nd:YAG激光器，脉冲重复频率为1-20Hz，单脉冲能量为20-80mJ；
所述的脉冲激光器100产生的激光通过倍频晶体110后分为基频光（波长1064nm）和倍频光（波长532nm），照射在分光镜120上；所述的倍频晶体110采用KDP晶体；
所述的分光镜120对基频光高反射、对倍频光高透射，经过分光镜120后，基频光和倍频光被分为两个光路；所述的移动平台210上放置有待测样品200；所述的倍频光经全反射镜I131反射、会聚透镜I151会聚后垂直照射在待测样品200表面上；所述的基频光通过光快门140被全反射镜II132反射后经会聚透镜II152会聚后平行照射在待测样品200表面上；
等离子体产生的光谱信号经会聚透镜III153会聚进光纤收集头220，光纤收集头220收集到的光谱信号通过多路光纤传送进光谱仪230进行分析；
所述的计算机400与同步延迟控制器300、移动平台210和光谱仪230相连，用以负责参数设置、通信和总体控制；所述的同步延迟控制器300根据计算机400设置的参数对脉冲激光器100、光快门140和光谱仪230的同步和延迟进行控制；所述的光谱仪230获得的光谱信号传递给计算机400进行数据分析。
以上介绍了本发明的单光源双波长激光诱导击穿光谱测量装置，本发明在揭示上述装置的同时，还揭示了一种利用上述装置进行光谱测量的方法，所述方法包括如下步骤：
步骤1、放置好待测样品200，利用计算机400设置好同步延迟控制器300、光谱仪230和移动平台210的参数；
步骤2、脉冲激光器100发出高功率激光照射在倍频晶体110上，激光束被分为基频光和倍频光，再经过分光镜120后，基频光和倍频光被分为两个光路；倍频光经全反射镜I131反射、会聚透镜I151会聚后垂直照射在待测样品200表面上，产生等离子体火花；
步骤3、经过10-30μs的时间延迟后，同步延迟控制器300给光快门140发布打开命令，基频光通过光快门140后照射在全反射镜II132上，然后经会聚透镜II152会聚后平行于待测样品200表面的方向对等离子体羽再次加热；
步骤4、经过300-400ns的时间延迟后，同步延迟控制器300给光谱仪230触发信号，光谱仪230开始收集光谱信号；
步骤5、光谱仪230收集的光谱信号传送给计算机400进行分析，把待测样品200的等离子体光谱信号和标准光谱进行对比分析，得出待测样品200中的元素及元素浓度；
步骤6、待测样品200在移动平台210的带动下进行移动，重复步骤1至步骤5进行10次测量，以消除元素误判，对10次测量获得的元素浓度取平均值，以消除随机误差；最终，获得待测样品200中所含有的元素及其浓度值。
经实验表明：本发明装置及方法对光谱的探测灵敏度与双光源双脉冲LIBS技术的探测灵敏度相同，但本发明装置具有结构简单、体积紧凑、成本低廉的优点。
上述具体实施例为本发明的优选实施例，并应视为对本发明权利要求的限定，其他的任何未背离本发明的技术方案而所做的改变或其它等效的置换方式，均包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种单光源双波长激光诱导击穿光谱测量装置，其特征在于：包括脉冲激光器、倍频晶体、分光镜、第一全反射镜、第二全反射镜、光快门、待测样品载台、光纤收集头、光谱仪、同步延迟控制器和计算机；
所述的脉冲激光器产生的激光通过倍频晶体后分为基频光和倍频光，照射在分光镜上；
所述的分光镜对基频光高反射、对倍频光高透射，经过分光镜后，基频光和倍频光被分为两个光路；所述的倍频光经所述第一全反射镜反射后垂直照射于待测样品的表面；所述的基频光经过所述光快门、然后被所述第二全反射镜反射后平行照射在待测样品表面的上方1-5mm处；
待测样品被激发出的等离子体产生的光谱信号会聚至光纤收集头，传送至光谱仪；
所述的计算机与同步延迟控制器、光谱仪分别相连，用以负责参数设置、通信和总体控制；所述的同步延迟控制器根据计算机设置的参数对脉冲激光器、光快门以及光谱仪的同步和延迟进行控制；所述的光谱仪获得的光谱信号传递给计算机进行数据分析。
2.根据权利要求1所述的单光源双波长激光诱导击穿光谱测量装置，其特征在于：在第一全反射镜后方设置有第一会聚透镜，在第二全反射镜后方设置有第二会聚透镜，在光纤收集头与待测样品载台之前设置有第三会聚透镜。
3.根据权利要求1或2所述的单光源双波长激光诱导击穿光谱测量装置，其特征在于：所述待测样品载台为可移动平台，由计算机控制可移动平台的水平移动；光纤收集头收集到的光谱信号通过多路光纤传送至光谱仪。
4.采用如权利要求3所述单光源双波长激光诱导击穿光谱测量装置进行光谱测量的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1、放置待测样品，利用计算机设置同步延迟控制器、光谱仪和移动平台的参数；
步骤2、脉冲激光器发出高功率激光照射在倍频晶体上，激光束被分为基频光和倍频光，经过分光镜后，基频光和倍频光被分为两个光路；倍频光经第一全反射镜反射后垂直照射在待测样品上，产生等离子体火花；
步骤3、经过10-30μs的时间延迟后，同步延迟控制器给光快门发布打开命令，基频光通过光快门后照射在第二全反射镜上，反射光平行于待测样品表面的方向对等离子体羽再次加热；
步骤4、经过300-400ns的时间延迟后，同步延迟控制器给光谱仪触发信号，光谱仪开始收集光谱信号；
步骤5、光谱仪收集到的光谱信号传送给计算机进行分析，把待测样品的等离子体光谱信号与标准光谱进行对比分析，得出待测样品中的元素及元素浓度。
5.根据权利要求4所述的光谱测量的方法，其特征在于：
还包括步骤6：待测样品在移动平台的带动下进行移动，重复步骤1至步骤5进行多次测量，以消除元素误判，对多次测量获得的元素浓度取平均值，以消除随机误差；最终，获得待测样品中所含有的元素及其浓度值。
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Application publication date: 20140122 |