CN106770073B - 一种基于激光诱导击穿光谱的收光***优化方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于激光诱导击穿光谱的收光***优化方法，主要用于优化收光***中的收光透镜的位置参数。该方法首先确定实验所用的光纤探测器的半径R1和收光透镜的半径R；然后，通过拍摄等离子体图像的方式确定等离子体波动最大方向和等离子体在这个方向上的长度L，调整收光透镜的放置方向，使得收光透镜的光轴方向与等离子体波动最大方向平行，并使等离子体中心和光纤探测器与收光透镜的光轴在一条直线上；之后通过公式计算收光透镜到等离子体中心的最佳距离u0，并据此确定收光透镜的位置。本发明在兼顾了光谱信号强度的基础上，进一步增加了激光诱导击穿光谱信号的稳定性，从而提高了激光诱导击穿光谱测量***的测量精度。

Description

一种基于激光诱导击穿光谱的收光***优化方法
技术领域
本发明涉及一种基于激光诱导击穿光谱的收光***优化方法，更具体地说是涉及一种激光诱导击穿光谱测量***中收光透镜的位置关系，属于等离子体发射光谱及测量技术领域。
背景技术
等离子体的发射光谱是一种用于元素分析的重要方法，其工作流程为：以脉冲激光器为激发光源，从脉冲激光器出射的激光经过聚焦收光透镜聚焦后作用于样品的表面上，在聚焦点产生等离子体，等离子体产生的辐射光信号被收光透镜所收集，通过光纤探测器并经过光谱仪处理后转化成电信号而被计算机采集，得到等离子体的特征光谱；其中，收光透镜和光纤探测器构成了激光诱导击穿光谱测量装置的收光***。使用收光透镜可以得到更强和更稳定的信号；目前现有技术中对于收光透镜的设置位置往往通过经验确定，而且也仅考虑辐射光的强弱，并未做出定量的分析结果。
由于收光透镜的位置等因素会对最终的结果产生重要且复杂的影响，收光透镜的位置参数将直接关系到激光诱导击穿光谱信号的强度和稳定性，进而影响激光诱导击穿光谱测量数据的准确性，因此有必要对激光诱导击穿光谱的收光***进行优化。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于激光诱导击穿光谱的收光***优化方法，即结合等离子体特性，对收光透镜的位置参数提出优化方案，在兼顾了光谱信号强度的基础上，进一步增加激光诱导击穿光谱信号的稳定性。
附图说明
图1为等离子体发出的光通过收光透镜聚焦后被光纤探测器收集的原理示意图。
图2为本发明方法的流程框图。
图中：1-激光脉冲；2-聚焦透镜；3-为样品；4-等离子体；5-收光透镜；6-光纤探测器；7--收光透镜的光轴位置；
具体实施方式
下面结合附图对本发明的原理和具体实施方式做进一步的说明。
本发明提供的一种基于激光诱导击穿光谱的收光***优化方法，其具体包括如下步骤：
1)在等离子体4和光纤探测器6之间设置收光透镜5，并确定实验所用的光纤探测器的半径R1和收光透镜的半径R；
2)利用摄像机拍摄等离子体图像，采用图像处理方法确定等离子体波动方向最大的方向，并测量出等离子体在波动最大方向上的总长度L；
3)调整收光透镜5的放置方向，使得收光透镜的光轴方向与等离子体波动较大方向平行，并使等离子体中心和光纤探测器与收光透镜的光轴在一条直线上；
4)调整收光透镜在光轴方向上的位置，利用下列公式计算出收光透镜的位置：
式中：其中R1为光纤探测器的半径，R为收光透镜的半径，f为收光透镜的焦距，L为等离子体在波动最大方向上的总长度L，u0为物距，即等离子体中心到收光透镜之间的距离。
公式(1)的推导方法如下所述：如图1所示，激光脉冲经过聚焦透镜2折射之后在样品处产生一个等离子体，等离子体4发出的辐射光通过收光透镜5被光纤探测器6所收集，并由光纤传递至计算机等设备进行处理。
由于收光透镜和光纤呈圆形，关于光轴径向对称，所以***没有角度依赖性，可以如下建立坐标系：以收光透镜所在位置为原点，沿着光轴指向光纤探测器的方向为x方向，r方向为一个与x方向垂直的方向。设Q(x,r)是由位于(x,r)处的等离子体的体积元发出各向同性辐射功率密度。这些辐射光只有一部分能够最终被探测器采集到，设采集到的效率为η(x,r)，通过计算η(x,r)的值可以找出收光效率最高的区域
将等离子体中心位置记为点A，光纤探测器位置为B，记物距u0＝AO,像距v0＝BO，为使得A点发出的光能够恰好成像于B点，根据薄透镜的公式，物距u0、像距v0和透镜焦距f之间应该满足：
由于等离子体和光纤探测器具有一定的空间尺寸，所以从A点附近发出的光也可以被检测到。
要检测到(x,r)处发出的光须有两个步骤：(1)光线抵达收光透镜，假设其比例为η1(x,r)。(2)光通过收光透镜折射后恰好能够抵达光纤探测器所在位置，假设此步骤的比例为η2(x,r)。那么，η(x,r)可以表示成η1(x,r)和η2(x,r)乘积的形式：
在各向同性辐射情形下，η1(x,r)可以通过收光透镜所占的立体角和总立体角4π的比值来表示。如果收光透镜半径R远小于焦距f，η1(x,r)可以近似表示为：
由于发光点(x,r)到收光透镜上各处的距离是不一样的，所以在收光透镜上的每个部分收到的光的强度是不同的。然而，这个差别往往很小以至于可以忽略不计。例如，当等离子体距离收光透镜100mm且收光透镜半径为10mm时，最大强度仅仅比最小强度强1％。所以在计算η2(x,r)时，可以将收光透镜视为一个均匀发射强度的面光源，其发出的光指向(x,r)所对应的像点(x1,r1)，x1和r1满足：
x1＝[f-1-|x|-1]-1 (4)
位于(x,r)处的等离子体体积元发出辐射光在穿过收光透镜后将会聚焦在(x1,r1)处，称此点为像点，在聚焦之前(或者之后)会在光纤探测器所在的垂直于光轴的平面上形成一个圆形光斑，根据位似原理，这个光斑上的光强是均匀分布的，这个光斑的中心距离光轴的距离d和光斑半径R2满足：
特别的，当R2为0时，可以用一个极小的数ε来代替R2。
由于光斑上的光强是均匀分布的，所以η2(x,r)即为光斑和探测器截面积重叠部分的面积S1与光斑总面积S2之间的比值。
S1和S2是关于R1,R2和d的函数，且S1的表达式依赖于这三者之间的相对大小关系：
其中θ1和θ2表示这块重叠部分到两个圆形区域(光斑和探测器截面)的圆心角，其表达式为：
据此，已经可以得到关于η(x,r)的表达式，绘制其图像，观察其结果发现其效率最高的区域集中在一个细长的圆柱形区域上，圆柱形区域平行光轴，区域***区域强度迅速减小，圆柱形区域的半径要远小于其长度，其沿光轴方向总长度L’：
将公式(13)与公式(2)联立即可得到公式(14)：
其中R1为光纤探测器的半径，R为收光透镜的半径，f为收光透镜的焦距，L为收光效率最高的区域的长度，u0为物距，即等离子体中心到收光透镜之间的距离。
等离子体本身的位置可能出现波动，因为高效率区域在沿着光轴的方向的长度要远远大于其垂直光轴的长度，所以相比较而言，等离子体在沿着光轴的方向的位置移动会产生的影响比垂直于光轴移动产生的影响要小很多。
若等离子体在光轴上的长度L不大于高效率区域在光轴上的长度，那么等离子体在沿着光轴方向的波动就几乎不会对收光结果产生影响。此外，高效率区域的长度越长，其总体收光效率会越低，综合考虑以上两个因素，认为当等离子体在光轴上的长度与高效率区域在光轴上的长度相同时，不但兼顾了光谱信号的强度，而且能够增加了激光诱导击穿光谱信号的稳定性，令L’＝L，即可得到公式：
实施例：对于一个球形的等离子体，使用拍摄设备记录等离子体尺寸和位置移动情况，发现其半径为1mm；中心发射强度较强，边缘发射强度较弱，在水平方向上位置波动很小，约0.2mm，在竖直方向上波动强，约0.5mm。
1、首先确定实验所用的光纤探测器的半径R1和收光透镜的半径R，基于已有条件，选用半径为100μm的光纤探测器和半径为10mm的收光透镜；
2、由于已知了等离子体的主要波动方向为竖直方向，所以将收光透镜的光轴方向选择为竖直方向，并将收光透镜正对等离子体。
3、收光透镜放置位置的优化：计算发现，当收光透镜到等离子体的距离u0为100mm时，收光区域的长度为2mm，与等离子体直径相当，此时的位置就是最优位置。

Claims (1)

1.一种基于激光诱导击穿光谱的收光***优化方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：
1)在等离子体(4)和光纤探测器(6)之间设置收光透镜(5)，并确定实验所用的光纤探测器的半径R1和收光透镜的半径R；
2)利用摄像机拍摄等离子体图像，采用图像处理方法确定等离子体波动方向最大的方向，并测量出等离子体在波动最大方向上的总长度L；
3)调整收光透镜(5)的放置方向，使得收光透镜的光轴方向与等离子体波动较大方向平行，并使等离子体中心和光纤探测器与收光透镜的光轴在一条直线上；
4)调整收光透镜在光轴方向上的位置，利用下列公式确定收光透镜的位置：
式中：其中R1为光纤探测器的半径，R为收光透镜的半径，f为收光透镜的焦距，L为等离子体在波动最大方向上的总长度，u0为物距，表示等离子体中心到收光透镜之间的距离。
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