一种远距离变焦距激光诱导击穿光谱的检测方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种远距离变焦距激光诱导击穿光谱的检测方法及装置，其中：测距单元测定被测样品和所述聚焦与等离子体信号收集单元间对应的检测距离；等离子体激发单元输出激光诱导击穿光谱LIBS的激光；产生的等离子体信号再经聚焦与等离子体信号收集单元接收后，由聚焦与等离子体信号收集单元将接收的等离子体信号传递给所述分光与光电转换单元；分光与光电转换单元将传递来的等离子体信号按照不同波长分光，并转换为数字信号的光谱信息；光谱信息处理单元对所述光谱信息进行数据处理，得到被测样品元素成分的分析结果。上述方法及装置实现了不同检测距离下的激光诱导击穿光谱的修正与分析，大大提升了激光诱导击穿光谱技术的应用空间。

A detection method and device of laser-induced breakdown spectrum with long-distance zoom

【技术实现步骤摘要】
一种远距离变焦距激光诱导击穿光谱的检测方法及装置
本专利技术涉及激光诱导击穿光谱分析
，尤其涉及一种远距离变焦距激光诱导击穿光谱的检测方法及装置。
技术介绍
激光诱导击穿光谱技术(LaserInducedBreakdownSpectroscopy，LIBS)是基于激光和材料相互作用产生的发射光谱的一种物质成分检测技术，与传统检测技术相比，LIBS最大的优势在于可以实现非接触式的远距离物质成分分析。因此LIBS在冶金、爆炸物分析、有毒有害物质分析、海洋勘探、外星勘探等领域具有重大价值。但是在这些LIBS大有前景的领域，定距离检测往往是不现实的，譬如野外勘探中利用LIBS对矿石进行分析，有些矿石在自然环境中所处的位置比较险峻，并无条件将LIBS设备放置在与其相距特定距离的位置上。这些情况下，就需要对一定距离范围内的待测样品进行成分分析。当一套LIBS系统面对处于一定距离范围内的一类待检测物质的任务需求时，首先需要调整望远镜系统的焦距，将激光聚焦于待测物质的适当位置，因此该类LIBS检测也可以称为变焦距LIBS检测。一般LIBS系统的设计只针对一个或多个特定的检测距离，这是因为：精确的LIBS分析使用的标定模型往往由一组标准样品构建，这些标准样品均在同一测试条件下形成建模数据，该标定模型所能分析的待测物质的光谱也应在同一检测条件下获得，即一个标定模型对应于一个特定的LIBS系统参数矩阵下的一类待测物质分析。面对变焦距检测任务，调整望远镜系统实现聚焦后，对于不同的检测距离，激光的聚焦光斑大小、能量密度、等离子体光谱的收集视场角度、系统的光学效率等会发生变化，进而导致变焦距成分检测会收集到不同强度、特征的等离子体光谱，无法直接带入标定模型中获得所需的分析结果，而现有技术中并没有相应的解决方案。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种远距离变焦距激光诱导击穿光谱的检测方法及装置，该方法及装置实现了不同检测距离下的激光诱导击穿光谱的修正与分析，大大提升了激光诱导击穿光谱技术的应用空间。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种远距离变焦距激光诱导击穿光谱的检测装置，所述装置包括测距单元、等离子体激发单元、聚焦与等离子体信号收集单元、分光与光电转换单元、光谱信息处理单元、等离子体诊断单元和时序控制单元，其中：所述测距单元，用于测定被测样品和所述聚焦与等离子体信号收集单元间对应的检测距离；等离子体激发单元，用于输出激光诱导击穿光谱LIBS的激光，所述激光经所述聚焦与等离子体信号收集单元传输后聚焦于不同位置的被测样品表面或表面以下适当位置，对所述被测样品进行LIBS激发，产生等离子体信号；产生的等离子体信号再经所述聚焦与等离子体信号收集单元接收后，由所述聚焦与等离子体信号收集单元将接收的等离子体信号传递给所述分光与光电转换单元；所述分光与光电转换单元将传递来的等离子体信号按照不同波长分光，并转换为数字信号的光谱信息；所述光谱信息处理单元对所述光谱信息进行数据处理，得到所述被测样品元素成分的分析结果；所述等离子体诊断单元与所述等离子体激发单元电连接，用于测定或计算所述被测样品产生的等离子体信号的关键物理参数，对产生的等离子体信号进行特征诊断，并由此反馈调节所述等离子体激发单元的激光能量，对不同检测距离下收集到的等离子体光谱信息进行修正，使其满足当前标定模型的适用条件；所述时序控制单元分别与所述测距单元、等离子体激发单元、聚焦与等离子体信号收集单元、分光与光电转换单元、光谱信息处理单元、等离子体诊断单元电连接，用于产生时序控制信号，控制所述测距单元、等离子体激发单元、聚焦与等离子体信号收集单元、分光与光电转换单元、光谱信息处理单元、等离子体诊断单元。由上述本专利技术提供的技术方案可以看出，方法及装置实现了不同检测距离下的激光诱导击穿光谱的修正与分析，大大提升了激光诱导击穿光谱技术的应用空间，拓宽了LIBS的应用领域。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。图1为本专利技术实施例提供的远距离变焦距激光诱导击穿光谱的检测装置的结构示意图；图2为本专利技术实施例所述聚焦与等离子体信号收集单元的光路示意图；图3为本专利技术实施例所述可调孔径光阑进行调整的示意图；图4为本专利技术实施例提供的远距离变焦距激光诱导击穿光谱的检测方法的流程示意图。具体实施方式下面结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术的保护范围。下面将结合附图对本专利技术实施例作进一步地详细描述，如图1所示为本专利技术实施例提供的远距离变焦距激光诱导击穿光谱的检测装置的结构示意图，所述装置主要包括测距单元、等离子体激发单元、聚焦与等离子体信号收集单元、分光与光电转换单元、光谱信息处理单元、等离子体诊断单元和时序控制单元，其中：所述测距单元，用于测定被测样品和所述聚焦与等离子体信号收集单元间对应的检测距离；等离子体激发单元，用于输出激光诱导击穿光谱LIBS的激光，所述激光经所述聚焦与等离子体信号收集单元传输后聚焦于不同位置的被测样品表面或表面以下适当位置，对所述被测样品进行LIBS激发，产生等离子体信号；产生的等离子体信号再经所述聚焦与等离子体信号收集单元接收后，由所述聚焦与等离子体信号收集单元将接收的等离子体信号传递给所述分光与光电转换单元；所述分光与光电转换单元将传递来的等离子体信号按照不同波长分光，并转换为数字信号的光谱信息；所述光谱信息处理单元对所述光谱信息进行数据处理，得到所述被测样品元素成分的分析结果；所述等离子体诊断单元与所述等离子体激发单元电连接，用于测定或计算所述被测样品产生的等离子体信号的关键物理参数，对产生的等离子体信号进行特征诊断，并由此反馈调节所述等离子体激发单元的激光能量，对不同检测距离下收集到的等离子体光谱信息进行修正，使其满足当前标定模型的适用条件；所述时序控制单元分别与所述测距单元、等离子体激发单元、聚焦与等离子体信号收集单元、分光与光电转换单元、光谱信息处理单元、等离子体诊断单元电连接，用于产生时序控制信号，控制所述测距单元、等离子体激发单元、聚焦与等离子体信号收集单元、分光与光电转换单元、光谱信息处理单元、等离子体诊断单元。具体实现中，如图1所示，上述聚焦与等离子体信号收集单元采用激发光路与收集光路同轴的望远镜系统构成，所述望远镜系统用于对不同检测距离的待测物进行变焦距检测(实现聚焦和采集)，且能对信号采集时的入射量、入射角度进行控制，本实施例中采用可调节孔径光本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种远距离变焦距激光诱导击穿光谱的检测装置，其特征在于，所述装置包括测距单元、等离子体激发单元、聚焦与等离子体信号收集单元、分光与光电转换单元、光谱信息处理单元、等离子体诊断单元和时序控制单元，其中：/n所述测距单元，用于测定被测样品和所述聚焦与等离子体信号收集单元间对应的检测距离；/n等离子体激发单元，用于输出激光诱导击穿光谱LIBS的激光，所述激光经所述聚焦与等离子体信号收集单元传输后聚焦于不同位置的被测样品表面或表面以下适当位置，对所述被测样品进行LIBS激发，产生等离子体信号；/n产生的等离子体信号再经所述聚焦与等离子体信号收集单元接收后，由所述聚焦与等离子体信号收集单元将接收的等离子体信号传递给所述分光与光电转换单元；/n所述分光与光电转换单元将传递来的等离子体信号按照不同波长分光，并转换为数字信号的光谱信息；/n所述光谱信息处理单元对所述光谱信息进行数据处理，得到所述被测样品元素成分的分析结果；/n所述等离子体诊断单元与所述等离子体激发单元电连接，用于测定或计算所述被测样品产生的等离子体信号的关键物理参数，对产生的等离子体信号进行特征诊断，并由此反馈调节所述等离子体激发单元的激光能量，对不同检测距离下收集到的等离子体光谱信息进行修正，使其满足当前标定模型的适用条件；/n所述时序控制单元分别与所述测距单元、等离子体激发单元、聚焦与等离子体信号收集单元、分光与光电转换单元、光谱信息处理单元、等离子体诊断单元电连接，用于产生时序控制信号，控制所述测距单元、等离子体激发单元、聚焦与等离子体信号收集单元、分光与光电转换单元、光谱信息处理单元、等离子体诊断单元。/n...

【技术特征摘要】
1.一种远距离变焦距激光诱导击穿光谱的检测装置，其特征在于，所述装置包括测距单元、等离子体激发单元、聚焦与等离子体信号收集单元、分光与光电转换单元、光谱信息处理单元、等离子体诊断单元和时序控制单元，其中：
所述测距单元，用于测定被测样品和所述聚焦与等离子体信号收集单元间对应的检测距离；
等离子体激发单元，用于输出激光诱导击穿光谱LIBS的激光，所述激光经所述聚焦与等离子体信号收集单元传输后聚焦于不同位置的被测样品表面或表面以下适当位置，对所述被测样品进行LIBS激发，产生等离子体信号；
产生的等离子体信号再经所述聚焦与等离子体信号收集单元接收后，由所述聚焦与等离子体信号收集单元将接收的等离子体信号传递给所述分光与光电转换单元；
所述分光与光电转换单元将传递来的等离子体信号按照不同波长分光，并转换为数字信号的光谱信息；
所述光谱信息处理单元对所述光谱信息进行数据处理，得到所述被测样品元素成分的分析结果；
所述等离子体诊断单元与所述等离子体激发单元电连接，用于测定或计算所述被测样品产生的等离子体信号的关键物理参数，对产生的等离子体信号进行特征诊断，并由此反馈调节所述等离子体激发单元的激光能量，对不同检测距离下收集到的等离子体光谱信息进行修正，使其满足当前标定模型的适用条件；
所述时序控制单元分别与所述测距单元、等离子体激发单元、聚焦与等离子体信号收集单元、分光与光电转换单元、光谱信息处理单元、等离子体诊断单元电连接，用于产生时序控制信号，控制所述测距单元、等离子体激发单元、聚焦与等离子体信号收集单元、分光与光电转换单元、光谱信息处理单元、等离子体诊断单元。


2.根据权利要求1所述远距离变焦距激光诱导击穿光谱的检测装置，其特征在于，所述聚焦与等离子体信号收集单元采用激发光路与收集光路同轴的望远镜系统构成，所述望远镜系统用于对不同检测距离的待测物进行变焦距检测，且能对信号采集时的入射量、入射角度进行控制；
进一步的，所述望远镜系统包括二向色镜、凹全反射镜、凸全反射镜和可调孔径光阑，其中：
所述凹全反射镜、凸全反射镜同轴放置，球心连线为望远镜系统主轴，其中l0为激光光源点与凹全反射镜之间的等效距离，R1为凸全反射镜反射半径，R2为凹全反射镜反射半径，l1′为凸全反射镜的虚焦点位置，对于平行入射光，l1′＝R1/2；凹全反射镜、凸全反射镜的定点间距为l，凹全反射镜定点与焦点的距离为望远镜系统的焦距f，则对于直径为d0的激光束，聚焦后的光斑直径d为：



通过调整凸全反射镜与凹全反射镜之间的距离l，实现一定距离范围内的聚焦，并在聚焦完成后，由上述公式获得光斑直径d，继而得到光斑面积Aspot。


3.根据权利要求1所述远距离变焦距激光诱导击穿光谱的检测装置，其特征在于，
所述测距单元采用激光测距、微波测距、超声波测距或红外测距的方式辅助所述聚焦与等离子体信号收集单元实现快速聚焦。


4.根据权利要求1所述远距离变焦距激光诱导击穿光谱的检测装置，其特征在于，所述等离子体诊断单元测定或计算得到的关键物理参数包括等离子体温度、电子密度、电子温度、形貌特征，其中：
所述等离子体温度采用玻尔兹曼平面法、双线法、Saha-Boltzmann法或者外部设备辅助手段获得；
所述电子密度采用谱线展宽法或激光反射率计算法获得；
所述电子温度采用汤姆逊散射法、连续背底计算法或saha方程来获得；
所述形貌特征采用飞秒激光探针法获得。


5.根据权利要求2所述远距离变焦距激光诱导击穿光谱的检测装置，其特征在于，
通过对所述可调孔径...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵天卓，李欣，樊仲维，钟奇秀，聂树真，肖红，赵晟海，黄文迪，
申请(专利权)人：中国科学院空天信息创新研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11