一种共线异焦信号增强激光诱导击穿光谱分析装置及其方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种共线异焦信号增强激光诱导击穿光谱分析装置及其方法，包括单体Nd:YAG脉冲激光器、中阶梯光谱仪、以及光学光路系统等。其功能实现包括以下步骤：1)利用单体脉冲激光器输出不同波长组合的双脉冲激光，通过内部电路设置控制脉冲间隔，以及脉冲激光输出模式；2)调节光学光路系统部件，实现两束脉冲激光在样品表面及其上方或下方一定距离的共线非同面聚焦；3）在共线异焦双脉冲激发条件下，增强激光诱导等离子体光谱信号强度，提升元素LIBS检测的灵敏度。LIBS检测的灵敏度。LIBS检测的灵敏度。

【技术实现步骤摘要】
一种共线异焦信号增强激光诱导击穿光谱分析装置及其方法


[0001]本专利技术涉及激光诱导击穿光谱分析
，尤其涉及一种共线异焦信号增强激光诱导击穿光谱分析装置及其方法。

技术介绍

[0002]激光诱导击穿光谱(Laser
‑
induced breakdown spectroscopy,LIBS)技术将脉冲激光聚焦作用于样品表面产生激光诱导微等离子体，通过探测等离子体的发射谱线信号，经定性和定量分析即可对样品中元素的种类进行准确识别，获取其含量。LIBS分析通常对样品预处理制备要求小，甚至不需制备，而且所需样品量少，因此在微损或无损分析条件下，即可实现对不同形态样品中元素的快速检测。由于LIBS装置仅使用光学光路即可调节脉冲激光的激发与信号收集，使得LIBS技术具备在恶劣环境或者远程遥测条件下进行元素的原位、实时和在线检测能力。
[0003]LIBS用于元素分析是基于脉冲激光与物质、以及脉冲激光与等离子体的相互作用，面临的最大问题就是元素检测的灵敏度有时不够高，不能满足实际应用需求。为提高元素检测的灵敏度，人们设计开发了不同形式的双脉冲激光诱导击穿光谱(DP
‑
LIBS)分析技术。在已有的DP
‑
LIBS技术中，两个脉冲激光通常以同轴或正交的几何方式进行设计，实现脉冲激光在样品表面的聚焦，通过调节脉冲间隔实现等离子体的再加热，或者改善等离子体的生成与演化环境，最终达到增强LIBS信号的目的。然而由于这些DP
‑
LIBS分析装置的光路系统普遍复杂，而且受激光诱导微等离子体时空瞬态演化波动的影响，在面向复杂类型样品的实际分析时，要想获得稳定增强的元素特征谱线信号，不可避免需要对DP
‑
LIBS分析系统进行复杂、费时费力的调节，降低了其实用性。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种共线异焦信号增强激光诱导击穿光谱分析装置及其方法，通过设置激光参数控制两个脉冲激光输出条件，通过光路系统调节获取脉冲激光共线异面几何聚焦，最终实现LIBS元素的高灵敏度检测与技术实用性。
[0005]本专利技术采用的技术方案是：
[0006]一种共线异焦信号增强激光诱导击穿光谱分析装置，其包括激光器、收集镜头、光谱仪、三维样品台、气瓶和电脑；三维样品台用于放置样品；激光器具有两个光路输出口并分别输出不同波长的脉冲激光，一路脉冲激光通过第一扩束器以第一倍数扩束后入射到偏振器的一个入光面，另一路脉冲激光通过第二扩束器以第二倍数扩束后入射到第一反射镜，第一反射镜将对应的脉冲激光发射至偏振器的另一入光面；偏振器将两个波长脉冲激光汇聚在同一光路实现合束共线传输；合束后的两路脉冲激光共同经第二反射镜和聚焦透镜汇聚并分别在样品表面和样品上方的共线非平面聚焦；气瓶用于在聚焦周围提供激光诱导等离子体产生的环境气体氛围，光谱仪通过采集聚焦区域的等离子体光谱信号得到光谱数据并与电脑电连接；电脑用于实现激光器和光谱仪的协同控制以及记录光谱数据。
[0007]进一步地，激光器为Nd:YAG激光器，具体地，Nd:YAG激光器为具有多波长脉冲输出功能的单腔体激光器，内置电路控制系统控制脉冲激光输出参数。
[0008]进一步地，第一扩束器和第二扩束器将脉冲光斑扩大至原来2
‑
5倍，优化脉冲激光能量分布。
[0009]进一步地，两路脉冲激光分别通过一个能量衰减器再入射至对应的扩束器。
[0010]进一步地，三维样品台根据实验需求具备自动调整样品位置的功能。
[0011]进一步地，光谱仪通过光纤连接有收集镜头，收集镜头采集聚焦区域的等离子体光谱信号，收集镜头用于减小光谱采集色差和提升宽波段光谱采集效率。
[0012]进一步地，收集镜头为非球面透镜组，光纤为熔融石英光纤，光谱仪为覆盖UV、VIS和NIR波长的宽波段光谱仪。
[0013]进一步地，反射镜为具备脉冲激光引导转向功能的光学部件。
[0014]具体地，共线非平面聚焦，是指两束脉冲激光在折射率和不同扩束倍数的影响作用下，经共线传输和聚焦透镜汇聚后，分别汇聚在样品的表面以及样品上方某垂直距离位置，即两路脉冲信号共线但间隔形成聚焦点。
[0015]一种共线异焦信号增强激光诱导击穿光谱分析装置的测试方法，其包括以下步骤：
[0016]S1，首先将样品置于三维样品台10表面，调整到合适的高度位置；
[0017]S2，选择要实现的LIBS信号增强脉冲激光作用方式，设置脉冲激光1和脉冲激光2的输出波长参数，形成脉冲激光波长组合；
[0018]S3，调节扩束镜3
‑
1和扩束镜3
‑
2的扩束倍数，调节实现两束脉冲激光在样品表面和样品上方一定距离位置的共线非平面聚焦。
[0019]S4，采集样品LIBS信号，根据元素特征谱线信号强度调整优化脉冲激光1和脉冲激光2的输出间隔时间，获取元素的最佳灵敏激发与探测；
[0020]S5，在优化的实验条件下，采集待测样品的LIBS数据，进行LIBS元素的高灵敏度有效检测。
[0021]进一步地，通过激光器内置电路控制系统控制脉冲激光的输出，包括脉冲激光波长组合与脉冲间隔。
[0022]进一步地，激光器在Q
‑
Swich模式或自由输出模式下，可控制两个输出光路分别输出基频(1064nm)、二倍频(532nm)和四倍频(266nm)波长的脉冲激光波长组合。
[0023]进一步地，脉冲输出的间隔参数，是在实际LIBS实验条件下，为取得等离子体粒子的高效再激发，达到最佳的光谱信号增强，脉冲激光1和脉冲激光2从激光器输出的时间间隔。
[0024]本专利技术采用以上技术方案，具有以下优点及有益效果：(1)仅采用一单体Nd:YAG脉冲激光器输出两束脉冲激光，结构简单，仪器成本降低，而且装配灵活，有利于LIBS技术的实际应用。(2)通过激光器内置电路控制两束脉冲激光波长组合与脉冲间隔，有利于充分发挥脉冲激光与物质、以及脉冲激光与等离子体的相互作用，对于等离子体的生成与演化调控更为有效。(3)采用特殊几何光路设计，实现两束脉冲激光的共线非同面聚焦，在优化脉冲激光能量分布的同时，更容易实现两束脉冲激光的协同作用，可最大程度增强激光诱导等离子体的光谱信号强度。(4)本专利技术适用于一定环境氛围下的LIBS元素检测，可充分发挥
环境气体对于等离子体生成与演化的再激发作用，提升LIBS信号强度与质量。(5)本专利技术利用内部电路控制容易获得一个自由输出模式下的长脉冲激光，实现长脉冲激光能量场对等离子体生成与演化的高效调节，最大程度增强等离子体的稳定性与粒子的光谱强度。同时可避免使用常规DP
‑
LIBS技术分析样品时，LIBS信号波动大、控制困难的不足。
附图说明
[0025]图1为本专利技术的整体实验装置结构示意图；
[0026]图2为环境气体(氦气)辅助激发LIBS脉冲激光共线异焦本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种共线异焦信号增强激光诱导击穿光谱分析装置，其特征在于：其包括激光器、收集镜头、光谱仪、三维样品台、气瓶和电脑；三维样品台用于放置样品；激光器具有两个光路输出口并分别输出不同波长的脉冲激光，一路脉冲激光通过第一扩束器以第一倍数扩束后入射到偏振器的一个入光面，另一路脉冲激光通过第二扩束器以第二倍数扩束后入射到第一反射镜，第一发射镜将对应的脉冲激光发射至偏振器的另一入光面；偏振器将两个波长脉冲激光汇聚在同一光路实现合束共线传输；合束后的两路脉冲激光共同经第二反射镜和聚焦透镜汇聚并分别在样品表面和样品上方的共线非平面聚焦；气瓶用于在聚焦周围提供激光诱导等离子体产生的环境气体氛围，光谱仪通过采集聚焦区域的等离子体光谱信号得到光谱数据并与电脑电连接；电脑用于实现激光器和光谱仪的协同控制以及记录光谱数据。2.根据权利要求1所述的一种共线异焦信号增强激光诱导击穿光谱分析装置，其特征在于：激光器为Nd:YAG激光器，Nd:YAG激光器为具有多波长脉冲输出功能的单腔体激光器，内置电路控制系统控制脉冲激光输出参数。3.根据权利要求1所述的一种共线异焦信号增强激光诱导击穿光谱分析装置，其特征在于：第一扩束器和第二扩束器将脉冲光斑扩大至原来2
‑
5倍，优化脉冲激光能量分布。4.根据权利要求1所述的一种共线异焦信号增强激光诱导击穿光谱分析装置，其特征在于：两路脉冲激光分别通过一个能量衰减器再入射至对应的扩束器。5.根据权利要求1所述的一种共线异焦信号增强激光诱导击穿光谱分析装置，其特征在于：三维样品台根据实验需求具备自动调整样品位置的功能。6.根据权利要求1所述的一种共线异焦信号增强激光诱导击穿光谱分析装置，...

【专利技术属性】
技术研发人员：许涛，陈惠，周文琦，莫观清，
申请(专利权)人：福建师范大学，
类型：发明
国别省市：