改進的高信噪比低檢出限的libs物質成分探測系統及方法

2023-12-02 14:39:01 3

改進的高信噪比低檢出限的libs物質成分探測系統及方法
【專利摘要】本發明公開了一種改進的高信噪比低檢出限的LIBS物質成分探測系統及方法，該系統結合了飛秒預燒蝕雙脈衝LIBS和偏振分辨LIBS，包括一個固定波長的飛秒脈衝雷射器、一個超連續譜飛秒脈衝雷射器、一個濾光片、一個45°放置的反射鏡、一個合束鏡、一個擴束鏡、一個望遠鏡、一個45°放置的分束鏡、一個偏振角可調的偏振鏡、一個光纖耦合鏡、一個光纖接口、一個ICCD光譜儀、一個計算機組成，該系統使用雙脈衝激發LIBS，並將接收光信號通過偏振鏡接入光譜儀，該系統可以有效降低元素的檢出限，提高信號的信噪比，提高探測的精度和穩定度，還可以同時探測分子光譜和原子光譜，提供更準確的物質組成信息。
【專利說明】改進的高信噪比低檢出限的LIBS物質成分探測系統及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種雷射光譜探測系統，尤其涉及一種結合飛秒預燒蝕雙脈衝雷射誘導擊穿光譜(Femtosecond Pre-Ablative Double-Pulse Laser-1nduced BreakdownSpectroscopy,簡稱fs-PA-DP-LIBS)和偏振分辨雷射誘導擊穿光譜(Polarizat1nResolved Laser-1nduced Breakdown Spectroscopy,簡稱 PR-LIBS)的探測系統及方法。
【背景技術】
[0002]雷射誘導擊穿光譜(LIBS)探測技術是利用高能量短脈寬的脈衝雷射，經過聚焦照射到被測物體表面，在焦點上獲得極高能量密度的雷射脈衝，使照射目標表面燒蝕、蒸發、電離，形成高溫、高壓、高電子密度的等離子體火花，輻射出包括特徵原子和離子譜線的光譜，可以用於探測物質組成。
[0003]將LIBS的脈衝雷射脈寬縮減到飛秒量級的技術成為飛秒雷射誘導擊穿光譜(fs-LIBS)，相比常規LIBS，fs-LIBS脈寬更小，光強更高，作用在被測物體表面的熱效應範圍更小，能使被測物體表面在保持一定分子結構的同時發生電離，輻射出包含特徵原子、離子及分子譜線的光譜，能夠獲得更多關於被測物質組成的信息。
[0004]單脈衝LIBS容易受到被測物體表面附著物和被測物體的基體效應的影響，測量結果有一定的隨機性，重複性差，檢測限高，改進的方法是採用雙脈衝LIBS，雙脈衝LIBS分為再加熱雙脈衝LIBS和預燒蝕雙脈衝LIBS，相比再加熱雙脈衝LIBS，採用預燒蝕雙脈衝LIBS，可以去除被測物表面雜質的影響，增強特徵光強度，降低檢測限，提高信噪比，減小相對標準偏差。
[0005]LIBS激發出的光譜不僅包含了特徵原子、離子和分子的譜線，還包括了一個連續譜，該連續譜和物質的特徵線譜的偏振狀態不同，通過濾除連續譜，可以提高探測的靈敏度，降低檢出限，提高信噪比。
[0006]在已公開的基於雙脈衝和偏振分辨的雷射誘導擊穿光譜測量技術的專利文獻(申請號:201210246338)中，採取了再加熱雙脈衝LIBS，可用於提高探測精度，但是採用再加熱雙脈衝LIBS不能去除被測物質表面雜質對LIBS光譜信號的影響，難以將測量精度進一步提高，同時採用傳統的LIBS不能進一步測量物質的分子構成，為了進一步提高LIBS的探測準確度，本專利提出了一種結合飛秒預燒蝕雙脈衝LIBS和偏振分辨LIBS的物質成分探測系統和探測方法，該方法結合了飛秒預燒蝕雙脈衝LIBS和偏振分辨LIBS，通過計算機控制，調整雙脈衝的時間間隔和偏振片的偏振角，通過改變特定波長帶通濾光片的通帶範圍，改變其中一束雷射的波長，實現了降低檢出限、提高探測精度、提高信噪比、提高穩定度的目的，同時應用飛秒雷射脈衝，可以將分子光譜和原子光譜同時探測，能夠獲得更準確的物質組成信息。

【發明內容】
[0007]本專利的目的在於提供一種改進的高信噪比低檢出限的LIBS物質成分探測系統及方法，該系統結合了飛秒預燒蝕雙脈衝LIBS和偏振分辨LIBS的優點，利用改變其中一束雷射的波長、控制雙脈衝之間時間間隔、控制偏振片偏振角的方法，來降低LIBS探測的檢出限，提高信噪比，提高穩定度，同時應用飛秒雷射脈衝，可以將分子光譜和原子光譜同時探測，能夠獲得更準確的物質組成信息。
[0008]改進的高信噪比低檢出限的LIBS物質成分探測系統包括近紅外飛秒脈衝雷射器I，近紅外超連續譜飛秒脈衝雷射器2，特定波長帶通濾光片3，45°放置的反射鏡4，合束鏡
5,擴束鏡6,45°放置的分束鏡7,光路復用的望遠鏡8,偏振角可調的偏振鏡10,光纖f禹合鏡11，光纖接口 12，ICCD光譜儀14，計算機19。
[0009]近紅外飛秒脈衝雷射器I與近紅外超連續譜飛秒脈衝雷射器2平行放置，近紅外超連續譜飛秒脈衝雷射器前有特定波長帶通濾光片濾光片3，特定波長帶通濾光片3前有45°放置的反射鏡4，45°放置的反射鏡4旁邊有合束鏡5，合束鏡5與近紅外飛秒脈衝雷射器I共線，合束鏡5前有擴束鏡6，擴束鏡6前有45°放置的分束鏡7，45°放置的分束鏡7前有光路復用的望遠鏡8，光路復用的望遠鏡8焦點處放置被測物體，45°放置的分束鏡7旁邊有偏振角可調的偏振鏡10,偏振角可調的偏振鏡10旁邊是光纖稱合鏡11，光纖I禹合鏡11旁邊是光纖接口 12，使用光纖將光纖接口 12和ICXD光譜儀14相連，使用線纜將近紅外飛秒脈衝雷射器1、近紅外超連續譜飛秒脈衝雷射器2、偏振角可調的偏振鏡10、ICCD光譜儀14和計算機19相連。
[0010]裝置中:45°放置的反射鏡⑷鍍有近紅外波段的高反膜；合束鏡(5)和擴束鏡
(6)鍍有近紅外波段的高透膜；45°放置的分束鏡(7)鍍有近紅外波段的高透膜和可見光波段的高反膜；偏振角可調的偏振鏡(10)和光纖耦合鏡(11)鍍有可見光波段的高透膜；光路復用的望遠鏡(8)工作波段為可見波段和近紅外波段。
[0011]本專利是這樣來實現的，其方法步驟為:
[0012]先由近紅外飛秒脈衝雷射器I產生一束近紅外的飛秒雷射脈衝，經由合束鏡5、擴束鏡6、光路復用的望遠鏡8照射到被測物體9表面；間隔很短一段時間後，由近紅外超連續譜飛秒脈衝雷射器2產生一束全光譜脈衝，經由特定臂長帶通濾光片3選擇特定波長、45°放置的反射鏡4反射、合束鏡5、擴束鏡6、光路復用的望遠鏡8照射到被測物體9表面。
[0013]被測物體9表面經雙脈衝強雷射照射後，激發出等離子體，等離子體發出的光譜主要有可見光波段組成，經光路復用的望遠鏡8、45°放置的分束鏡7、偏振角可調的偏振鏡10、光纖耦合鏡11進入IC⑶光譜儀14，由ICXD光譜儀14採集光譜傳至計算機19。
[0014]由於各種目標物體產生LIBS的光譜特性不同，可以根據計算機19接收到的光譜信息，調整雙脈衝雷射束的時間間隔、偏振角可調的偏振鏡10的角度和ICCD光譜儀14的採樣延遲。
[0015]本發明的優點在於:該方法實現了將飛秒預燒蝕雙脈衝LIBS和偏振分辨LIBS相結合，通過計算機控制參數，達到降低檢出限、提高探測精度、提高信噪比、提高穩定度的目的，同時應用飛秒雷射脈衝，可以將分子光譜和原子光譜同時探測，能夠獲得更準確的物質組成信息。
【專利附圖】

【附圖說明】[0016]圖1為本專利的原理圖，圖中:1—近紅外飛秒脈衝雷射器；2—近紅外超連續譜脈衝雷射器；3——特定波長帶通濾光片；4——反射鏡；5——合束鏡；6——擴束鏡；7——分束鏡；8——望遠鏡；9——被測物體；10——偏振鏡；11——光纖耦合鏡；12——光纖接口 ；13——光纖；14——ICCD光譜儀；15——ICCD光譜儀數據及控制線纜；16——偏振鏡角度控制線纜；17—近紅外飛秒脈衝雷射器控制線纜；18—近紅外超連續譜脈衝雷射器控制線纜；19—計算機。
【具體實施方式】
[0017]本專利的原理如圖1所示，改進的高信噪比低檢出限的LIBS物質成分探測系統包括:近紅外飛秒脈衝雷射器1，近紅外超連續譜飛秒脈衝雷射器2，特定波長帶通濾光片3，45°放置的反射鏡4，合束鏡5，擴束鏡6，45°放置的分束鏡7，光路復用的望遠鏡8，偏振角可調的偏振鏡10，光纖耦合鏡11，光纖接口 12，光纖13，ICXD光譜儀14，IC⑶光譜儀數據及控制電纜15，偏振鏡角度控制線纜16，近紅外飛秒脈衝雷射器控制線纜17，近紅外超連續譜脈衝雷射器控制線纜18，計算機19組成。
[0018]先由近紅外飛秒脈衝雷射器I產生一束近紅外的飛秒雷射脈衝，經由合束鏡5、擴束鏡6、45°放置的分束鏡7、光路復用的望遠鏡8照射到被測物體9表面，進行預燒蝕；間隔很短一段時間後，由近紅外超連續譜飛秒脈衝雷射器2產生一束全光譜脈衝，經由特定波長帶通濾光片3選擇特定波長、45°放置的反射鏡4反射、合束鏡5、擴束鏡6、分束鏡7、光路復用的望遠鏡8照射到被測物體9表面，激發出等離子體光譜。
[0019]被測物體9表面經雙脈衝強雷射照射後，激發出等離子體，等離子體發出的光譜主要有可見光波段組成，經光路復用的望遠鏡8、45°放置的分束鏡7、偏振角可調的偏振鏡10、光纖耦合鏡11、光纖接口 12進入光纖13，接入ICXD光譜儀14，由ICXD光譜儀14採集光譜並通過線纜15傳至計算機19。
[0020]通過計算機19控制近紅外飛秒脈衝雷射器I和近紅外超連續譜飛秒脈衝雷射器2發射脈衝雷射的時間間隔和偏振角可調的偏振鏡10的偏振角，以及ICCD光譜儀14採集光譜的延時，可以取得信噪比高，靈敏度高、精度高、穩定性好、包含分子及原子信息的LIBS光譜信號。
【權利要求】
1.一種改進的高信噪比低檢出限的LIBS物質成分探測系統，它包括近紅外飛秒脈衝雷射器(I)，近紅外超連續譜飛秒脈衝雷射器(2)，特定波長帶通濾光片(3)，45°放置的反射鏡(4)，合束鏡(5)，擴束鏡(6)，45°放置的分束鏡(7)，光路復用的望遠鏡(8)，偏振角可調的偏振鏡(10)，光纖耦合鏡(11)，光纖接口(12)，ICXD光譜儀(14)，計算機(19)，其特徵在於: 近紅外飛秒脈衝雷射器(I)與近紅外超連續譜飛秒脈衝雷射器(2)平行放置，近紅外超連續譜飛秒脈衝雷射器前有特定波長帶通濾光片濾光片(3)，特定波長帶通濾光片(3)前有45°放置的反射鏡(4)，45°放置的反射鏡(4)旁邊有合束鏡(5)，合束鏡(5)與近紅外飛秒脈衝雷射器(I)共線，合束鏡(5)前有擴束鏡(6)，擴束鏡(6)前有45°放置的分束鏡(7)，45°放置的分束鏡(7)前有光路復用的望遠鏡(8)，光路復用的望遠鏡(8)焦點處放置被測物體，45°放置的分束鏡(7)旁邊有偏振角可調的偏振鏡(10)，偏振角可調的偏振鏡(10)旁邊是光纖稱合鏡(11)，光纖稱合鏡(11)旁邊是光纖接口(12),使用光纖將光纖接口(12)和ICXD光譜儀(14)相連，使用線纜將近紅外飛秒脈衝雷射器(I)、近紅外超連續譜飛秒脈衝雷射器(2)、偏振角可調的偏振鏡(10)、ICCD光譜儀(14)和計算機(19)相連。
2.根據權利要求1所述的一種改進的高信噪比低檢出限的LIBS物質成分探測系統，其特徵在於:所述的45°放置的反射鏡(4)鍍有近紅外波段的高反膜。
3.根據權利要求1所述的一種改進的高信噪比低檢出限的LIBS物質成分探測系統，其特徵在於:所述的合束鏡(5)和擴束鏡(6)鍍有近紅外波段的高透膜。
4.根據權利要求1所述的一種改進的高信噪比低檢出限的LIBS物質成分探測系統，其特徵在於:所述的光路復用的望遠鏡(8)工作波段為可見波段和近紅外波段。
5.根據權利要求1所述的一種改進的高信噪比低檢出限的LIBS物質成分探測系統，其特徵在於:所述的45°放置的分束鏡(7)鍍有近紅外波段的高透膜和可見光波段的高反膜。
6.根據權利要求1所述的一種改進的高信噪比低檢出限的LIBS物質成分探測系統，其特徵在於:所述的偏振角可調的偏振鏡(10)和光纖耦合鏡(11)鍍有可見光波段的高透膜。
7.一種基於權利要求1所述改進的高信噪比低檢出限的LIBS物質成分探測系統的物質成分探測方法，其特徵在於方法如下: 先由近紅外飛秒脈衝雷射器(I)產生一束近紅外的飛秒雷射脈衝，經由合束鏡(5)、擴束鏡出)、45°放置的分束鏡(7)、光路復用的望遠鏡(8)照射到目標被測物體表面，對被測物體表面進行預燒蝕；間隔很短一段時間後，由近紅外超連續譜飛秒脈衝雷射器⑵產生一束全光譜脈衝，經由特定波長帶通濾光片(3)選擇特定波長、45°放置的反射鏡(4)反射、合束鏡(5)、擴束鏡(6)、分束鏡(7)、光路復用的望遠鏡(8)照射到目標被測物體表面，激發出等離子體，激發出的LIBS光譜信號反向通過光路復用的望遠鏡(8)，經過45°放置的分束鏡(9)反射後，依次通過偏振角可調的偏振鏡(10)，光纖耦合鏡(11)，光纖接口(12)，接入ICXD光譜儀(14)，ICXD光譜儀(14)延遲一段時間開始採集，根據測量結果，經由計算機(19)分析，調整偏振角可調的偏振鏡(10)的角度、近紅外飛秒脈衝雷射器(I)和近紅外超連續譜飛秒脈衝雷射器⑵產生的脈衝間隔和ICXD光譜儀(14)的採集延遲到合適數值，重複以上過程，直至接收到的光譜信號連續譜強度最小，最後由計算機(19)分析所得光譜 信號。
【文檔編號】G01N21/01GK104034703SQ201410258840
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年6月12日 優先權日:2014年6月12日
【發明者】萬雄, 劉鵬希, 章婷婷, 王建宇, 舒嶸 申請人:中國科學院上海技術物理研究所