一種結合預燒蝕和再加熱的三脈衝libs探測系統的製作方法

2023-07-09 05:51:16 2

一種結合預燒蝕和再加熱的三脈衝libs探測系統的製作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種結合預燒蝕和再加熱的三脈衝LIBS探測系統。探測系統通過兩個雷射器產生三個雷射脈衝先後從不同角度打到目標表面，第一個脈衝對目標點預燒蝕，第二個脈衝產生等離子體，第三個脈衝則對等離子體再加熱。基於這種探測系統的探測方法能夠有效的提高光譜強度，對一些比較弱的譜線增強程度更明顯，同時第三個脈衝對等離子體的再加熱還增強了發射光譜信號強度，提高了信噪比和信號的穩定性，降低了測量的相對標準偏差。
【專利說明】一種結合預燒蝕和再加熱的三脈衝LIBS探測系統

【技術領域】
[0001]本專利涉及一種雷射光譜探測系統，尤其涉及一種結合預燒蝕技術和再加熱技術的三脈衝雷射誘導擊穿光譜(Triple-Pulse Laser-1nduced Breakdown Spectroscopy,簡稱TP-LIBS)探測系統。

【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]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。
[0004]現有的公開文獻中，改進的方法是採用雙脈衝LIBS，包括預燒蝕雙脈衝LIBS和再加熱雙脈衝LIBS。預燒蝕是指先利用脈衝雷射擊穿樣品表面附近的空氣，然後用雷射對樣品進行燒蝕，產生等離子體。採用預燒蝕雙脈衝LIBS，可以去除被測物表面雜質對探測的影響，增強特徵光強度，降低檢測限，提高信噪比。再加熱是指先到達樣品表面的脈衝雷射對直接對樣品燒蝕產生等離子體，後達到的脈衝雷射對等離子繼續加熱。再加熱雙脈衝LIBS使得等離子體更加接近局部熱平衡狀態，可增強發射光譜信號強度，提高了信號的穩定性，降低了測量的相對偏差。
[0005]為了進一步提高LIBS探測的準確性，本文提出了一種結合預燒蝕和再加熱技術的三脈衝雷射誘導擊穿光譜探測方法，可同時有效降低被測物表面雜質對探測結果影響和提高發射光譜信號強度和穩定性，更有效的提高信噪比和測量的準確性。


【發明內容】

[0006]本專利的目的在於提供一種結合預燒蝕和再加熱技術的三脈衝雷射誘導擊穿光譜探測系統，以同時解決被測物表面雜質及空氣等對探測準確性的影響、發射光譜信號強度微弱和不穩定的問題，進一步提高LIBS探測的信噪比和精度。
[0007]結合預燒蝕和再加熱技術的三脈衝LIBS探測系統包括主發射部分、輔助發射部分和光輻射收集部分。主發射部分由固體脈衝雷射器B12、反射鏡11、擴束鏡BlO和聚焦透鏡B9組成，用於生成等離子體，產生LIBS效應；輔助發射部分由固體脈衝雷射器Al、分束鏡3、光學延遲線2、合束鏡4、擴束鏡A5和聚焦透鏡A6組成，起預燒蝕和對等離子體再加熱的作用；光輻射收集部分由收集透鏡17、光纖支架16、光纖15、光纖光譜儀13組成，用於接收LIBS信號。
[0008]本專利是這樣來實現的，其特徵如下:
[0009]計算機14控制固體脈衝雷射器Al產生一束水平方向的脈衝雷射，經分束鏡3分成兩路，第一路脈衝雷射沿原方向，直接通過合束鏡4、擴束鏡A5和聚焦透鏡A6把雷射能量聚焦到載物平臺7上的樣品8表面上方Imm處，脈衝雷射擊穿表面的空氣，改變樣品8表面的環境以及對樣品8表面預燒蝕；第二路脈衝雷射經分束鏡3反射後進入光學延遲線2。
[0010]計算機14控制固體脈衝雷射器B12發出的脈衝雷射經反射鏡11反射後，依次通過擴束鏡BlO和聚焦透鏡B9後會聚到樣品8表面下方3mm處，灼燒樣品8，生成等離子體，產生LIBS效應。
[0011 ] 光學延遲線2輸出的雷射進入合束鏡4後，和第一路脈衝雷射同用一個光路，通過擴束鏡A5和聚焦透鏡A6水平聚焦到樣品8表面上方，對已產生的等離子體後續加熱。
[0012]LIBS信號經過收集透鏡17聚焦在安裝在光纖支架16上的光纖15的端面上，由計算機14控制光纖光譜儀13進行光譜信號採集及分析。
[0013]本專利的優點在於:該方法實現了將預燒蝕雙脈衝LIBS技術和再加熱雙脈衝LIBS技術相結合，在降低被測物表面雜質對探測結果影響的同時，提高發射光譜信號強度和穩定性，從而更有效的提高信噪比和LIBS探測的準確性，降低了物質元素的檢測限。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1為本專利的原理圖，圖中:1—固體脈衝雷射器A ;2—光學延遲線3—分束鏡；4——合束鏡；5——擴束鏡A ；6——聚焦透鏡A ；7——載物平臺；8——樣品；9——聚焦透鏡B ；10——擴束鏡B ；11——反射鏡；12——固體脈衝雷射器B ；13——光纖光譜儀；14——計算機；15——光纖；16——光纖支架；17——收集透鏡。

【具體實施方式】
[0015]本專利的原理如圖1所示，結合預燒蝕和再加熱技術的三脈衝雷射誘導擊穿光譜(LIBS)探測系統包括主發射部分、輔助發射部分和光輻射收集部分。主發射部分由固體脈衝雷射器B12、反射鏡11、擴束鏡BlO和聚焦透鏡B9組成，輔助發射部分由固體脈衝雷射器Al、分束鏡3、光學延遲線2、合束鏡4、擴束鏡A5和聚焦透鏡A6組成，光輻射收集部分由收集透鏡17、用光纖支架16固定的光纖15、光纖光譜儀13組成，通過計算機14控制固體脈衝雷射器Al和固體脈衝雷射器B12發射雷射脈衝的時間和光纖光譜儀13的光譜信號採集分析。
[0016]先由固體脈衝雷射器Al產生一束水平方向的脈衝雷射，經分束鏡3分成兩路，第一路脈衝雷射沿原方向，直接通過合束鏡4、擴束鏡A5和聚焦透鏡A6把雷射能量聚焦到載物平臺7上的樣品8表面上方Imm處,脈衝雷射擊穿表面的空氣,改變樣品8表面的環境以及對樣品8表面預燒蝕，稱其為第一個雷射脈衝。第二路脈衝雷射經分束鏡反射後進入光學延遲線2。
[0017]固體脈衝雷射器B12發出脈衝雷射經反射鏡11反射後，依次通過擴束鏡BlO和聚焦透鏡B9後會聚到樣品8表面下方3mm處，灼燒樣品8產生等離子體，稱其為第二個雷射脈衝。
[0018]光學延遲線2輸出的雷射進入合束鏡4，和第一路脈衝雷射同用一個光路，通過擴束鏡A5和聚焦透鏡A6水平聚焦到樣品8表面上方，對已產生的等離子體後續加熱，稱其為第三個雷射脈衝。
[0019]計算機14嚴格控制固體脈衝雷射器Al和固體脈衝雷射器B12發出雷射脈衝的時間，使第一個雷射脈衝和第二個雷射脈衝到達樣品8的時間間隔為ns級，選擇合適的光學延遲線使得第二個雷射脈衝和第三個雷射脈衝的時間間隔也為ns級。對不同探測目標可通過計算機14和光學延遲線2的選擇改變雷射脈衝到達樣品8的間隔時間以獲得最佳探測精度。
[0020]LIBS信號經過收集透鏡17聚焦在安裝在光纖支架16上的光纖15的端面上，由計算機14控制光纖光譜儀13進行光譜信號採集及分析。
【權利要求】
1.一種結合預燒蝕和再加熱的三脈衝LIBS探測系統，它包括主發射部分、輔助發射部分和光輻射收集部分，主發射部分由固體脈衝雷射器B(12)、反射鏡(11)、擴束鏡B(1)和聚焦透鏡B(9)組成；輔助發射部分由固體脈衝雷射器A(I)、分束鏡(3)、光學延遲線(2)、合束鏡(4)、擴束鏡A(5)和聚焦透鏡A(6)組成；光輻射收集部分由收集透鏡(17)、用光纖支架(16)固定的光纖(15)、光纖光譜儀(13)組成，其特徵在於: 由固體脈衝雷射器A (I)產生一束水平方向的脈衝雷射，經分束鏡(3)分成兩路，第一路脈衝雷射沿原方向，依次通過合束鏡(4)、擴束鏡A(5)和聚焦透鏡A(6)把雷射能量聚焦到樣品(8)表面上方Imm處,脈衝雷射擊穿表面的空氣,改變樣品(8)表面的環境以及對樣品(8)表面預燒蝕；第二路脈衝雷射進入光學延遲線(2); 由固體脈衝雷射器B(12)發出的脈衝雷射經過反射鏡(11)反射後，依次通過擴束鏡B(1)和聚焦透鏡B(9)後會聚到樣品(8)表面下方3mm處，產生等離子體； 光學延遲線(2)輸出的雷射進入合束鏡(4)、通過擴束鏡A(5)和聚焦透鏡A(6)水平聚焦到樣品(8)表面上方，對已產生的等離子體後續加熱。
【文檔編號】G01N21/63GK204086140SQ201420462557
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年8月15日 優先權日:2014年8月15日
【發明者】萬雄, 章婷婷, 劉鵬希, 舒嶸, 王建宇 申請人:中國科學院上海技術物理研究所