一種可調再加熱雙脈衝雷射誘導擊穿光譜裝置的製作方法

2024-03-04 21:50:15

本發明涉及雷射光譜技術領域，特別涉及一種可調再加熱雙脈衝雷射誘導擊穿光譜裝置。

背景技術：
LIBS是Laser-InducedBreakdownSpectroscopy(雷射誘導擊穿光譜儀)的簡稱，該技術利用脈衝雷射產生的等離子體燒蝕並激發樣品(通常為固體)中的物質，並通過光譜儀獲取被激發等離子體原子所發射的光譜，以此來識別樣品中的元素組成成分，進而可以進行材料的識別、分類、定性以及定量分析。該技術無需對樣品進行預處理，能夠快速實現遠程、微損對樣品元素(尤其是金屬元素)進行檢測，可用於固體、氣體、液體樣品的檢測。雷射誘導擊穿光譜的應用領域也十分廣泛，如生物醫學、考古學、環境監測、水中重金屬檢測和爆炸物探測等。比起單脈衝雷射誘導擊穿光譜，雙脈衝雷射誘導擊穿光譜能夠大大增強信號。如公開號CN102854172A的專利申請提供了一種雙脈衝雷射誘導擊穿光譜儀系統及其光譜分析的方法，所述光譜儀系統包括脈衝雷射器、全反射鏡、聚焦透鏡、樣品臺、橢圓球面鏡、光輻射的光收集系統、光譜儀、計算機、高壓脈衝電源；所述脈衝雷射器用以產生雷射，雷射經全反射鏡後通過聚焦透鏡聚焦作用在位於樣品臺的樣品上；樣品經脈衝雷射器和高壓脈衝電源放電作用後產生的光輻射通過橢圓球面鏡反射後再經光收集系統進入光譜儀；所述計算機與脈衝雷射器、高壓脈衝電源和光譜儀相連，用以負責通信和總調度指揮。再加熱是雙脈衝雷射誘導擊穿光譜的一種垂直工作方式，指對第一束雷射激發的等離子體用第二束雷射進行再次加熱達到增強信號的作用。再加熱工作方式比較適合於較脆弱樣本信號的增強，如植物葉片、動物組織等。然而，再加熱LIBS系統調節參數多、難度大，調節複雜，目前國內尚無相關專利。

技術實現要素：
為實現在同一裝置上實現雷射誘導擊穿光譜再加熱工作方式，本發明公開了一種可調再加熱雙脈衝雷射誘導擊穿光譜裝置，克服了該工作方式調節困難的問題，可快速、精確地對工作參數進行調節，提高了檢測的可重複性，能夠在不同的工作參數下獲得最佳信噪比。本發明所採用的具體技術方案如下：一種可調再加熱雙脈衝雷射誘導擊穿光譜裝置，包括第一雷射器、第二雷射器、延時發生器和樣品臺；所述第一雷射器的光路上布置有光路爬高系統，該光路爬高系統用於升高第一雷射的光路，使得第一雷射由樣品臺正上方聚焦到樣品表面，產生等離子體；所述的延時發生器用於控制第一雷射器和第二雷射器的觸發時序；所述第二雷射器的光路上布置有倍頻發生器，穿過倍頻發生器的第二雷射用於再加熱所述的等離子體；還包括信號採集和處理系統，根據等離子體冷卻發出的特徵譜線和第一雷射擊打樣品的空間信息，顯示元素在樣品表面的分布信息。其中，所述的第一雷射器和第二雷射器的光路上均設有能量衰減器和用於實時檢測記錄雷射能量的雷射能量實時監測系統；所述的第一雷射經雷射能量實時監測系統出射後進入光路爬高系統；所述的第二雷射經雷射能量實時監測系統出射後聚焦至等離子體。當應用雷射誘導擊穿光譜進行檢測時，待檢測樣本性質不同，其所需的雷射能量也不同。為實現如植物葉片、動物組織等脆弱樣本的檢測或減小雷射對樣品的損傷，通常需要對雷射的能量進行衰減。然而，通過調節雷射器電壓對能量進行衰減會導致雷射能量不穩定，進而影響檢測結果。本發明採用能量衰減器對雷射能量進行衰減，其衰減範圍為1％～99％。雷射能量實時檢測系統主要用於實時檢測記錄雷射的能量，用於判斷雷射器能量的波動是否出現異常，並進行後序數據分析。當後續進行數據分析時，可根據能量變化，對獲得的譜線強度進行補償。其中，所述的信號採集和處理系統包括：光纖收集系統，用於收集等離子體冷卻發出的特徵譜線；分光系統，用於對特徵譜線進行分光；探測器，用於將分光系統的光信號轉換為電信號；樣本表面成像系統，用於監控第一雷射擊打樣品位置，得到採樣點的空間信息；計算機，根據所述的電信號和採樣點的空間信息，顯示元素在樣品表面的分布信息。第一雷射器發出脈衝雷射，經過光學系統，擊打到樣本上，當能量密度高於激發的閾值時形成等離子體，第二雷射器產生的雷射對等離子進行再次加熱，等離子體冷卻發出不同波長的特徵譜線，經由光纖收集系統收集，經過分光系統，由探測器探測，並在計算機上顯示處理。優選的，所述的分光系統為中階梯光柵光譜儀。中階梯光柵光譜儀是以中階梯光柵作為色散元件的光譜儀，無需光柵掃描即可一次性得到全譜數據，能避免普通光譜儀多通道首尾段拼接問題。中階梯光柵光譜儀內部無機械部分，穩定性更高，解析度能達到0.08nm，能滿足譜線分光要求。其中，所述的樣本表面成像系統包括：用於從正方向照明樣品的照明LED光源，位於照明LED光源光軸上的分束鏡，CCD相機和成像鏡頭，用於採集分束鏡反射的樣品表面圖像信息。優選的，所述的光路爬高系統由第一反射鏡、第二反射鏡和第三反射鏡組成，所述第二反射鏡位於第一反射鏡的正上方，第三反射鏡位於樣品臺的正上方；所述的第一反射鏡、第二反射鏡和第三反射鏡均為Nd：YAG雙頻雷射反射鏡。光路爬高系統主要用於抬升光路，並將沿水平方向雷射轉化為沿垂直方向傳播。應用光路爬高系統能有效避免升高雷射器位置導致雷射不穩定的因素。雷射從樣品正上方擊打樣品表面，有利於等離子體的有效激發，保證等離子體均勻對稱分布。優選的，所述的延時發生器控制第一雷射器和第二雷射器調Q觸發時間和氙燈開啟觸發時間，第一雷射器和第二雷射器調Q信號的觸發時間在氙燈信號觸發之後150±20μs。該時序的設置能最大程度保證雙脈衝固體雷射器的能量穩定性。優選的，所述第一雷射器和第二雷射器的光路上的聚焦用透鏡安裝在沿光軸滑動配合的透鏡安裝架上，用於調節樣本與透鏡的距離，從而控制擊打到樣品上的雷射參數。透鏡與樣本的距離是雷射誘導擊穿光譜的重要參數，直接影響雷射在待激發對象的雷射參數。通常來說，透鏡與樣本的距離應小於透鏡的焦距。當透鏡與樣本距離減小時，擊打點的直徑將會增大，輻射度以及積分通量均會減小。因此，將透鏡安裝在沿光軸滑動配合的透鏡安裝架能根據樣本性質和實際需求精確調節透鏡與樣本的距離。優選的，所述的樣品臺包括具有四自由度的電移臺、活動安裝在電移臺上的升降板和滑動配合在電移臺上的載物臺；所述升降板上設有透明的約束窗口，雷射透過約束窗口後擊打樣品；所述升降板的下方設有約束板，該約束板置於樣品的正上方，約束板上分布有約束腔，該約束腔用於約束樣品激發的等離子體。樣品臺通過空間限制增強譜線強度，能對等離子體橫向以及縱向進行約束，並根據不同的樣本需求調節約束空間大小調節譜線強度，譜線強度增強範圍為2-10倍。約束窗口主要用於對等離子體縱向進行約束，並對入射雷射與等離子體產生的特徵譜線具有較好的透射率。約束板主要用於對等離子體的橫向進行約束，並使特徵譜線進行約束傳播，提高譜線收集效率和譜線強度。優選的，所述的升降板上設有透光口，該透光口處覆蓋有透光板，所述透光口與透光板組成所述的約束窗口。其中，透光板為有機玻璃板，選用材料為N-BK7，厚度為1-5mm，為保證雷射有效激發和特徵譜線的有效收集，透光板對雷射波長和特徵譜線的透過率應大於90％，同時，為防止雷射對有機玻璃板造成損害，其能量閾值應大於10J/cm2。譜線增強效果受到約束窗口離樣品距離的影響。由於樣品性質和所要檢測的元素譜線強度不同，本發明的約束窗口能在垂直方向進行移動，根據需要調節譜線強度。約束板為鍍鉻的鋁板，厚度為1～3mm。在鋁板的約束腔內進行鍍鉻，使內腔具有較高的反射率，使特徵譜線約束傳播，提高譜線收集效率。本發明具有的有益效果是：(1)實現了雙脈衝雷射誘導擊穿光譜再加熱工作模式，為脆弱樣本(如生物樣本)元素含量檢測信號增強提供了條件。(2)實現了對雷射能量的實時監測，有利於提高檢測技術的重複性。(3)可根據不同的樣品，調節透鏡與物體的距離以及雷射能量，獲得最佳的信噪比。(4)具有可調參數多，調節簡單、精確、快速。(5)樣品臺通過空間限制增強譜線強度，能對等離子體橫向以及縱向進行約束，提高譜線收集效率和譜線強度，能避免激發顆粒重新覆蓋到樣品表面，並平整樣品表面(特別如新鮮葉片等不平整樣品)，使樣品到聚焦透鏡的距離保持不變從而提高檢測重複性。附圖說明圖1為可調再加熱雙脈衝雷射誘導擊穿光譜裝置的光路圖；圖2為樣品臺的結構圖；圖3為圖2中樣品臺的俯視圖；圖4為樣品臺上樣品受擊打的示意圖。具體實施方式如圖1所示，一種可調再加熱雙脈衝雷射誘導擊穿光譜裝置，包括第一雷射器1，第二雷射器2，倍頻發生器3，延時發生器4，能量衰減器5，雷射能量實時監測系統6，光路爬高系統7，探測器8，分光系統9，樣品臺11，第一聚焦透鏡12，第二聚焦透鏡10，光纖收集系統13，樣本表面成像系統14。第一雷射器1發出脈衝雷射，經過光學系統，擊打到樣本上，當能量密度高於激發的閾值時形成等離子體，第二雷射器2產生的雷射對等離子進行再次加熱，等離子體冷卻發出不同波長的特徵譜線，經由光纖收集系統13收集，經過分光系統9，由探測器8探測，並在計算機15上顯示處理。光路爬高系統7由第一反射鏡72、第二反射鏡71和第三反射鏡73組成，第一反射鏡72、第二反射鏡71和第三反射鏡73選用1英寸基頻Nd：YAG雷射反射鏡，1064nm處的反射率在98％以上。光纖收集系統13由光收集器和光纖組成。樣本表面成像系統14包括CCD相機144、成像鏡頭143、第二分束鏡142、照明LED光源141。可變能量衰減器5具有多種實現方式，(1)1/2波片和分束鏡，(2)通過調節光束取樣鏡的角度，(3)利用中性密度濾波片對能量進行衰減。樣品臺11由3個單自由度脈衝電動位移臺和電動旋轉臺組合實現。如圖2、圖3和圖4所示，樣品臺11包括齒條升降杆901，齒輪滑塊902，直角轉接板903，等離子體約束窗口904，圓柱導軌905，等離子體約束板906，V型滑塊907，組合電移臺909，拉杆910，約束腔911。組合電移臺909採用四自由度(x,y,z,w)組合電移臺，包括三個單自由度(x、y和z)脈衝電動位移臺和一個旋轉自由度(w)電動旋轉臺。齒條升降杆901豎直安裝在組合電移臺909上，齒輪滑塊902與齒條升降杆901嚙合，可沿垂直方向上下移動。直角轉接板903通過螺栓固定於齒輪滑塊902上，平面設有矩形的透光口，透光口邊緣設有支撐臺階，透光口內設有透光板，形成等離子體約束窗口904。圓柱導軌905固定在組合電移臺909，等離子體約束板906可沿圓柱導軌905上下滑動。圓柱導軌905和齒條升降杆901均通過螺栓聯接於組合電移臺909上。組合電移臺909開有V型槽，V型滑塊907在拉杆910作用下可沿V型槽左右滑動，拉杆910通過螺紋固定於V型滑塊907內。樣品908放置V型滑塊907(相當於載物臺)上，雷射從上方向下擊打，通過等離子體約束窗口904，並經過等離子體約束板906，擊打到樣品表面，激發等離子體，冷卻發出特徵譜線由光纖收集系統13收集。等離子體約束窗口904的材料為N-BK7，厚度為1-5mm，透過率大於90％，能量閾值大於10J/cm2。等離子體約束窗口904主要用於對等離子體縱向進行約束，並對入射雷射與等離子體產生的特徵譜線具有較好的透射率。N-BK7是一種常見的光學玻璃，能夠透過350nm-2000nm波段的光，其雷射的透射率大於90％，能量閾值大於10J/cm2。因此等離子體約束窗口904選用材料為N-BK7，厚度為1-5m。等離子體約束窗口904可在齒輪滑塊902作用下沿垂直方向進行移動。譜線增強效果受到約束窗口離樣品距離的影響。由於樣品性質和所要檢測的元素譜線強度不同，本發明的等離子體約束窗口904能在垂直方向進行移動，根據需要調節譜線強度。在本實施例中，等離子體約束板906的材料為鍍鉻的鋁板，厚度為1mm，其中間均勻布有圓錐形約束腔911，上錐面直徑和下錐面直徑分別是2mm和3mm。約束腔911之間距離應與組合電移臺909規劃位移相一致。等離子體約束板906主要用於對等離子體的橫向進行約束，並使特徵譜線進行約束傳播，提高譜線收集效率和譜線強度，譜線強度增強範圍為2-10倍。在鋁板的約束腔911內進行鍍鉻，使內腔具有較高的反射率，使特徵譜線約束傳播，提高譜線收集效率。約束腔採用圓錐形結構，由於其上小下大的結構，比起圓柱型的結構能更好得對等離子體進行約束。另外，當等離子體從圓錐形約束腔射出時，由於其空間約束加大，其電子密度與運動速度均會得到增強，因此更加有利於譜線信號的增強。本發明的等離子體約束板906的約束腔之間距離與組合電移臺909規劃位移相一致，能適用於雷射誘導擊穿光譜面掃描的工作方式。本發明採用等離子體約束板906覆蓋樣品表面，有利於平整樣品表面提高重複性，避免激發顆粒汙染其它待測區域。當待測樣品為新鮮葉片等表面不平整樣品時，其待測區域與透鏡距離存在差異，進而影響雷射到達樣品的雷射參數。雷射誘導擊穿光譜的檢測穩定性與待檢測區域的雷射參數息息相關，因此平整樣品表面有利於固定雷射參數提高檢測的重複性。此外，等離子體約束板906的上小下大圓錐形結構有利於最大程度地避免由上一個檢測區域激發顆粒汙染，保證所檢測對象為待檢測區域的元素。V型滑塊907在拉杆910作用下可沿V型槽移動，採用此V型滑塊導軌結構，避免升高等離子約束窗口和等離子約束板等繁瑣操作。等離子體約束板906與圓柱導軌905之間的連接為緊連接，在重力作用下等離子體約束板906不能自由下滑。控制組合電移臺909使等離子體約束板906的圓錐型約束腔911與上方雷射的位置相對應，設置組合電移臺909的工作步長是圓錐形約束腔相鄰距離或倍數。第一束雷射B經過光路系統，經聚焦透鏡從上方向下傳播，穿過等離子體約束窗口904，並經過圓錐形約束腔擊打樣品。等離子體約束窗口904的其雷射透過率大於90％，能量閾值大於10J/cm2。第二束雷射A沿垂直方向通過聚焦透鏡聚焦擊打到激發出的等離子體上，增強譜線信號。等離子體冷卻發出特徵譜線C由上方的光纖收集系統13收集。每個位置可根據實際要求選擇所需擊打的次數，當完成一個位置之後通過組合電移臺909移動進行多個位置光譜採集。當無等離子體約束窗口904和等離子體約束板906時，激發出的等離子體為自由激發狀態；當對激發的等離子體進行限制後，等離子體的密度增加，等離子體溫度升高，增強了激發原子的譜線強度。分光系統9為中階梯光柵光譜儀。延時發生器4控制第一雷射器1和第二雷射器2調Q觸發時間、氙燈開啟觸發時間和ICCD探測器8的門控時間。延時發生器4設置第一雷射器1和第二雷射器2調Q信號的觸發時間在氙燈信號觸發之後150±20μs。探測器門控開關開啟時間為第二雷射器2調Q開關觸發之後1μs。雷射能量實時監測反饋系統6由熱電脈衝探頭61、第一分束鏡62、USB連接線以及計算機15組成。所要監測的雷射通過3：7分束鏡分出30％的雷射能量，由熱電脈衝探頭接收，通過USB連接線連接到計算機，在專用軟體上實時顯示記錄雷射的能量，用於後序數據分析。第一聚焦透鏡12和第二聚焦透鏡10安裝於沿光軸方向具有自由度的透鏡安裝架中，用於調節樣本與透鏡的距離，從而控制擊打到樣品上的雷射參數。第一聚焦透鏡12和第二聚焦透鏡10選用N-BK7。本發明工作時，控制延時發生器4時序控制第一雷射器1和第二雷射器2燈信號和調Q信號觸發時間以及探測器8門控時間。第一雷射器1和第二雷射器2調Q信號的觸發在氙燈信號觸發之後150±20μs，探測器門控開關開啟時間為第二雷射器2調Q開關觸發之後1μs。第一雷射(1064nm)經能量衰減器5對雷射能量進行衰減，依次經過第一反射鏡72和第二反射鏡71，提升雷射的光路；調節第二反射鏡71的反射鏡架使雷射位於樣品上方，經第三反射鏡73改變光路，向下傳播。雷射經由第一聚焦透鏡12聚焦到樣品表面，當雷射能量密度高於激發的閾值時，樣品產生等離子體。第二雷射經過能量衰減器5衰減，通過倍頻發生器3，雷射頻率變為532nm。調節樣品臺11高度使第二雷射(532nm)出光口高於等離子體約束板906表面1±0.5mm。樣品臺11可根據樣品特性是否選用旋轉自由度。第二雷射(532nm)經過第二聚焦透鏡10聚焦，聚焦到激發出來的等離子體上，增強譜線信號。譜線通過光纖收集系統13收集，經由分光系統9(中階梯光柵光譜儀)分光，由探測器8轉化為電信號，通過USB連接到計算機15中，在計算機15進行數據統計與分析，確定樣品中某種物質的含量。