專利名稱：時間分辨激光誘導(dǎo)擊穿光譜測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種時間分辨光譜測量方法，尤其涉及一種時間分辨激光誘導(dǎo)擊穿光譜測量方法。
背景技術(shù)：
激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)是利用高功率密度脈沖激光入射到物體表面時燒蝕物體產(chǎn)生大量等離子體，在等離子體冷卻過程中，處于激發(fā)態(tài)的原子(或離子)會發(fā)出特定頻率的光子，即產(chǎn)生特征譜線。對等離子體發(fā)射光譜進(jìn)行探測即可得到激光誘導(dǎo)擊穿光譜，通過對光譜進(jìn)行分析即可得到被測物質(zhì)的成份和濃度信息。激光聚焦燒蝕待分析樣品時，產(chǎn)生的等離子體持續(xù)時間一般為幾百納秒到幾微秒。常規(guī)性能光譜儀積分時間為毫秒到數(shù)分鐘量級，其測量得到的積分強度為激光等離子 體存在過程中的光譜信號強度之和。因此常規(guī)激光誘導(dǎo)擊穿光譜儀無法測量樣品特征譜線的動態(tài)演化過程。通過時間分辨光譜測量可以得到樣品特征譜線的動態(tài)演化過程，這對研究等離子體溫度和電子密度演化、等離子體熱力學(xué)平衡狀態(tài)和樣品成份定量分析都具有重要意義。實現(xiàn)時間分辨測量對光譜探測器和時序控制器要求較高，其中時序控制器很容易實現(xiàn)數(shù)納秒的時間同步精度，因此時間分辨測量精度主要取決于光譜探測器的最短積分時間。普通光譜儀的最短積分時間一般在微秒到毫秒量級，無法滿足激光誘導(dǎo)擊穿光譜的時間分辨測量。目前可進(jìn)行時間分辨測量系統(tǒng)大多采用光電倍增管或ICCD，系統(tǒng)成本高。利用低成本系統(tǒng)實現(xiàn)時間分辨測量，對降低利用時間分辨進(jìn)行成份檢測的激光誘導(dǎo)擊穿光譜設(shè)備成本具有重要意義。

發(fā)明內(nèi)容
基于業(yè)界的上述要求，本發(fā)明旨在提出一種全新的時間分辨激光誘導(dǎo)擊穿光譜測
量方法。具體地說，本發(fā)明提供了一種時間分辨激光誘導(dǎo)擊穿光譜測量方法，包括設(shè)定光譜儀的積分時間；設(shè)定不同的積分延遲時間，以獲得所述不同的積分延遲時間下的多個激光誘導(dǎo)擊穿光譜信號；對所得每個激光誘導(dǎo)擊穿光譜信號中的待分析的特征譜線進(jìn)行擬合，以獲得不同的積分延遲時間下的特征譜線強度；對所述特征譜線強度進(jìn)行差分，從而獲得譜線的時間分辨強度曲線。本發(fā)明的方法可以利用簡單的設(shè)備實現(xiàn)時間分辨激光誘導(dǎo)擊穿光譜檢測，具有實施容易、成本低廉的特點。本發(fā)明的主要特點在于結(jié)合激光誘導(dǎo)擊穿光譜時序特點，通過控制光譜儀積分延遲時間獲得不同延時下的光譜信號，將測得的特征譜線強度根據(jù)固定的時間間隔進(jìn)行差分，即可得到與差分間隔時間內(nèi)發(fā)射光譜信號的積分強度。該方法用低成本系統(tǒng)實現(xiàn)時間分辨光譜測量，可用于激光誘導(dǎo)等離子體溫度、電子密度及成份定量分析等研究。經(jīng)過驗證，利用常規(guī)性能光譜儀(積分時間為毫秒量級)可以容易實現(xiàn)IOOns水平的時間分辨激光誘導(dǎo)擊穿光譜測量。應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明以上的一般性描述和以下的詳細(xì)描述都是示例性和說明性的，并且旨在為如權(quán)利要求所述的本發(fā)明提供進(jìn)一步的解釋。


包括附圖是為提供對本發(fā)明進(jìn)一步的理解，它們被收錄并構(gòu)成本申請的一部分，附圖示出了本發(fā)明的實施例，并與本說明書一起起到解釋本發(fā)明原理的作用。附圖中圖I示出了本發(fā)明的測量系統(tǒng)100的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2示出了本發(fā)明的原理示意圖。圖3示出了本發(fā)明的時間分辨激光誘導(dǎo)擊穿光譜測量方法的主要步驟的流程圖。 圖4是根據(jù)本發(fā)明的以25#碳鋼標(biāo)樣為樣品獲得的Fe 228. 03nm譜線強度的時間演化曲線。
具體實施例方式現(xiàn)在將詳細(xì)參考附圖描述本發(fā)明的實施例?，F(xiàn)在將詳細(xì)參考本發(fā)明的優(yōu)選實施例，其示例在附圖中示出。在任何可能的情況下，在所有附圖中將使用相同的標(biāo)記來表示相同或相似的部分。此外，盡管本發(fā)明中所使用的術(shù)語是從公知公用的術(shù)語中選擇的，但是本發(fā)明說明書中所提及的一些術(shù)語可能是申請人按他或她的判斷來選擇的，其詳細(xì)含義在本文的描述的相關(guān)部分中說明。此外，要求不僅僅通過所使用的實際術(shù)語，而是還要通過每個術(shù)語所蘊含的意義來理解本發(fā)明。圖I示出了本發(fā)明的測量系統(tǒng)100的結(jié)構(gòu)示意圖。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的測量系統(tǒng)100主要包括Nd:YAG脈沖激光器101、全反鏡102、聚焦透鏡103、采集透鏡104、光譜儀105以及計算機106。如圖I所示，Nd = YAG脈沖激光器101所發(fā)射的高功率密度脈沖激光依次經(jīng)由全反鏡102和聚焦透鏡103入射到樣品表面，該高功率密度脈沖激光將燒蝕該樣品，產(chǎn)生大量等離子體。在等離子體冷卻過程中，處于激發(fā)態(tài)的原子(或離子)會發(fā)出特定頻率的光子，即產(chǎn)生特征譜線。光譜儀105通過采集透鏡104對該等離子體發(fā)射光譜進(jìn)行探測，并將探測到的數(shù)據(jù)傳送至計算機106。在計算機106進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，即可得到激光誘導(dǎo)擊穿光譜，通過對光譜進(jìn)行分析即可得到被測物質(zhì)的成份和濃度信息。本發(fā)明主要是基于激光誘導(dǎo)擊穿光譜時序特點，其原理圖如圖2所示，在每個激光脈沖發(fā)出并激發(fā)處等離子體后，等離子體存在時間為幾百納秒到幾微秒，毫秒量級的積分時間可以完整地收集到整個等離子體光譜信號。相同聚焦位置和脈沖能量情況下，每次激發(fā)的等離子體信號基本相同，因此可采取差分的方法來實現(xiàn)時間分辨測量。圖3示出了本發(fā)明的時間分辨激光誘導(dǎo)擊穿光譜測量方法的主要步驟的流程圖。如圖3所示，本發(fā)明的時間分辨激光誘導(dǎo)擊穿光譜測量方法200主要包括以下步驟步驟201 :設(shè)定光譜儀的積分時間，選擇積分時間為百納秒或毫秒量級；步驟202 :設(shè)定不同的積分延遲時間，以獲得所述不同的積分延遲時間下的多個激光誘導(dǎo)擊穿光譜信號；
步驟203 :對所述每個激光誘導(dǎo)擊穿光譜信號中的待分析的特征譜線進(jìn)行擬合，以獲得不同的積分延遲時間下的特征譜線強度；步驟204 :對所述特征譜線強度進(jìn)行差分，以獲得相應(yīng)時間點的譜線時間分辨強度，進(jìn)而獲得一個時間 分辨精度下的譜線強度演化曲線；以下，結(jié)合一具體的示例來進(jìn)一步討論本發(fā)明的時間分辨激光誘導(dǎo)擊穿光譜測量方法。例如，本實施例采用25#碳鋼樣品作為激光誘導(dǎo)擊穿光譜實驗樣品。該實施例采用光譜儀為AvaSpeC-2048-USB2(積分時間為I. l-60ms，積分時間最小增量為21ns，精度為±21ns)，激光器為Nd = YAG脈沖激光器(波長為1064nm，激光能量為200mJ，脈沖間隔為200ms)，通過光譜儀輸出脈沖到激光器進(jìn)行外觸發(fā)實現(xiàn)時序控制。該實施例的執(zhí)行步驟如下步驟I :首先，設(shè)置光譜儀積分時間為tint，一般光譜儀的積分時間最短在毫秒或數(shù)微秒量級，本實施例取tint = 20ms。步驟2 :接著，設(shè)置光譜儀積分延遲時間，獲得不同延時t情況下的激光誘導(dǎo)擊穿光譜信號，其中延遲時間h = td0+i X A t, i = 0,1,…，n,td(l為系統(tǒng)延時，At為延時時間增量。本實施例中 td。= 380. 95 u s, At = 50ns。步驟3 :對待分析特征譜線進(jìn)行擬合，以得到其在不同延時下強&y 。在本實施例中選取Fe 228. 03nm作為分析譜線，對其不同延時下光譜進(jìn)行擬合得到相應(yīng)強度么。步驟4 :對特征譜線強度匕,,進(jìn)行差分，得到相應(yīng)時間點的譜線時間分辨強度=1 -1即可得到時間分辨精度為tK = At的譜線強度演化曲線。如圖4所示為采用不同間隔進(jìn)行時間分辨測量結(jié)果對比圖，S卩At分別取50ns、IOOns和150ns測得結(jié)果。可以理解，該實施例旨在依據(jù)一具體操作實例進(jìn)行介紹，以方便對本發(fā)明的理解。上述的實施例并非意在將本發(fā)明限制于該獨特的實施方式。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以根據(jù)已知技術(shù)在本發(fā)明的范圍內(nèi)做出適當(dāng)?shù)淖兓詫崿F(xiàn)所需的技術(shù)效果。綜上所述，為了降低使用時間分辨進(jìn)行分析和檢測的激光誘導(dǎo)擊穿光譜設(shè)備成本，本發(fā)明結(jié)合激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)時序特點，提供了一種使用低成本系統(tǒng)通過控制積分延遲時間實現(xiàn)時間分辨激光誘導(dǎo)擊穿光譜測量的方法。該方法使用常規(guī)的光譜儀，實現(xiàn)了時間分辨激光誘導(dǎo)擊穿光譜測量。本領(lǐng)域技術(shù)人員可顯見，可對本發(fā)明的上述示例性實施例進(jìn)行各種修改和變型而不偏離本發(fā)明的精神和范圍。因此，旨在使本發(fā)明覆蓋落在所附權(quán)利要求書及其等效技術(shù)方案范圍內(nèi)的對本發(fā)明的修改和變型。
權(quán)利要求
1.一種時間分辨激光誘導(dǎo)擊穿光譜測量方法，包括 設(shè)定光譜儀的積分時間； 設(shè)定不同的積分延遲時間，以獲得所述不同積分延遲時間下的激光誘導(dǎo)擊穿光譜信號; 對所得每個激光誘導(dǎo)擊穿光譜信號中的待分析的特征譜線進(jìn)行擬合，以獲得不同的積分延遲時間下的特征譜線強度； 對所述特征譜線強度進(jìn)行差分，從而獲得譜線的時間分辨強度曲線。
2.如權(quán)利要求I所述的時間分辨激光誘導(dǎo)擊穿光譜測量方法，其特征在于，所用光譜儀積分時間為微秒量級到數(shù)十分鐘量級。
3.如權(quán)利要求I所述的時間分辨激光誘導(dǎo)擊穿光譜測量方法，其特征在于，所得光譜的時間分辨精度最高可達(dá)到光譜儀積分時間的增量水平。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種時間分辨激光誘導(dǎo)擊穿光譜測量方法，包括設(shè)定光譜儀的積分時間；設(shè)定不同的積分延遲時間，以獲得所述不同的積分延遲時間下的多個激光誘導(dǎo)擊穿光譜信號；對所得每個激光誘導(dǎo)擊穿光譜信號中的待分析的特征譜線進(jìn)行擬合，以獲得不同的積分延遲時間下的特征譜線強度；對所述特征譜線強度進(jìn)行差分，從而獲得譜線的時間分辨強度曲線。本發(fā)明的方法可以利用簡單的設(shè)備實現(xiàn)時間分辨激光誘導(dǎo)擊穿光譜檢測，具有實施容易、成本低的特點。
文檔編號G01N21/63GK102735658SQ201210247609
公開日2012年10月17日 申請日期2012年7月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月17日
發(fā)明者安寧, 杜學(xué)維, 潘從元, 王聲波, 王秋平 申請人:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)