一種基于雙脈沖散焦預(yù)燒蝕的激光誘導(dǎo)擊穿光譜探測系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本專利公開了一種基于雙脈沖散焦預(yù)燒蝕的激光誘導(dǎo)擊穿光譜探測系統(tǒng)。它采用比例分光鏡把脈沖激光分為兩路，一路經(jīng)過散焦光路，另一路經(jīng)過延時(shí)聚焦光路。經(jīng)過散焦光路的第一路激光脈沖在樣品靶材表面上預(yù)燒蝕產(chǎn)生一定直徑的圓形平整表面，然后由經(jīng)過延時(shí)聚焦光路的第二路激光脈沖在該平整表面上準(zhǔn)確聚焦激發(fā)LIBS效應(yīng)。該雙脈沖散焦預(yù)燒蝕LIBS系統(tǒng)可有效消除傳統(tǒng)LIBS中燒蝕孔效應(yīng)的影響，從而提高LIBS探測的精度。
【專利說明】一種基于雙脈沖散焦預(yù)燒蝕的激光誘導(dǎo)擊穿光譜探測系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本專利涉及一種激光光譜探測方法，尤其涉及一種基于雙脈沖散焦預(yù)燒蝕的激光誘導(dǎo)擊穿光譜(Laser-1nduced breakdown spectroscopy,簡稱 LIBS)探測系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]激光誘導(dǎo)擊穿光譜(LIBS)探測技術(shù)是利用脈沖激光器發(fā)出的脈沖激光，經(jīng)過聚焦透鏡聚焦到樣品，在聚焦點(diǎn)上獲得高能量的脈沖激光，使樣品燒蝕、蒸發(fā)、激發(fā)和電離化后形成高溫、高壓、高電子密度的等離子體火花，輻射出包含原子和離子特征譜線的光譜，可用于探測物質(zhì)的元素組成。
[0003]傳統(tǒng)的LIBS探測方法利用低重頻單脈沖激光作為激勵(lì)源，該方法在脈沖與樣品靶材作用時(shí)，由于高能激光脈沖的燒蝕蒸發(fā)，產(chǎn)生燒蝕孔，其后每次激光脈沖探測時(shí)，孔的深度增加，其內(nèi)表面的粗糙度增加(稱為燒蝕孔效應(yīng))，使得LIBS光譜信號重復(fù)性較差，嚴(yán)重影響LIBS探測精度，此外由于燒蝕孔粗糙內(nèi)表面的散射，會(huì)降低LIBS探測的信噪比。
[0004]為提高LIBS探測的信噪比與探測的精度，本專利提出一種基于雙脈沖散焦預(yù)燒蝕的激光誘導(dǎo)擊穿光譜(LIBS)探測方法，可有效減少燒蝕孔效應(yīng)對LIBS探測的影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本專利的目的在于提供一種基于雙脈沖散焦預(yù)燒蝕的激光誘導(dǎo)擊穿光譜(LIBS)探測系統(tǒng)，以有效減少燒蝕孔效應(yīng)對LIBS探測的影響，從而提高LIBS探測的精度與信噪比。
[0006]系統(tǒng)包括比例分光鏡、固體脈沖激光器、學(xué)延遲線、反射鏡、倍頻晶體、擴(kuò)束鏡、聚焦透鏡、反射鏡、雙色鏡、透鏡、光纖光譜儀和計(jì)算機(jī)，其特征在于:
[0007]固體脈沖激光器2發(fā)出波長1064nm的重復(fù)頻率為IOHz的納秒級脈沖激光，經(jīng)過3比7比例分光鏡I分成兩路:
[0008]第一路為散焦光路，穿過比例分光鏡I的具有70%能量的第一路脈沖激光經(jīng)過倍頻晶體7后轉(zhuǎn)變?yōu)椴ㄩL為532nm的脈沖激光，經(jīng)擴(kuò)束鏡A8擴(kuò)束、聚焦透鏡All會(huì)聚，通過雙色鏡13打到樣品靶材15上，聚集透鏡All的焦距大于它到樣品靶材表面的距離，即處于散焦?fàn)顟B(tài)，樣品祀材15表面獲得一定直徑的均勻激光光斑14,在光斑范圍內(nèi)的樣品祀材表面被均勻燒蝕，產(chǎn)生一定直徑的圓形平整表面；
[0009]第二路為延時(shí)聚焦光路，經(jīng)比例分光鏡I反射的具有30%能量的第二路脈沖激光經(jīng)反射鏡A4反射，光學(xué)延遲線3延時(shí)，反射鏡B5反射，反射鏡C6反射，擴(kuò)束鏡B9擴(kuò)束，聚焦透鏡BlO會(huì)聚，反射鏡D12反射，經(jīng)雙色鏡13反射后，打到樣品靶材上，聚集透鏡BlO的焦距等于它到樣品靶材表面的距離，即處于合焦?fàn)顟B(tài)，激光在樣品靶材表面形成一個(gè)聚焦點(diǎn)，使聚焦點(diǎn)上脈沖激光功率密度大于LIBS所需的功率密度閾值，可產(chǎn)生LIBS效應(yīng)；精確調(diào)節(jié)光學(xué)延遲線3，讓第二路激光脈沖產(chǎn)生一定的延時(shí)，使得在第一路激光脈沖均勻燒蝕獲得平整表面后第二路激光脈沖到達(dá)，樣品靶材15上產(chǎn)生的LIBS信號經(jīng)過透鏡16聚焦在安裝在光纖支架17上的光纖的端面上，由計(jì)算機(jī)19控制光纖光譜儀18進(jìn)行光譜信號采集及分析。
[0010]接著，固體脈沖激光器發(fā)出下一束脈沖激光，仍然經(jīng)過比例分光鏡分成兩路，其中穿過比例分光鏡的第一路脈沖激光使得其散焦光斑范圍內(nèi)的樣品靶材表面被均勻燒蝕，產(chǎn)生一定直徑的圓形平整表面，可去除由前一次第二路激光脈沖聚焦激發(fā)產(chǎn)生的燒蝕孔，因此有效地減少燒蝕孔效應(yīng)的影響，提高LIBS探測的精度。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1為本專利的原理圖，圖中:1——比例分光鏡；2——固體脈沖激光器；3——光學(xué)延遲線；4——反射鏡A ；5——反射鏡B ；6——反射鏡C ；7——倍頻晶體；8——擴(kuò)束鏡A ;9——擴(kuò)束鏡B ；10——聚焦透鏡B ；11——聚焦透鏡A ; 12——反射鏡D ；13——雙色
鏡；14-均勻激光光斑；15-樣品IE材；16-透鏡；17-光纖支架；18-光纖光
譜儀；19-計(jì)算機(jī)。
【具體實(shí)施方式】
[0012]本專利的原理如圖1所示，固體脈沖激光器2發(fā)出波長1064nm的重復(fù)頻率為IOHz的納秒級脈沖激光，經(jīng)過3比7比例分光鏡I分成兩路:
[0013]第一路為散焦光路。散焦光路由倍頻晶體7、擴(kuò)束鏡A8、聚焦透鏡All組成。穿過比例分光鏡I的具有70%能量的第一路脈沖激光經(jīng)過倍頻晶體7后轉(zhuǎn)變?yōu)椴ㄩL為532nm的脈沖激光，經(jīng)擴(kuò)束鏡A8擴(kuò)束、聚焦透鏡All會(huì)聚，通過雙色鏡13打到樣品靶材15上，要求聚集透鏡All的焦距大于它到樣品靶材表面的距離，即處于散焦?fàn)顟B(tài)，樣品靶材表面獲得一定直徑的均勻激光光斑14，由于獲得大部分分光能量且經(jīng)倍頻后單光子能量加倍，因此即使處于散焦?fàn)顟B(tài)，光斑內(nèi)的脈沖激光功率密度也很大，此時(shí)可適當(dāng)提高固體脈沖激光器的供電電壓，即提高單脈沖能量，使得光斑范圍內(nèi)的樣品靶材表面被均勻燒蝕，產(chǎn)生一定直徑的圓形平整表面；
[0014]第二路為延時(shí)聚焦光路。延時(shí)聚焦光路由反射鏡A4、反射鏡B5、反射鏡C6、反射鏡D12、光學(xué)延遲線3、擴(kuò)束鏡B9及聚焦透鏡BlO組成。經(jīng)比例分光鏡I反射的具有30%能量的第二路脈沖激光經(jīng)反射鏡A4反射，光學(xué)延遲線3延時(shí)，反射鏡B5反射，反射鏡C6反射，擴(kuò)束鏡B9擴(kuò)束，聚焦透鏡BlO會(huì)聚，反射鏡D12反射，經(jīng)雙色鏡13反射后，打到樣品靶材上，要求聚集透鏡BlO的焦距等于它到樣品靶材表面的距離，即處于合焦?fàn)顟B(tài)，在樣品靶材表面形成一個(gè)聚焦點(diǎn)，使聚焦點(diǎn)上脈沖激光功率密度大于LIBS所需的功率密度閾值，可產(chǎn)生LIBS效應(yīng)。精確調(diào)節(jié)光學(xué)延遲線3，讓第二路激光脈沖產(chǎn)生一定的延時(shí)，使得在第一路激光脈沖均勻燒蝕獲得平整表面后第二路激光脈沖到達(dá)。
[0015]由第二種激光脈沖激發(fā)所產(chǎn)生的LIBS信號經(jīng)過透鏡16聚焦在安裝在光纖支架17上的光纖的端面上，由計(jì)算機(jī)19控制光纖光譜儀18進(jìn)行光譜信號采集及分析。
[0016]接著，固體脈沖激光器發(fā)出下一束脈沖激光，仍然經(jīng)過比例分光鏡I分成兩路，其中穿過比例分光鏡I的第一路脈沖激光使得其散焦光斑范圍內(nèi)的樣品靶材表面被均勻燒蝕，產(chǎn)生一定直徑的圓形平整表面，可去除由前一次第二路激光脈沖聚焦激發(fā)產(chǎn)生的燒蝕孔，因此有效地減少燒蝕孔效應(yīng)的影響，提高LIBS探測的精度。
【權(quán)利要求】
1.一種基于雙脈沖散焦預(yù)燒蝕的激光誘導(dǎo)擊穿光譜探測系統(tǒng)，它包括比例分光鏡、固體脈沖激光器、光學(xué)延遲線、反射鏡、倍頻晶體、擴(kuò)束鏡、聚焦透鏡、反射鏡、雙色鏡、透鏡、光纖光譜儀和計(jì)算機(jī)，其特征在于: 固體脈沖激光器(2)發(fā)出波長1064nm的重復(fù)頻率為IOHz的納秒級脈沖激光，經(jīng)過3比7比例分光鏡(I)分成兩路: 第一路為散焦光路，穿過比例分光鏡(I)的具有70%能量的第一路脈沖激光經(jīng)過倍頻晶體(7)后轉(zhuǎn)變?yōu)椴ㄩL為532nm的脈沖激光，經(jīng)擴(kuò)束鏡A (8)擴(kuò)束、聚焦透鏡A (11)會(huì)聚，通過雙色鏡(13)打到樣品靶材(15)上，聚集透鏡A(Il)的焦距大于它到樣品靶材表面的距離，即處于散焦?fàn)顟B(tài)，樣品靶材(15)表面獲得一定直徑的均勻激光光斑(14)，在光斑范圍內(nèi)的樣品祀材表面被均勻燒蝕，產(chǎn)生一定直徑的圓形平整表面； 第二路為延時(shí)聚焦光路，經(jīng)比例分光鏡(I)反射的具有30%能量的第二路脈沖激光經(jīng)反射鏡A (4)反射，光學(xué)延遲線(3)延時(shí)，反射鏡B (5)反射，反射鏡C (6)反射，擴(kuò)束鏡B(9 )擴(kuò)束，聚焦透鏡B (10 )會(huì)聚，反射鏡D (12 )反射，經(jīng)雙色鏡(13 )反射后，打到樣品靶材上，聚集透鏡B (10)的焦距等于它到樣品靶材表面的距離，即處于合焦?fàn)顟B(tài)，激光在樣品靶材表面形成一個(gè)聚焦點(diǎn)，使聚焦點(diǎn)上脈沖激光功率密度大于LIBS所需的功率密度閾值，可產(chǎn)生LIBS效應(yīng)；精確調(diào)節(jié)光學(xué)延遲線(3)，讓第二路激光脈沖產(chǎn)生一定的延時(shí)，使得在第一路激光脈沖均勻燒蝕獲得平整表面后第二路激光脈沖到達(dá)。
【文檔編號】G01N21/63GK203385665SQ201320360207
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2013年6月21日 優(yōu)先權(quán)日:2013年6月21日
【發(fā)明者】萬雄 申請人:中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所