本發(fā)明涉及激光光譜技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種可調(diào)再加熱雙脈沖激光誘導(dǎo)擊穿光譜裝置。

背景技術(shù)：
LIBS是Laser-InducedBreakdownSpectroscopy(激光誘導(dǎo)擊穿光譜儀)的簡稱，該技術(shù)利用脈沖激光產(chǎn)生的等離子體燒蝕并激發(fā)樣品(通常為固體)中的物質(zhì)，并通過光譜儀獲取被激發(fā)等離子體原子所發(fā)射的光譜，以此來識別樣品中的元素組成成分，進(jìn)而可以進(jìn)行材料的識別、分類、定性以及定量分析。該技術(shù)無需對樣品進(jìn)行預(yù)處理，能夠快速實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程、微損對樣品元素(尤其是金屬元素)進(jìn)行檢測，可用于固體、氣體、液體樣品的檢測。激光誘導(dǎo)擊穿光譜的應(yīng)用領(lǐng)域也十分廣泛，如生物醫(yī)學(xué)、考古學(xué)、環(huán)境監(jiān)測、水中重金屬檢測和爆炸物探測等。比起單脈沖激光誘導(dǎo)擊穿光譜，雙脈沖激光誘導(dǎo)擊穿光譜能夠大大增強(qiáng)信號。如公開號CN102854172A的專利申請?zhí)峁┝艘环N雙脈沖激光誘導(dǎo)擊穿光譜儀系統(tǒng)及其光譜分析的方法，所述光譜儀系統(tǒng)包括脈沖激光器、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(tǒng)、光譜儀、計算機(jī)、高壓脈沖電源；所述脈沖激光器用以產(chǎn)生激光，激光經(jīng)全反射鏡后通過聚焦透鏡聚焦作用在位于樣品臺的樣品上；樣品經(jīng)脈沖激光器和高壓脈沖電源放電作用后產(chǎn)生的光輻射通過橢圓球面鏡反射后再經(jīng)光收集系統(tǒng)進(jìn)入光譜儀；所述計算機(jī)與脈沖激光器、高壓脈沖電源和光譜儀相連，用以負(fù)責(zé)通信和總調(diào)度指揮。再加熱是雙脈沖激光誘導(dǎo)擊穿光譜的一種垂直工作方式，指對第一束激光激發(fā)的等離子體用第二束激光進(jìn)行再次加熱達(dá)到增強(qiáng)信號的作用。再加熱工作方式比較適合于較脆弱樣本信號的增強(qiáng)，如植物葉片、動物組織等。然而，再加熱LIBS系統(tǒng)調(diào)節(jié)參數(shù)多、難度大，調(diào)節(jié)復(fù)雜，目前國內(nèi)尚無相關(guān)專利。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
為實(shí)現(xiàn)在同一裝置上實(shí)現(xiàn)激光誘導(dǎo)擊穿光譜再加熱工作方式，本發(fā)明公開了一種可調(diào)再加熱雙脈沖激光誘導(dǎo)擊穿光譜裝置，克服了該工作方式調(diào)節(jié)困難的問題，可快速、精確地對工作參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，提高了檢測的可重復(fù)性，能夠在不同的工作參數(shù)下獲得最佳信噪比。本發(fā)明所采用的具體技術(shù)方案如下：一種可調(diào)再加熱雙脈沖激光誘導(dǎo)擊穿光譜裝置，包括第一激光器、第二激光器、延時發(fā)生器和樣品臺；所述第一激光器的光路上布置有光路爬高系統(tǒng)，該光路爬高系統(tǒng)用于升高第一激光的光路，使得第一激光由樣品臺正上方聚焦到樣品表面，產(chǎn)生等離子體；所述的延時發(fā)生器用于控制第一激光器和第二激光器的觸發(fā)時序；所述第二激光器的光路上布置有倍頻發(fā)生器，穿過倍頻發(fā)生器的第二激光用于再加熱所述的等離子體；還包括信號采集和處理系統(tǒng)，根據(jù)等離子體冷卻發(fā)出的特征譜線和第一激光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，所述的第一激光器和第二激光器的光路上均設(shè)有能量衰減器和用于實(shí)時檢測記錄激光能量的激光能量實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)；所述的第一激光經(jīng)激光能量實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)出射后進(jìn)入光路爬高系統(tǒng)；所述的第二激光經(jīng)激光能量實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)出射后聚焦至等離子體。當(dāng)應(yīng)用激光誘導(dǎo)擊穿光譜進(jìn)行檢測時，待檢測樣本性質(zhì)不同，其所需的激光能量也不同。為實(shí)現(xiàn)如植物葉片、動物組織等脆弱樣本的檢測或減小激光對樣品的損傷，通常需要對激光的能量進(jìn)行衰減。然而，通過調(diào)節(jié)激光器電壓對能量進(jìn)行衰減會導(dǎo)致激光能量不穩(wěn)定，進(jìn)而影響檢測結(jié)果。本發(fā)明采用能量衰減器對激光能量進(jìn)行衰減，其衰減范圍為1％～99％。激光能量實(shí)時檢測系統(tǒng)主要用于實(shí)時檢測記錄激光的能量，用于判斷激光器能量的波動是否出現(xiàn)異常，并進(jìn)行后序數(shù)據(jù)分析。當(dāng)后續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時，可根據(jù)能量變化，對獲得的譜線強(qiáng)度進(jìn)行補(bǔ)償。其中，所述的信號采集和處理系統(tǒng)包括：光纖收集系統(tǒng)，用于收集等離子體冷卻發(fā)出的特征譜線；分光系統(tǒng)，用于對特征譜線進(jìn)行分光；探測器，用于將分光系統(tǒng)的光信號轉(zhuǎn)換為電信號；樣本表面成像系統(tǒng)，用于監(jiān)控第一激光擊打樣品位置，得到采樣點(diǎn)的空間信息；計算機(jī)，根據(jù)所述的電信號和采樣點(diǎn)的空間信息，顯示元素在樣品表面的分布信息。第一激光器發(fā)出脈沖激光，經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)，擊打到樣本上，當(dāng)能量密度高于激發(fā)的閾值時形成等離子體，第二激光器產(chǎn)生的激光對等離子進(jìn)行再次加熱，等離子體冷卻發(fā)出不同波長的特征譜線，經(jīng)由光纖收集系統(tǒng)收集，經(jīng)過分光系統(tǒng)，由探測器探測，并在計算機(jī)上顯示處理。優(yōu)選的，所述的分光系統(tǒng)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(shù)據(jù)，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(nèi)部無機(jī)械部分，穩(wěn)定性更高，分辨率能達(dá)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(tǒng)包括：用于從正方向照明樣品的照明LED光源，位于照明LED光源光軸上的分束鏡，CCD相機(jī)和成像鏡頭，用于采集分束鏡反射的樣品表面圖像信息。優(yōu)選的，所述的光路爬高系統(tǒng)由第一反射鏡、第二反射鏡和第三反射鏡組成，所述第二反射鏡位于第一反射鏡的正上方，第三反射鏡位于樣品臺的正上方；所述的第一反射鏡、第二反射鏡和第三反射鏡均為Nd：YAG雙頻激光反射鏡。光路爬高系統(tǒng)主要用于抬升光路，并將沿水平方向激光轉(zhuǎn)化為沿垂直方向傳播。應(yīng)用光路爬高系統(tǒng)能有效避免升高激光器位置導(dǎo)致激光不穩(wěn)定的因素。激光從樣品正上方擊打樣品表面，有利于等離子體的有效激發(fā)，保證等離子體均勻?qū)ΨQ分布。優(yōu)選的，所述的延時發(fā)生器控制第一激光器和第二激光器調(diào)Q觸發(fā)時間和氙燈開啟觸發(fā)時間，第一激光器和第二激光器調(diào)Q信號的觸發(fā)時間在氙燈信號觸發(fā)之后150±20μs。該時序的設(shè)置能最大程度保證雙脈沖固體激光器的能量穩(wěn)定性。優(yōu)選的，所述第一激光器和第二激光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，用于調(diào)節(jié)樣本與透鏡的距離，從而控制擊打到樣品上的激光參數(shù)。透鏡與樣本的距離是激光誘導(dǎo)擊穿光譜的重要參數(shù)，直接影響激光在待激發(fā)對象的激光參數(shù)。通常來說，透鏡與樣本的距離應(yīng)小于透鏡的焦距。當(dāng)透鏡與樣本距離減小時，擊打點(diǎn)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(jù)樣本性質(zhì)和實(shí)際需求精確調(diào)節(jié)透鏡與樣本的距離。優(yōu)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(shè)有透明的約束窗口，激光透過約束窗口后擊打樣品；所述升降板的下方設(shè)有約束板，該約束板置于樣品的正上方，約束板上分布有約束腔，該約束腔用于約束樣品激發(fā)的等離子體。樣品臺通過空間限制增強(qiáng)譜線強(qiáng)度，能對等離子體橫向以及縱向進(jìn)行約束，并根據(jù)不同的樣本需求調(diào)節(jié)約束空間大小調(diào)節(jié)譜線強(qiáng)度，譜線強(qiáng)度增強(qiáng)范圍為2-10倍。約束窗口主要用于對等離子體縱向進(jìn)行約束，并對入射激光與等離子體產(chǎn)生的特征譜線具有較好的透射率。約束板主要用于對等離子體的橫向進(jìn)行約束，并使特征譜線進(jìn)行約束傳播，提高譜線收集效率和譜線強(qiáng)度。優(yōu)選的，所述的升降板上設(shè)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(jī)玻璃板，選用材料為N-BK7，厚度為1-5mm，為保證激光有效激發(fā)和特征譜線的有效收集，透光板對激光波長和特征譜線的透過率應(yīng)大于90％，同時，為防止激光對有機(jī)玻璃板造成損害，其能量閾值應(yīng)大于10J/cm2。譜線增強(qiáng)效果受到約束窗口離樣品距離的影響。由于樣品性質(zhì)和所要檢測的元素譜線強(qiáng)度不同，本發(fā)明的約束窗口能在垂直方向進(jìn)行移動，根據(jù)需要調(diào)節(jié)譜線強(qiáng)度。約束板為鍍鉻的鋁板，厚度為1～3mm。在鋁板的約束腔內(nèi)進(jìn)行鍍鉻，使內(nèi)腔具有較高的反射率，使特征譜線約束傳播，提高譜線收集效率。本發(fā)明具有的有益效果是：(1)實(shí)現(xiàn)了雙脈沖激光誘導(dǎo)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(qiáng)提供了條件。(2)實(shí)現(xiàn)了對激光能量的實(shí)時監(jiān)測，有利于提高檢測技術(shù)的重復(fù)性。(3)可根據(jù)不同的樣品，調(diào)節(jié)透鏡與物體的距離以及激光能量，獲得最佳的信噪比。(4)具有可調(diào)參數(shù)多，調(diào)節(jié)簡單、精確、快速。(5)樣品臺通過空間限制增強(qiáng)譜線強(qiáng)度，能對等離子體橫向以及縱向進(jìn)行約束，提高譜線收集效率和譜線強(qiáng)度，能避免激發(fā)顆粒重新覆蓋到樣品表面，并平整樣品表面(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復(fù)性。附圖說明圖1為可調(diào)再加熱雙脈沖激光誘導(dǎo)擊穿光譜裝置的光路圖；圖2為樣品臺的結(jié)構(gòu)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(shí)施方式如圖1所示，一種可調(diào)再加熱雙脈沖激光誘導(dǎo)擊穿光譜裝置，包括第一激光器1，第二激光器2，倍頻發(fā)生器3，延時發(fā)生器4，能量衰減器5，激光能量實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)6，光路爬高系統(tǒng)7，探測器8，分光系統(tǒng)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(tǒng)13，樣本表面成像系統(tǒng)14。第一激光器1發(fā)出脈沖激光，經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)，擊打到樣本上，當(dāng)能量密度高于激發(fā)的閾值時形成等離子體，第二激光器2產(chǎn)生的激光對等離子進(jìn)行再次加熱，等離子體冷卻發(fā)出不同波長的特征譜線，經(jīng)由光纖收集系統(tǒng)13收集，經(jīng)過分光系統(tǒng)9，由探測器8探測，并在計算機(jī)15上顯示處理。光路爬高系統(tǒng)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激光反射鏡，1064nm處的反射率在98％以上。光纖收集系統(tǒng)13由光收集器和光纖組成。樣本表面成像系統(tǒng)14包括CCD相機(jī)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(shí)現(xiàn)方式，(1)1/2波片和分束鏡，(2)通過調(diào)節(jié)光束取樣鏡的角度，(3)利用中性密度濾波片對能量進(jìn)行衰減。樣品臺11由3個單自由度脈沖電動位移臺和電動旋轉(zhuǎn)臺組合實(shí)現(xiàn)。如圖2、圖3和圖4所示，樣品臺11包括齒條升降桿901，齒輪滑塊902，直角轉(zhuǎn)接板903，等離子體約束窗口904，圓柱導(dǎo)軌905，等離子體約束板906，V型滑塊907，組合電移臺909，拉桿910，約束腔911。組合電移臺909采用四自由度(x,y,z,w)組合電移臺，包括三個單自由度(x、y和z)脈沖電動位移臺和一個旋轉(zhuǎn)自由度(w)電動旋轉(zhuǎn)臺。齒條升降桿901豎直安裝在組合電移臺909上，齒輪滑塊902與齒條升降桿901嚙合，可沿垂直方向上下移動。直角轉(zhuǎn)接板903通過螺栓固定于齒輪滑塊902上，平面設(shè)有矩形的透光口，透光口邊緣設(shè)有支撐臺階，透光口內(nèi)設(shè)有透光板，形成等離子體約束窗口904。圓柱導(dǎo)軌905固定在組合電移臺909，等離子體約束板906可沿圓柱導(dǎo)軌905上下滑動。圓柱導(dǎo)軌905和齒條升降桿901均通過螺栓聯(lián)接于組合電移臺909上。組合電移臺909開有V型槽，V型滑塊907在拉桿910作用下可沿V型槽左右滑動，拉桿910通過螺紋固定于V型滑塊907內(nèi)。樣品908放置V型滑塊907(相當(dāng)于載物臺)上，激光從上方向下?lián)舸颍ㄟ^等離子體約束窗口904，并經(jīng)過等離子體約束板906，擊打到樣品表面，激發(fā)等離子體，冷卻發(fā)出特征譜線由光纖收集系統(tǒng)13收集。等離子體約束窗口904的材料為N-BK7，厚度為1-5mm，透過率大于90％，能量閾值大于10J/cm2。等離子體約束窗口904主要用于對等離子體縱向進(jìn)行約束，并對入射激光與等離子體產(chǎn)生的特征譜線具有較好的透射率。N-BK7是一種常見的光學(xué)玻璃，能夠透過350nm-2000nm波段的光，其激光的透射率大于90％，能量閾值大于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(jìn)行移動。譜線增強(qiáng)效果受到約束窗口離樣品距離的影響。由于樣品性質(zhì)和所要檢測的元素譜線強(qiáng)度不同，本發(fā)明的等離子體約束窗口904能在垂直方向進(jìn)行移動，根據(jù)需要調(diào)節(jié)譜線強(qiáng)度。在本實(shí)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(yīng)與組合電移臺909規(guī)劃位移相一致。等離子體約束板906主要用于對等離子體的橫向進(jìn)行約束，并使特征譜線進(jìn)行約束傳播，提高譜線收集效率和譜線強(qiáng)度，譜線強(qiáng)度增強(qiáng)范圍為2-10倍。在鋁板的約束腔911內(nèi)進(jìn)行鍍鉻，使內(nèi)腔具有較高的反射率，使特征譜線約束傳播，提高譜線收集效率。約束腔采用圓錐形結(jié)構(gòu)，由于其上小下大的結(jié)構(gòu)，比起圓柱型的結(jié)構(gòu)能更好得對等離子體進(jìn)行約束。另外，當(dāng)?shù)入x子體從圓錐形約束腔射出時，由于其空間約束加大，其電子密度與運(yùn)動速度均會得到增強(qiáng)，因此更加有利于譜線信號的增強(qiáng)。本發(fā)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(guī)劃位移相一致，能適用于激光誘導(dǎo)擊穿光譜面掃描的工作方式。本發(fā)明采用等離子體約束板906覆蓋樣品表面，有利于平整樣品表面提高重復(fù)性，避免激發(fā)顆粒污染其它待測區(qū)域。當(dāng)待測樣品為新鮮葉片等表面不平整樣品時，其待測區(qū)域與透鏡距離存在差異，進(jìn)而影響激光到達(dá)樣品的激光參數(shù)。激光誘導(dǎo)擊穿光譜的檢測穩(wěn)定性與待檢測區(qū)域的激光參數(shù)息息相關(guān)，因此平整樣品表面有利于固定激光參數(shù)提高檢測的重復(fù)性。此外，等離子體約束板906的上小下大圓錐形結(jié)構(gòu)有利于最大程度地避免由上一個檢測區(qū)域激發(fā)顆粒污染，保證所檢測對象為待檢測區(qū)域的元素。V型滑塊907在拉桿910作用下可沿V型槽移動，采用此V型滑塊導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，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(dǎo)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?？刂平M合電移臺909使等離子體約束板906的圓錐型約束腔911與上方激光的位置相對應(yīng)，設(shè)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(shù)。第一束激光B經(jīng)過光路系統(tǒng)，經(jīng)聚焦透鏡從上方向下傳播，穿過等離子體約束窗口904，并經(jīng)過圓錐形約束腔擊打樣品。等離子體約束窗口904的其激光透過率大于90％，能量閾值大于10J/cm2。第二束激光A沿垂直方向通過聚焦透鏡聚焦擊打到激發(fā)出的等離子體上，增強(qiáng)譜線信號。等離子體冷卻發(fā)出特征譜線C由上方的光纖收集系統(tǒng)13收集。每個位置可根據(jù)實(shí)際要求選擇所需擊打的次數(shù)，當(dāng)完成一個位置之后通過組合電移臺909移動進(jìn)行多個位置光譜采集。當(dāng)無等離子體約束窗口904和等離子體約束板906時，激發(fā)出的等離子體為自由激發(fā)狀態(tài)；當(dāng)對激發(fā)的等離子體進(jìn)行限制后，等離子體的密度增加，等離子體溫度升高，增強(qiáng)了激發(fā)原子的譜線強(qiáng)度。分光系統(tǒng)9為中階梯光柵光譜儀。延時發(fā)生器4控制第一激光器1和第二激光器2調(diào)Q觸發(fā)時間、氙燈開啟觸發(fā)時間和ICCD探測器8的門控時間。延時發(fā)生器4設(shè)置第一激光器1和第二激光器2調(diào)Q信號的觸發(fā)時間在氙燈信號觸發(fā)之后150±20μs。探測器門控開關(guān)開啟時間為第二激光器2調(diào)Q開關(guān)觸發(fā)之后1μs。激光能量實(shí)時監(jiān)測反饋系統(tǒng)6由熱電脈沖探頭61、第一分束鏡62、USB連接線以及計算機(jī)15組成。所要監(jiān)測的激光通過3：7分束鏡分出30％的激光能量，由熱電脈沖探頭接收，通過USB連接線連接到計算機(jī)，在專用軟件上實(shí)時顯示記錄激光的能量，用于后序數(shù)據(jù)分析。第一聚焦透鏡12和第二聚焦透鏡10安裝于沿光軸方向具有自由度的透鏡安裝架中，用于調(diào)節(jié)樣本與透鏡的距離，從而控制擊打到樣品上的激光參數(shù)。第一聚焦透鏡12和第二聚焦透鏡10選用N-BK7。本發(fā)明工作時，控制延時發(fā)生器4時序控制第一激光器1和第二激光器2燈信號和調(diào)Q信號觸發(fā)時間以及探測器8門控時間。第一激光器1和第二激光器2調(diào)Q信號的觸發(fā)在氙燈信號觸發(fā)之后150±20μs，探測器門控開關(guān)開啟時間為第二激光器2調(diào)Q開關(guān)觸發(fā)之后1μs。第一激光(1064nm)經(jīng)能量衰減器5對激光能量進(jìn)行衰減，依次經(jīng)過第一反射鏡72和第二反射鏡71，提升激光的光路；調(diào)節(jié)第二反射鏡71的反射鏡架使激光位于樣品上方，經(jīng)第三反射鏡73改變光路，向下傳播。激光經(jīng)由第一聚焦透鏡12聚焦到樣品表面，當(dāng)激光能量密度高于激發(fā)的閾值時，樣品產(chǎn)生等離子體。第二激光經(jīng)過能量衰減器5衰減，通過倍頻發(fā)生器3，激光頻率變?yōu)?32nm。調(diào)節(jié)樣品臺11高度使第二激光(532nm)出光口高于等離子體約束板906表面1±0.5mm。樣品臺11可根據(jù)樣品特性是否選用旋轉(zhuǎn)自由度。第二激光(532nm)經(jīng)過第二聚焦透鏡10聚焦，聚焦到激發(fā)出來的等離子體上，增強(qiáng)譜線信號。譜線通過光纖收集系統(tǒng)13收集，經(jīng)由分光系統(tǒng)9(中階梯光柵光譜儀)分光，由探測器8轉(zhuǎn)化為電信號，通過USB連接到計算機(jī)15中，在計算機(jī)15進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析，確定樣品中某種物質(zhì)的含量。