本實用新型屬于元素光譜分析技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種反射式同軸結(jié)構(gòu)激光誘導(dǎo)擊穿光譜分析裝置。

背景技術(shù)：

激光誘導(dǎo)擊穿光譜分析技術(shù)被廣泛應(yīng)用于地球污染、地質(zhì)研究、工業(yè)制造等領(lǐng)域，可對元素進行定性和定量分析，如用于金屬合金分析、核廢料處理、生物醫(yī)學(xué)、食品安全研究、重金屬污染檢測、空氣環(huán)境監(jiān)控等。激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)是一種以激光作為激發(fā)源誘導(dǎo)產(chǎn)生激光等離子體的原子發(fā)射光譜分析方法，基于激光與物質(zhì)相互作用和光譜學(xué)的元素成分和濃度分析技術(shù)，通過將一束高能量短脈沖的激光束聚焦到待檢測的樣品上，產(chǎn)生高溫高密度且由自由電子、離子和原子組成的激光等離子體，然后對等離子體輻射光譜進行分析得到檢測結(jié)果。

現(xiàn)有的激光誘導(dǎo)擊穿光譜分析裝置通常為采用透射式非同軸結(jié)構(gòu)，即激光聚焦或光譜收集元件為透射式光學(xué)元件，且激發(fā)光路和信號光路非同軸。如圖1所示，激光器R1發(fā)出的高能量短脈沖激光通過透鏡R2聚焦到測試樣品R3表面產(chǎn)生高溫高壓的激光等離子體，該等離子體的原子特征光譜，經(jīng)過準(zhǔn)直器R4耦合入光纖R5，最終傳輸至光譜儀R6；通過軟件對采集到的特征光譜進行分析，計算出元素的成分和含量。

現(xiàn)有的透射式非同軸結(jié)構(gòu)激光誘導(dǎo)擊穿光譜分析裝置還存在如下缺陷：1.原子發(fā)射光譜的范圍一般在200~800nm，采用透射元件作為寬光譜收集元件難以消除色差，使各波長光譜收集效率不一致，同時寬光譜復(fù)消色差元件的價格高昂，加大了儀器成本；2. 激發(fā)光路和收集光路非同軸的設(shè)置限制了采集光譜的接收面積，降低了激光等離子體半球發(fā)射光譜的利用率，以至于需要更高能量的激光器，大幅提高了儀器的成本。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服前述現(xiàn)有技術(shù)中透射式非同軸結(jié)構(gòu)激光誘導(dǎo)擊穿光譜分析裝置存在的缺陷，本實用新型實施例提供了具有反射式同軸結(jié)構(gòu)的激光誘導(dǎo)擊穿光譜分析裝置，可極大的提高光譜收集效率。

為解決上述技術(shù)問題，本實用新型的實施例提供的激光誘導(dǎo)擊穿光譜分析裝置，包括激光器、載物臺、光譜儀、分束單元和第一離軸拋物面鏡；所述激光器出射的激發(fā)光沿激發(fā)光路聚焦于所述載物臺放置的待測樣品表面，所述待測樣品發(fā)出的信號光沿信號光路返回并導(dǎo)入所述光譜儀；所述激發(fā)光和信號光在所述分束單元與所述待測樣品之間光路同軸且傳播方向相反；自所述分束單元出射的準(zhǔn)直的激發(fā)光經(jīng)第一離軸拋物面鏡反射后可聚焦于所述待測樣品表面，所述信號光經(jīng)第一離軸拋物面鏡反射后準(zhǔn)直入射所述分束單元；自所述分束單元出射的信號光與激發(fā)光分束。

優(yōu)選地，所述裝置還包括主機，所述主機分別連接所述激光器和光譜儀，所述激光器和光譜儀通過所述主機實現(xiàn)互連。

優(yōu)選地，所述裝置還包括連接所述光譜儀的光纖，自所述分束單元出射的信號光聚焦并耦合入所述光纖，所述光纖將耦合的所述信號光導(dǎo)入所述光譜儀。

優(yōu)選地，所述激光器為Nd:YAG脈沖激光器，所述激發(fā)光波長為1064nm，所述信號光波長200~800nm。

優(yōu)選地，所述激光器和所述分束單元之間的所述激發(fā)光路中設(shè)置有激光擴束鏡。

優(yōu)選地，所述激光器和所述分束單元之間所述激發(fā)光路中設(shè)置用于偏轉(zhuǎn)光路的光束偏轉(zhuǎn)單元；進一步優(yōu)選地，所述光束偏轉(zhuǎn)單元可以是一個或多個平面反射鏡。

優(yōu)選地，所述分束單元為二向色鏡或帶孔的平面反射鏡；所述二向色鏡將入射的所述激發(fā)光與信號光分束；所述激發(fā)光從所述帶孔的平面反射鏡的通孔中穿過，沿信號光路返回的所述信號光在通孔之外的反射面反射；進一步優(yōu)選地，所述裝置還包括第二離軸拋物面鏡，所述第二離軸拋物面鏡將自所述分束單元出射的準(zhǔn)直的信號光反射聚焦并導(dǎo)入所述光譜儀。

作為二向色鏡的優(yōu)選，其對所述激發(fā)光高反且對所述信號光高透，或?qū)λ黾ぐl(fā)光高透且對所述信號光高反。

作為分束單元的另一優(yōu)選，所述分束單元為帶孔的離軸拋物面鏡；所述激發(fā)光從所述帶孔的離軸拋物面鏡的通孔中穿過，沿信號光路返回的所述信號光在通孔之外的反射面反射聚焦并導(dǎo)入所述光譜儀。

本實用新型實施例的上述技術(shù)方案的有益效果為：

1. 激發(fā)光路和信號光路反射式同軸的結(jié)構(gòu)使激光誘導(dǎo)擊穿光譜分析裝置能消除寬帶光譜收集時的色差、增大光譜接收面積，從而極大地提高了儀器的光譜收集效率；

2. 激光誘導(dǎo)擊穿光譜分析裝置采用激光擴束鏡，可增大傳輸激光的束腰直徑，可縮小激光的遠(yuǎn)場發(fā)散角，再經(jīng)由聚焦元件匯聚，可獲得更小的焦斑尺寸，從而具有更高的激光功率密度，更容易激發(fā)局部的激光等離子體；

3. 無需使用寬光譜復(fù)消色差元件，且使用較低能量的激光器即可滿足需要，可大大節(jié)約設(shè)備成本。

附圖說明

圖1是現(xiàn)有技術(shù)透射式非同軸結(jié)構(gòu)的激光誘導(dǎo)擊穿光譜分析裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本實用新型實施例一提供的激光誘導(dǎo)擊穿光譜分析裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本實用新型實施例二提供的激光誘導(dǎo)擊穿光譜分析裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本實用新型實施例三提供的激光誘導(dǎo)擊穿光譜分析裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

［主要元件符號說明］

R1-激光器；R2-透鏡；R3-測試樣品；R4-準(zhǔn)直器；R5-光纖；R6-光譜儀；

1-主機；2-激光器；3-激光擴束鏡；4-第一平面反射鏡；5-第二平面反射鏡；6-二向色鏡；7-第一離軸拋物面鏡；8-位移平臺；9-樣品；10-第二離軸拋物面鏡；11-光纖；12-光譜儀；13-帶孔的平面反射鏡；14-帶孔的離軸拋物面鏡。

具體實施方式

為使本實用新型要解決的技術(shù)問題、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合附圖及具體實施例進行詳細(xì)描述。

本實用新型實施例針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，提供了激發(fā)光路和信號光路反射式同軸的激光誘導(dǎo)擊穿光譜分析裝置，可消除寬帶光譜收集時的色差，提升光譜收集效率，并可節(jié)約設(shè)備成本。

實施例一：

如圖2所示，本實施例反射式同軸結(jié)構(gòu)激光誘導(dǎo)擊穿光譜分析裝置包括：主機1、激光器2、激光擴束鏡3、第一平面反射鏡4、第二平面反射鏡5、分束單元、第一離軸拋物面鏡7、載物臺8、待測樣品9、第二離軸拋物面鏡10、光纖11和光譜儀12；主機1分別與激光器2和光譜儀12相連，在激光器2與光譜儀12之間實現(xiàn)信號連接，主機1負(fù)責(zé)控制激光器2與光譜儀12動作，并分析采集到的光譜數(shù)據(jù)；激光器2出射的激發(fā)光沿激發(fā)光路聚焦于載物臺8放置的待測樣品9表面，待測樣品9發(fā)出的信號光沿信號光路返回并聚焦耦合入光纖11，光纖11連接光譜儀12，將耦合入光纖11的信號光導(dǎo)入光譜儀12；激發(fā)光和信號光在分束單元與待測樣品9之間光路同軸且傳播方向相反；自分束單元出射的準(zhǔn)直的激發(fā)光經(jīng)第一離軸拋物面鏡7反射后可聚焦于待測樣品9表面，所述信號光經(jīng)第一離軸拋物面鏡7反射后準(zhǔn)直入射分束單元，分束單元出射的信號光與激發(fā)光分束。

本實施例中激光器2采用Nd:YAG脈沖激光器，產(chǎn)生波長為1064nm的短脈沖高能激光；本實施例分束單元使用二向色鏡6，將入射的準(zhǔn)直激發(fā)光和經(jīng)第一離軸拋物面鏡7反射后返回的準(zhǔn)直的信號光分離。具體的裝置結(jié)構(gòu)與工作方式如下：

主機1發(fā)出工作指令到激光器2的控制模塊，激光器2開始工作產(chǎn)生波長為1064nm的短脈沖高能激光，同時可以輸出同步電信號到光譜儀12；

本實施例中，作為激發(fā)光的激光束通過激光擴束鏡3，用來擴大傳輸激光的直徑以縮小其聚焦在樣品表面的焦斑尺寸，激光擴束鏡3可位于激光器2和二向色鏡6之間的任意位置，根據(jù)實際情況，如擴束并不必要，激發(fā)光路中也可以移除激光擴束鏡；根據(jù)實際光路設(shè)計，激光擴束鏡3和二向色鏡6之間可設(shè)置光束偏轉(zhuǎn)單元偏轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)光路，本實施例中，光束偏轉(zhuǎn)單元為反射鏡，包括第一平面反射鏡4和第二平面反射鏡，二反射鏡組合將激發(fā)光路180度翻折，使激發(fā)光入射后端的二向色鏡6，激發(fā)光路翻轉(zhuǎn)可使元件排列更加緊湊，有利于減小裝置整體尺寸；二向色鏡6設(shè)置為可以高效地透過1064nm的激發(fā)光并反射200~800nm的光譜信號光，考慮到光學(xué)鍍膜的可行性，本實施例中的二向色鏡6也可以設(shè)計成相反的透射反射模式，即反射1064nm的激發(fā)光并透射200~800nm的信號光；本實施例中，激發(fā)光入射向色鏡6的入射角設(shè)為45度，如圖2分束后的激發(fā)光和信號光相互垂直，光束分離程度最大；

通過適當(dāng)?shù)倪x擇設(shè)置第一離軸拋物面鏡7，使經(jīng)二向色鏡6分束出射的準(zhǔn)直的激發(fā)光經(jīng)由第一離軸拋物面鏡7鏡面反射后聚焦至載物臺8承載的待測樣品9表面，使待測樣品9產(chǎn)生激光等離子體，同時激發(fā)出原子光譜輻射的信號光；該信號光沿激發(fā)光的逆向光路經(jīng)過第一離軸拋物面鏡7反射時沒有色差，仍以準(zhǔn)直光出射，再經(jīng)過二向色鏡6，并由第二離軸拋物面鏡10反射后，無色差地會聚到光纖11中；激光經(jīng)第一離軸拋物面鏡7聚焦到樣品表面后，產(chǎn)生的等離子光譜輻射經(jīng)第一離軸拋物面鏡7準(zhǔn)直并返回，不會因波長不一致產(chǎn)生的色差而導(dǎo)致焦點位置不同。同樣，通過適當(dāng)?shù)倪x擇設(shè)置第二離軸拋物面鏡10，可使二向色鏡6出射的準(zhǔn)直的信號光經(jīng)第二離軸拋物面鏡10鏡面反射后會聚耦合至光纖中，波長不一致的寬光譜可以聚焦于同一位置。

光纖11和第二離軸拋物面鏡10的數(shù)值孔徑應(yīng)當(dāng)基本匹配，以最高效地收集信號光并將信號光導(dǎo)入光譜儀12；光譜儀12收到激光器2發(fā)出的同步電信號后，加以一定時間的延遲后打開快門曝光，可獲得待測樣品9等離子體發(fā)出的原子光譜圖；通過主機1處理獲得的原子光譜圖，可得知待測樣品9中元素的成分以及各元素的含量。

實施例二：

圖3所示為本實施例反射式同軸結(jié)構(gòu)激光誘導(dǎo)擊穿光譜分析裝置，該裝置與實施例一的主要區(qū)別在于，使用帶孔平面反射鏡13代替二向色鏡6來實現(xiàn)激發(fā)光和信號光的分離，具體如下：

作為激發(fā)光的激光束通過激光擴束鏡3后，再經(jīng)過第一平面反射鏡4和第二平面反射鏡5翻折調(diào)節(jié)，使激光入射后端的帶孔平面反射鏡13；帶孔平面反射鏡13設(shè)置為通孔剛好透過1064nm的激發(fā)光，并利用通孔外的面積反射200~800nm的光譜信號光，實現(xiàn)了激發(fā)光和信號光的分離；分離出的激發(fā)光聚焦至待測樣品9表面產(chǎn)生激光等離子體，同時發(fā)出原子光譜輻射的信號光；該信號光沿激發(fā)光的逆向光路依次經(jīng)過第一離軸拋物面鏡7和帶孔平面反射鏡13，并由第二離軸拋物面鏡10無色差地會聚到光纖11中，再將信號光導(dǎo)入光譜儀12獲得待測樣品9激發(fā)的等離子體發(fā)出的原子光譜圖。

本實施例光譜的收集效率雖然較實施例一略有降低，但較傳統(tǒng)的非同軸光路，本實施例裝置的光譜收集效率仍然很高。

實施例三：

圖4所示為本實施例反射式同軸結(jié)構(gòu)激光誘導(dǎo)擊穿光譜分析裝置，該裝置與實施例二的主要區(qū)別在于，使用帶孔離軸拋物面鏡14代替帶孔平面反射鏡13來實現(xiàn)激發(fā)光和信號光的分離，同時可省去第二離軸拋物面鏡10，具體如下：

作為激發(fā)光的激光束通過激光擴束鏡3后，再經(jīng)過第一平面反射鏡4和第二平面反射鏡5翻折調(diào)節(jié)，使激光入射后端的帶孔離軸拋物面鏡14；帶孔離軸拋物面鏡14設(shè)置為通孔剛好透過1064nm的激發(fā)光，并利用通孔外的面積反射200~800nm的光譜信號光，實現(xiàn)了激發(fā)光和信號光的分離，同時孔外的面積對信號光具有會聚作用，因此可省去用于會聚信號光的額外設(shè)置的第二離軸拋物面鏡；分離的激發(fā)光聚焦至待測樣品9表面產(chǎn)生激光等離子體，同時發(fā)出原子光譜輻射的信號光；信號光沿激發(fā)光的逆向光路依次經(jīng)過第一離軸拋物面鏡7和帶孔平面反射鏡13，無色差地會聚耦合至光纖11中，通過光纖11將信號光導(dǎo)入光譜儀12獲得待測樣品9激發(fā)的等離子體發(fā)出的原子光譜圖。

本實施例采用帶孔離軸拋物面鏡14代替帶孔平面反射鏡13和第二離軸拋物面鏡，可簡化裝置結(jié)構(gòu)。

前述本實用新型實施例中采用激光擴束鏡3增大傳輸激光的束腰直徑，縮小了激光的遠(yuǎn)場發(fā)散角，再經(jīng)由聚焦元件匯聚，可以獲得更小的焦斑尺寸，從而具有更高的激光功率密度，更容易激發(fā)局部的激光等離子體。

前述本實用新型實施例中的第一離軸拋物面鏡7、第二離軸拋物面鏡10和帶孔離軸拋物面鏡14，采用反射式的聚焦和準(zhǔn)直元件，可避免因光譜中不同波長光線的折射率差異而導(dǎo)致的色差，從而提高原子光譜信號光的收集效率，提高系統(tǒng)的靈敏度；激光經(jīng)第一離軸拋物面鏡7聚焦到樣品表面后，激發(fā)的等離子光譜輻射產(chǎn)生的信號光經(jīng)第一離軸拋物面鏡7準(zhǔn)直并返回，不會因波長不一致產(chǎn)生的色差而導(dǎo)致焦點位置不同；同理，信號光在第二離軸拋物面鏡10和帶孔離軸拋物面鏡14會聚到光纖11中時，波長不一致的寬光譜依然可以聚焦于同一位置。

對于上述的本實用新型的實施例，方案中公知的具體結(jié)構(gòu)及特性等常識未作過多描述；各實施例采用遞進的方式描述，各實施例中所涉及到的技術(shù)特征在彼此之間不構(gòu)成沖突的前提下可以相互組合，各實施例之間相同相似部分互相參見即可。

在本實用新型的描述中，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語“上”、“下”、“前”、“后”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本實用新型和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，不應(yīng)理解為對本實用新型的限制；術(shù)語 “相連”、“連接”應(yīng)做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內(nèi)部的連通；此外，術(shù)語“第一”、“第二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以具體情況理解上述術(shù)語在本實用新型中的具體含義。

以上所述是本實用新型的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本實用新型所述原理的前提下，還可以作出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng)視為落入本實用新型的保護范圍。