本發(fā)明涉及光譜測量系統(tǒng)領域，具體是一種多點雙焦同時激發(fā)的激光誘導擊穿光譜增強測量系統(tǒng)。

背景技術：

激光誘導擊穿光譜技術是一種元素快速分析手段，主要是基于激光與物質相互作用產生激光等離子體光譜，通過對特征譜線強度、位置及形狀等分析實現(xiàn)元素的定性與定量，具有分析簡便、無需樣品預處理、多元素同時測量等優(yōu)點，在環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)過程控制、生物醫(yī)學及材料分析等領域均有大量研究工作開展。

現(xiàn)有技術特征分析：

1.應用問題：目前存在穩(wěn)定性差、重復性差、檢測限高等應用問題，制約了該項技術的應用。

2.研究方法：由于激光等離子體發(fā)射持續(xù)時間較短，元素譜線強度較弱，尤其在液體樣品中；眾多研究學者開展了不同的激光等離子體光譜增強方法研究，如：雙脈沖激發(fā)、空間約束、磁約束、火花放電輔助、加緩沖氣體、液-固樣品轉化等，以實現(xiàn)光譜信號的高靈敏探測，提高測量的穩(wěn)定性與重復性，并降低檢測限。

3.作用方式：將高能量的激光脈沖聚焦后直接作用在被分析對象表面，無論是單脈沖還是雙脈沖，激光作用點僅為一個，如果被分析樣品不均勻，則測量數(shù)據的代表性較差，也導致了重復性變差，目前是通過掃描的方式即轉動樣品，進行不重復打點來降低樣品不均勻性。

4.能量利用：激光等離子體形成后，由于屏蔽效應，高能量的激光脈沖并不能得到充分利用，即隨著激光脈沖能量的增加，激光等離子體光譜強度并非線性增長，而是呈現(xiàn)出飽和趨勢。

5.能量耗散：單脈沖能量增加到一定程度之后，多余的能量則以熱的形式耗散，不僅使激光作用點的尺寸增大，而且將影響作用點周圍材料結構特性，對材料造成一定程度的破壞。

因此，發(fā)展激光誘導擊穿光譜測量新方法，充分利用激光脈沖能量，增強激光等離子體光譜發(fā)射強度，降低樣品不均勻性測量誤差，減小激光作用點周圍材料的影響，并增加激光等離子體光譜穩(wěn)定性，對激光誘導擊穿光譜技術的發(fā)展與應用將具有重要意義。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種多點雙焦同時激發(fā)的激光誘導擊穿光譜增強測量系統(tǒng)，以解決現(xiàn)有技術激光誘導擊穿光譜單點激發(fā)數(shù)據代表性差、高能激光脈沖不能充分利用以及對分析樣品產生較大尺寸破壞的問題。

為了達到上述目的，本發(fā)明所采用的技術方案為：

多點雙焦同時激發(fā)的激光誘導擊穿光譜增強測量系統(tǒng)，其特征在于：包括：

激光光源系統(tǒng)，其發(fā)射激光脈沖；

光束整形、分束及聚焦系統(tǒng)，其由光束整形部件、光束分束部件、光束聚焦部件構成，光束整形部件接收激光光源系統(tǒng)發(fā)射的激光脈沖，并對激光脈沖進行整形，光束分束部件將整形后的激光脈沖分束為多個子光束激光脈沖，光束聚焦部件將多個子光束激光脈沖同時聚焦成至少兩個相互平行的焦平面，每個焦平面上均具有多個聚焦點，其中一個或多個焦平面落在被測樣品表面以激發(fā)被測樣品產生激光等離子體光譜，另一個或多個焦平面落在被測樣品表面環(huán)境氣體中以同時激發(fā)環(huán)境氣體產生激光等離子體光譜，形成近似面源的多點雙焦同時激發(fā)的產生激光等離子體光譜發(fā)射；

激光等離子體收集與光纖傳輸系統(tǒng)，其收集近似面源的多點雙焦同時激發(fā)的產生激光等離子體光譜并通過光纖進行傳輸；

光譜分光與探測系統(tǒng)，其接收激光等離子體收集與光纖傳輸系統(tǒng)通過光纖傳輸?shù)男盘?，并對信號進行光譜分光和探測；

電路控制、數(shù)據采集與處理系統(tǒng)，其采集光譜分光與探測系統(tǒng)探測的分光光譜信號后，對分光光譜信號進行處理，且電路控制、數(shù)據采集與處理系統(tǒng)向激光光源系統(tǒng)發(fā)送控制觸發(fā)信號，以控制激光光源系統(tǒng)發(fā)射激光脈沖。

所述的多點雙焦同時激發(fā)的激光誘導擊穿光譜增強測量系統(tǒng)，其特征在于：光束分束部件采用衍射光學器件，優(yōu)選分束光柵，光束分束部件將激光光源系統(tǒng)發(fā)射的激光脈沖分為多個束能量和光學特性相同的子光束激光脈沖。

所述的多點雙焦同時激發(fā)的激光誘導擊穿光譜增強測量系統(tǒng)，其特征在于：光束聚焦部件采用衍射光學器件，可為雙焦距透鏡，或者多焦點透鏡；

當光束聚焦部件為雙焦距透鏡時，其產生兩個相互平行的焦平面，每個焦平面上均具有多個聚焦點，其中一個焦平面落在被測樣品表面以激發(fā)被測樣品產生激光等離子體光譜，另一個焦平面落在被測樣品表面環(huán)境氣體中以同時激發(fā)環(huán)境氣體產生激光等離子體光譜；

當光束聚焦部件為多焦點透鏡時，其產生多個相互平行的焦平面，每個焦平面上均具有多個聚焦點，其中部分焦平面落在被測樣品表面以激發(fā)被測樣品產生激光等離子體光譜，其余焦平面落在被測樣品表面環(huán)境氣體中以同時激發(fā)環(huán)境氣體產生激光等離子體光譜。

所述的多點雙焦同時激發(fā)的激光誘導擊穿光譜增強測量系統(tǒng)，其特征在于：相鄰焦平面之間的距離、各焦點的激光脈沖能量大小根據被分析對象材質與激光脈沖特性進行設計。

所述的多點雙焦同時激發(fā)的激光誘導擊穿光譜增強測量系統(tǒng)，其特征在于：每個焦平面上聚焦點的分布形狀根據激發(fā)需要設計。

本發(fā)明測量原理：本發(fā)明將單束高能激光脈沖經分束器分束為多個子光束激光脈沖，子光束激光脈沖經雙焦距聚焦透鏡后作用于被分析對象及其表面環(huán)境氣體，在被分析對象表面及其環(huán)境氣體中同時產生多點激光等離子體光譜發(fā)射，其中環(huán)境氣體的激發(fā)是為被分析對象激光等離子體提供釋放通道，增強被分析對象激光等離子體發(fā)射強度并延長發(fā)射時間，通過接收多點同時激發(fā)的被分析對象激光等離子體光譜，實現(xiàn)激光誘導擊穿光譜的增強測量。

本發(fā)明不僅增大了激光等離子體發(fā)射面積，縮小了單束高能激光脈沖單點作用創(chuàng)面，增強了激光等離子體發(fā)射強度，而且增加了樣品數(shù)據代表性和光譜穩(wěn)定性，降低了樣品不均勻性與單束高能激光脈沖單點作用對光譜重復性和材料結構特性的影響，適用于激光誘導擊穿光譜技術在不同測量領域中的應用。

與已有技術相比，本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在：

(1)多點同時激發(fā)僅將單束激光脈沖分為多個子光束(脈沖能量劃分)，不需要多臺激光器；

(2)各子光束與原單束激光脈沖保持相同的光學特性，僅按一定角度分開并同時聚焦；

(3)采用雙焦距聚焦透鏡將各子光束匯焦，形成兩個距離很近(根據需要設定)且平行的焦面，其中一個焦面在被測樣品表面(激發(fā)被測樣品)，另一個焦平面在樣品表面環(huán)境氣體中(激發(fā)環(huán)境氣體)；

(4)在被測樣品焦面產生多個聚焦作用點同時激發(fā)被分析樣品，形成近似面源發(fā)射的激光等離子體，增大了光譜發(fā)射區(qū)域；在樣品表面環(huán)境氣體焦面激發(fā)環(huán)境氣體，形成被測樣品激光等離子體釋放通道，增強了樣品激光等離子體發(fā)射強度并延長了發(fā)射時間；

(5)近似面源多點雙焦同時激發(fā)，降低了樣品不均勻性帶來的測量誤差，增加了激光等離子體光譜測量的穩(wěn)定性與重復性；

(6)單束高能激光脈沖能夠得到充分利用，各子光束激發(fā)產生的激光等離子體強度之和(每束激光脈沖能量/峰值功率超過被分析對象擊穿閾值)大于單束高能激光脈沖激發(fā)產生等離子體強度，提高了測量的靈敏度；

(7)分束后每束激光脈沖作用點尺寸減小，對被分析材料結構特性影響顯著降低；

(8)分束數(shù)目、雙焦點軸向間距及焦平面作用區(qū)域大小均可根據不同測量需求設計，適用于激光誘導擊穿光譜技術在不同測量領域中的應用。

附圖說明

圖1為本發(fā)明系統(tǒng)原理框圖。

圖2為本發(fā)明光束整形、分束及聚焦光路示意圖。

圖3為本發(fā)明分束后激光脈沖聚焦作用點示意圖。

圖4為具體實施方式中分束前后土壤樣品激光等離子體發(fā)射強度示意圖

具體實施方式

如圖1所示，本發(fā)明系統(tǒng)包括激光光源系統(tǒng)1；光束整形、分束及聚焦系統(tǒng)2，其由光束整形部件2-1，光束分束部件2-2，光束聚焦部件2-3構成；激光等離子體收集與光纖傳輸系統(tǒng)4；光譜分光與探測系統(tǒng)5；電路控制、數(shù)據采集與處理系統(tǒng)6。

測量過程：整個裝置的測量過程與常規(guī)激光誘導擊穿光譜測量相同。即：開始與結束控制指令由電路控制、數(shù)據采集與處理系統(tǒng)6發(fā)出，首先激光光源系統(tǒng)1根據接收到的控制觸發(fā)信號發(fā)射激光脈沖，經過光束整形、分束及聚焦系統(tǒng)2將分束聚焦后的激光脈沖作用于被測樣品3，形成近似面源的激光等離子體，激光等離子體收集與光纖傳輸系統(tǒng)4將近似面源發(fā)射的激光等離子體收集，并通過光纖傳輸至光譜分光與探測系統(tǒng)5，在電路控制、數(shù)據采集與處理系統(tǒng)6的延時采集觸發(fā)信號控制下，實現(xiàn)光譜信號的數(shù)據采集與處理。

本發(fā)明與常規(guī)激光誘導擊穿光譜測量不同的是光束整形、分束及聚焦系統(tǒng)2和作用于被測樣品3上的激光脈沖激發(fā)點數(shù)目，示意圖分別如圖2和圖3所示。

常規(guī)激光誘導擊穿光譜測量是將單束高能激光脈沖經光束整形部件2-1與光束聚焦部件2-3或直接經光束聚焦部件2-3聚焦后作用至被測樣品3，聚焦部件為單焦透鏡，聚焦作用點為一個。

本發(fā)明是將單束高能激光脈沖經光束整形部件2-1、光束分束部件2-2和光束聚焦部件2-3聚焦后作用至被測樣品3，重點在于：①光束分束部件2-2可將單束高能激光脈沖分為若干束能量與光學特性相同的子光束，且子光束按一定角度分開；②光束聚焦部件2-3為雙焦距透鏡，將各子光束同時聚焦至兩個焦平面，并同時作用于被測樣品3和環(huán)境氣體，產生多點同時激發(fā)，形成近似面源激光等離子體光譜發(fā)射；光束整形部件2-1是為了勻化單束高能激光脈沖。雙焦距透鏡兩個焦點之間的距離和各焦點的激光脈沖能量大小可以根據被分析對象材質與激光脈沖特性等進行設計，也可以根據需求設計多焦點透鏡。

圖3中各圓圈為示意的子光束激光脈沖聚焦作用點。分束后激光脈沖聚焦點分布可以設計為m行×n列分布，也可以設計為圓形分布，以及根據激發(fā)需要的任意形狀分布，每個子光束激光脈沖聚焦點之間的距離可以根據被分析對象材質、激光脈沖特性以及光束分束與聚焦系統(tǒng)參數(shù)等進行設計。

多個光束同時聚焦多點激發(fā)可以由多個激光器共同實現(xiàn)，也可以由相對較少數(shù)量的激光器經過復雜的分光器件合作完成。本發(fā)明方法實現(xiàn)中，光束分束部件2-2和光束聚焦部件2-3均采用衍射光學器件，將單束高能激光脈沖分束并形成雙焦平面，具有結構緊湊、體積小、效率高等特點。

根據本發(fā)明中提出的面源多點雙焦同時激發(fā)的激光誘導擊穿光譜增強測量方法及裝置，在實驗室中有效地實現(xiàn)了水體/土壤/固體廢棄物/合金等樣品的激光等離子體光譜測量。分析結果表明，激光等離子體發(fā)射強度整體得到增強，激光作用創(chuàng)面減小，光譜數(shù)據穩(wěn)定性與重復性大幅提高，樣品不均勻性測量誤差降低，元素測量靈敏度提高，樣品激光作用點熱效應影響減弱。舉例如表1所示：

表1采用本發(fā)明測量的結果分析表

土壤樣品激光等離子體發(fā)射強度隨激光脈沖能量變化關系如圖4所示。從圖4可以看出，激光分束前隨著脈沖能量的增加，激光誘導等離子體發(fā)射強度并未隨之線性增強，這是由于激光等離子體形成后的屏蔽效應，導致高能量的激光脈沖并不能得到充分利用，從而激光誘導等離子體呈現(xiàn)出飽和趨勢；分束后各子光束激發(fā)產生的激光等離子體強度之和與激光能量之間呈現(xiàn)了較好的線性關系，因為分束后的各子光束(每束激光脈沖能量/峰值功率超過被分析對象擊穿閾值)有效克服了單束高能激光應用中的飽和問題，有效提高了單束高能激光脈沖利用率。