本實用新型涉及激光誘導擊穿光譜分析技術(shù)，具體涉及一種用于激光誘導擊穿光譜分析的多模式熒光收集系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

激光誘導擊穿光譜(LIBS)通過強脈沖激光燒蝕樣品表面激發(fā)出等離子體，然后收集等離子體釋放的熒光，通過對熒光光譜的分析可以定性甚至定量地探測樣品所包含的元素成分以及含量，因此激光誘導擊穿光譜分析是一種可以對樣品可探測的所有元素同時分析的測量技術(shù)，近年來國內(nèi)外對其研究和應(yīng)用的研發(fā)都保有濃厚的興趣。LIBS技術(shù)非常適合于需要對元素組成復雜的樣品進行快速測量分析的應(yīng)用場合，在鋼鐵、礦石等分析領(lǐng)域已經(jīng)有了很多研究進展和相關(guān)應(yīng)用。相比于傳統(tǒng)分析方法，LIBS具有快速、原位測量、多元素分析等優(yōu)點，可以進行對生產(chǎn)線上的產(chǎn)品的元素成分和工業(yè)指標進行智能、快速的監(jiān)測分析，對提高生產(chǎn)效率有很大幫助，有很大的應(yīng)用價值。

顯然，在激光誘導擊穿光譜分析中，對等離子體釋放的熒光如何實現(xiàn)高效率、穩(wěn)定的收集恰是系統(tǒng)良好運行甚至分析成功與否的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的熒光收集主要是旁軸收集的方法。該方法盡管結(jié)構(gòu)簡單，但是由于熒光具有方向任意、能量不均勻等特點，這就對收集裝置的收集角度、收集距離等參數(shù)很明感，任何一個參數(shù)的變化都有可能給收集到的光譜帶來很大的波動，這就嚴重影響到隨后的分析結(jié)果的穩(wěn)定性，對定量分析的結(jié)果就可能造成嚴重的偏差甚至是錯誤。所以如何改進或設(shè)計新型、穩(wěn)定、高效的熒光收集系統(tǒng)就成為激光誘導擊穿光譜分析真的關(guān)鍵。

激光誘導擊穿光譜應(yīng)用于煤質(zhì)分析，由于煤礦、火力發(fā)電廠、選煤廠、煤炭儲運銷售等廠礦企業(yè)都需要對煤質(zhì)進行化驗分析，因而每家都建有煤質(zhì)分析化驗室。目前大都是采用傳統(tǒng)常規(guī)的測試技術(shù)，煤質(zhì)化驗室基本需要配備有水分儀、灰分儀、硫儀、量熱儀等設(shè)備。同時，煤炭業(yè)的持續(xù)下滑導致該行業(yè)競爭更加激烈，產(chǎn)品價格持續(xù)走低，煤炭產(chǎn)品多元化、多層次化、個性化發(fā)展趨勢明顯，品種日益增多，測量指標要求日益精細化、快速化和智能化。因此采用操作更簡單、測試更快捷的煤質(zhì)分析測試儀器對于煤炭企業(yè)來說迫在眉睫。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對以上現(xiàn)有技術(shù)問題中存在的問題，本實用新型提出了一種多模式熒光收集系統(tǒng)，對傳統(tǒng)旁軸收集方式的角度、距離難以確定進行改進得到的旁軸收集模式，以及自主設(shè)計的橢球面同軸收集模式，解決了傳統(tǒng)的熒光收集系統(tǒng)收集效率低以及對擾敏感的缺點。

本實用新型的多模式熒光收集系統(tǒng)包括：第一熒光收集裝置、第二熒光收集裝置、光譜儀、電動調(diào)節(jié)架和橢球面收集透鏡；其中，第一熒光收集裝置設(shè)置在電動調(diào)節(jié)架上，電動調(diào)節(jié)架位于激光束與樣品的軸線的旁側(cè)；橢球面收集透鏡位于激光束與樣品的軸線上，正對著樣品表面；樣品位于橢球面收集透鏡的一個焦點上，第二熒光收集裝置位于橢球面收集透鏡的另一個焦點上；多模式熒光收集系統(tǒng)具有旁軸收集模式、同軸收集模式以及二者相結(jié)合的復合收集模式三種模式；在旁軸收集模式中，光譜儀通過輸入光纖連接至第一熒光收集裝置，激光束入射到樣品上，產(chǎn)生的熒光由位于樣品的旁側(cè)的一個角度的第一熒光收集裝置收集，電動調(diào)節(jié)架自動精密調(diào)節(jié)熒光收集裝置對樣品的俯仰角，以熒光譜線的強度達到最強的角度為收集角；在同軸收集模式中，光譜儀通過輸入光纖連接至第二熒光收集裝置，激光透過橢球面收集透鏡入射到位于一個焦點上的樣品上，產(chǎn)生的熒光經(jīng)橢球面收集透鏡反射匯聚到位于另一個焦點上的第二熒光收集裝置，由第二熒光收集裝置收集；在復合收集模式中，光譜儀通過兩根輸入光纖分別連接至第一和第二熒光收集裝置，第一熒光收集裝置旁軸收集熒光，同時第二熒光收集裝置同軸收集熒光。

電動調(diào)節(jié)架采用壓電陶瓷，第一熒光收集裝置設(shè)置在壓電陶瓷上，通過壓電陶瓷的伸縮，精密地調(diào)節(jié)第一熒光收集裝置對樣品的俯仰角，使得光譜儀上測得的熒光譜線的強度達到最強，停止電動調(diào)節(jié)架，以此時的角度作為旁軸收集模式的收集角。

橢球面收集透鏡的形狀為截取橢球面中的一塊。

本實用新型的多模式熒光收集系統(tǒng)是將傳統(tǒng)的旁軸收集模式進行改進，并與同軸收集方式相接受，形成了一種可以根據(jù)測量需求進行模式選擇的銀熒光收集系統(tǒng)；依據(jù)所需要的測量程度選擇不同的工作模式：如果僅僅需要定量地分析樣品的元素成分，選擇旁軸收集模式；如果不僅需要知道元素成分而且需要定量知道每一種元素的含量，則選擇同軸收集模式，或者兩種模式相結(jié)合的復合模式。

本實用新型的優(yōu)點：

本實用新型具有旁軸收集模式、同軸收集模式以及二者相結(jié)合的復合收集模式三種模式；改進的旁軸收集模式采用熒光收集裝置設(shè)置在電動調(diào)節(jié)架上，具有結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)節(jié)容易，便于快速、定性地對樣品元素成分分析；同軸收集模式采用橢球面收集透鏡，熒光收集裝置和樣品分別位于橢球面收集透鏡的一個焦點上，橢球面收集透鏡具有收集角度不敏感、收集距離固定的優(yōu)點，從而使收集的光譜重復性好，便于定量分析樣品的元素成分；不同種收集模式進行模塊化設(shè)計，結(jié)構(gòu)緊湊，便于模式切換；優(yōu)化收集光路，兩種收集模式可以根據(jù)測量需求任意切換并且能進行靈活組合。

附圖說明

圖1為本實用新型的多模式熒光收集系統(tǒng)的旁軸收集模式的原理示意圖；

圖2為本實用新型的多模式熒光收集系統(tǒng)的橢球面收集透鏡的原理圖；

圖3為本實用新型的多模式熒光收集系統(tǒng)的同軸收集模式的原理示意圖；

圖4為本實用新型的多模式熒光收集系統(tǒng)的復合收集模式的一個實施例的示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖，通過具體實施例，進一步闡述本實用新型。

多模式熒光收集系統(tǒng)采用旁軸收集模式的原理如圖1所示，熒光收集裝置設(shè)置在電動調(diào)節(jié)架上，電動調(diào)節(jié)架放置在激光束與樣品的軸線的旁側(cè)，激光束入射到樣品上，產(chǎn)生的熒光由位于樣品的旁側(cè)的一個角度的熒光收集裝置收集，電動調(diào)節(jié)架自動精密調(diào)節(jié)熒光收集裝置對樣品的俯仰角，以熒光譜線的強度達到最強的角度為收集角。圖1中，前面部分主要用于對激光束進行擴束準直再聚焦處理，從激光器輸出半徑為ω₁的光束經(jīng)第一和第二透鏡L₁和L₂擴束準直后，得到半徑為ω₂的良好準直光束，再經(jīng)過第三透鏡L₃聚焦后，經(jīng)全反射鏡M反射后垂直打到樣品的表面激發(fā)等離子體，等離子體釋放的熒光經(jīng)收集裝置收集后進入光譜儀S進行后期數(shù)據(jù)分析處理。

如圖2所示，橢球面收集透鏡為截取橢球面的一塊，從一個焦點發(fā)出的光，經(jīng)橢球面收集透鏡后匯聚到另一個焦點。

多模式熒光收集系統(tǒng)采用同軸收集模式的原理如圖3所示，熒光收集裝置、光譜儀S和橢球面收集透鏡E：橢球面收集透鏡位于激光束與樣品的軸線上，正對著樣品表面，樣品位于橢球面收集透鏡的一個焦點上，熒光收集裝置位于橢球面收集透鏡的另一個焦點上，激光透過橢球面收集透鏡入射到位于一個焦點上的樣品上，產(chǎn)生的熒光經(jīng)橢球面收集透鏡反射匯聚到位于另一個焦點上的熒光收集裝置，由熒光收集裝置收集。

如圖4所示，本實施例的多模式熒光收集系統(tǒng)采用復合收集模式，包括：第一熒光收集裝置A、第二熒光收集裝置B、光譜儀S、電動調(diào)節(jié)架和橢球面收集透鏡E；其中，第一熒光收集裝置A設(shè)置在電動調(diào)節(jié)架上，電動調(diào)節(jié)架位于激光束與樣品的軸線的旁側(cè)；橢球面收集透鏡E位于激光束與樣品的軸線上，正對著樣品表面；樣品位于橢球面收集透鏡E的一個焦點上，第二熒光收集裝置B位于橢球面收集透鏡E的另一個焦點上。樣品位于樣品室內(nèi)，第一熒光收集裝置A位于樣品室內(nèi)，設(shè)置在電動調(diào)節(jié)架上的第一熒光收集裝置通過支架安裝在樣品室的內(nèi)壁上。第一熒光收集裝置A通過傳輸光纖連接至樣品室的室壁上的一點。激光束透過橢球面收集透鏡E照射在樣品上，激發(fā)樣品產(chǎn)生熒光。

如果所需要的測量分析結(jié)果中對樣品元素含量及穩(wěn)定性有較高要求，選擇同軸收集模式。如圖4所示，將光譜儀的輸入光纖連接至第二熒光收集裝置B，即可實現(xiàn)同軸收集。由于第二熒光收集裝置B與樣品恰好分別為橢球面收集透鏡的兩個焦點，因此這種收集模式具有比較高的收集效率，并且收集角度最優(yōu)、收集距離固定，這對光譜的重復性有很大幫助。

如果所需要的測量分析結(jié)果中對元素含量及穩(wěn)定性沒有很高要求，僅僅是定性地測量樣品所包含的元素種類，則可以選擇旁軸收集模式。如圖4所示，將光譜儀的輸入光纖連接至第一熒光收集裝置A，即可實現(xiàn)旁軸收集。由于旁軸收集對收集角度、收集距離很敏感，所以在調(diào)試中采用電動調(diào)節(jié)架，通過壓電陶瓷的伸縮，精密地調(diào)節(jié)熒光收集裝置對樣品的俯仰角，使得光譜儀上測得的熒光譜線的強度達到最強，停止電動調(diào)節(jié)架，以此時的角度作為旁軸收集模式的收集角，即可實現(xiàn)快速檢測、定性分析。

最后需要注意的是，公布實施例的目的在于幫助進一步理解本實用新型，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解：在不脫離本實用新型及所附的權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)，各種替換和修改都是可能的。因此，本實用新型不應(yīng)局限于實施例所公開的內(nèi)容，本實用新型要求保護的范圍以權(quán)利要求書界定的范圍為準。