用于火星物質(zhì)成份探測的聯(lián)合激光誘導(dǎo)光譜系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種激光光譜探測技術(shù)，尤其涉及一種采用聯(lián)合激光誘導(dǎo)擊穿光譜與激光誘導(dǎo)熒光時域光譜技術(shù)的遠(yuǎn)程物質(zhì)成份探測系統(tǒng)，適用于火星表面物質(zhì)成份探測，屬于光電探測領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]目前火星表面物質(zhì)成份探測中，受制于載人火星登陸技術(shù)尚未成熟，需采用無人情況的遠(yuǎn)程探測方法。在可選用的遠(yuǎn)程探測方法中，激光光譜類探測方法因其無需樣品制備直接探測、可消除探測目標(biāo)表面浮塵、多元素同時探測、高空間分辨率等優(yōu)點已經(jīng)或即將得到應(yīng)用。
[0003]其中，激光誘導(dǎo)擊穿光譜(Laser-1nducedbreakdown spectroscopy,簡稱 LIBS)是一種對物質(zhì)組成元素進(jìn)行探測的激光光譜技術(shù)，已在火星表面物質(zhì)探測上得到應(yīng)用；激光誘導(dǎo)焚光(Laser-1nduced fluorescence,簡稱LIF)時域分辨光譜是一種可以對痕量及微量元素，尤其是對火星表面的稀土元素及其氧化物分子進(jìn)行高靈敏探測的技術(shù)。采用單一的LIBS技術(shù)能對火星表面的主要元素進(jìn)行探測，但對痕量及微量元素探測受到其探測靈敏度的限制。
[0004]融合LIBS光譜探測及LIF時域分辨光譜技術(shù)可發(fā)揮各自的優(yōu)勢，有效擴大火星表面物質(zhì)元素探測的范圍。但同時也需考慮和解決一些融合中的問題，如為解決探測裝置的緊湊便捷性，光源及探測器的共用問題；在光源探測器共用問題解決后的時序分配問題等等。
[0005]針對單一 LIBS激光光譜方法的不足，本專利提出一種聯(lián)合激光光譜探測方法，采用同一激光源與同一探測器，在有效擴大元素探測范圍的同時，保持了系統(tǒng)的緊湊便捷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種火星物質(zhì)識別的聯(lián)合激光光譜系統(tǒng)，在有效擴大元素探測范圍的同時，保持整個系統(tǒng)的緊湊便捷性。
[0007]本發(fā)明是這樣來實現(xiàn)的:
[0008]本發(fā)明提出的火星物質(zhì)識別的聯(lián)合激光光譜系統(tǒng)包括卡式望遠(yuǎn)鏡、ICCD光譜儀、激光測距機、主控制器及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)、多通道數(shù)字延時脈沖發(fā)生器、1064nm擴束鏡、1064nm高能脈沖激光器、倍頻擴束組件及輔助光機組件。
[0009]其中，卡式望遠(yuǎn)鏡主要由次鏡和主鏡組成；倍頻擴束組件由三倍頻晶體和355nm擴束鏡組成；ICCD光譜儀的核心元件為階梯光柵和ICCD面陣探測器；輔助光機組件包括全反鏡、采集透鏡組、光譜信號采集光纖、全反鏡運動控制器、切換控制器、多色鏡和次鏡運動控制器。
[0010]主控制器及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)用于給多通道數(shù)字延時脈沖發(fā)生器、激光測距機、切換控制器、次鏡運動控制器以及全反鏡運動控制器發(fā)控制指令；接收激光測距機輸出的測距信息與ICCD光譜儀輸出的光譜信號；此外，還用于發(fā)控制指令給ICCD光譜儀，設(shè)定ICCD面陣探測器的曝光時間。
[0011]多通道數(shù)字延時脈沖發(fā)生器用于給1064nm高能脈沖激光器發(fā)啟動脈沖，給ICXD面陣探測器發(fā)快門啟動脈沖，并可調(diào)節(jié)控制它們之間的延時。
[0012]1064nm高能脈沖激光器發(fā)射的脈沖激光經(jīng)1064nm擴束鏡擴束，形成與望遠(yuǎn)鏡出入孔直徑匹配的1064nm脈沖激光束，為LIBS激光源；1064nm高能脈沖激光器發(fā)射的脈沖激光經(jīng)倍頻擴束組件中的三倍頻晶體后，得到355nm脈沖激光，再經(jīng)355nm擴束鏡后，形成與望遠(yuǎn)鏡出入孔直徑匹配的355nm脈沖激光束，該脈沖激光束位于紫外段，可作為LIF激光源；1064nm擴束鏡與倍頻擴束組件固定聯(lián)接，由切換控制器進(jìn)行控制、輪流切換進(jìn)入光路，從而實現(xiàn)LIBS與LIF激光源之間的切換。
[0013]次鏡的工作凸面和主鏡的工作凹面均鍍寬光譜全反膜，可實現(xiàn)對寬光譜光線進(jìn)行全反射。
[0014]光譜信號采集光纖通過透鏡組光纖接口與光譜儀光纖接口將采集透鏡組收集的光譜信號耦合進(jìn)ICCD光譜儀，進(jìn)行分光與光電轉(zhuǎn)換。
[0015]主光軸與第二光軸垂直；多色鏡兩面分別鍍有可見光段高反膜與1064nm、355nm高透膜，它與主光軸、第二光軸夾角均為45度；全反鏡與多色鏡平行安裝；第三光軸與第二光軸垂直，與主光軸平行。
[0016]火星物質(zhì)識別的聯(lián)合激光光譜探測按以下步驟進(jìn)行:
[0017](I)主控制器及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)發(fā)出控制指令給全反鏡運動控制器，使其帶動全反鏡切進(jìn)光路中的第二光軸與第三光軸相交的位置(即工作位置)。
[0018](2)主控制器及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)發(fā)出控制指令啟動激光測距機。激光測距機發(fā)出的波長為X1的激光束沿第三光軸傳輸，經(jīng)過全反鏡反射，轉(zhuǎn)向沿第二光軸傳輸；再經(jīng)多色鏡鍍有高反膜的一面反射，轉(zhuǎn)向沿主光軸傳輸；穿過望遠(yuǎn)鏡出入孔，分別經(jīng)次鏡與主鏡反射后，打到火星探測目標(biāo)的激光聚焦點上。波長為回波信號依次經(jīng)主鏡、次鏡反射，穿出望遠(yuǎn)鏡出入孔，經(jīng)多色鏡反射后，轉(zhuǎn)向第二光軸；再經(jīng)全反鏡反射后，轉(zhuǎn)向第三光軸，被激光測距機接收，得到激光聚焦點與火星物質(zhì)識別的聯(lián)合激光光譜系統(tǒng)的距離信息。該距離信息送到主控制器及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)。
[0019](3)主控制器及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)分析該距離信息，發(fā)出控制指令至次鏡運動控制器，使之帶動次鏡沿主光軸平移，使激光聚焦點位于卡式望遠(yuǎn)鏡的焦點上，即完成聚焦調(diào)節(jié)。
[0020](4)主控制器及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)發(fā)出控制指令給全反鏡運動控制器，使其帶動全反鏡切出光路中的第二光軸與第三光軸相交的位置，即切出工作位置。
[0021](5)主控制器及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)發(fā)出控制指令給切換控制器，使其帶動1064nm擴束鏡切入光路。
[0022](6)主控制器及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)給IC⑶面陣探測器設(shè)定ICXD面陣探測器測LIBS光譜的曝光時間Λ t。主控制器及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)發(fā)出控制指令給多通道數(shù)字延時脈沖發(fā)生器，使其先給1064nm高能脈沖激光器發(fā)啟動脈沖S1，再給ICCD面陣探測器發(fā)快門啟動脈沖S2，并設(shè)定31與32的延時為七1。
[0023](7) 1064nm高能脈沖激光器啟動后，1064nm高能脈沖激光器發(fā)出的一個波長為1064nm納秒級激光脈沖沿主光軸傳輸，經(jīng)1064nm擴束鏡擴束，并經(jīng)多色鏡鍍有高透膜的一面透射，穿過望遠(yuǎn)鏡出入孔，分別經(jīng)次鏡與主鏡反射后，聚焦至火星探測目標(biāo)的激光聚焦點上。在激光聚焦點上激發(fā)出的LIBS信號依次經(jīng)主鏡、次鏡反射，穿出望遠(yuǎn)鏡出入孔，經(jīng)多色鏡反射后，轉(zhuǎn)向第二光軸；經(jīng)采集透鏡組收集，通過光譜信號采集光纖送入ICCD光譜儀；階梯光柵對該LIBS信號進(jìn)行分光，在ICCD面陣探測器曝光時間Λ t內(nèi)，由ICCD面陣探測器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換；轉(zhuǎn)換后的LIBS光譜圖送至主控制器及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)進(jìn)行存儲。
[0024](8)主控制器及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)發(fā)出控制指令給切換控制器，使其帶動倍頻擴束組件切入光路。
[0025](9)主控制器及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)給ICXD面陣探測器設(shè)定ICXD面陣探測器測時域分辨LIF光譜的曝光時間At’。主控制器及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)發(fā)出控制指令給多通道數(shù)字延時脈沖發(fā)生器，使其先給1064nm高能脈沖激光器發(fā)啟動脈沖S3，再給ICCD面陣探測器發(fā)快門啟動脈沖S4、S5、S6、S7i…、Sp Si+1、…、Sn(共N-3個快門啟動脈沖，也就是ICCD攝取N-3次LIF光譜信號，用于時域分辨LIF光譜探測)，并設(shè)定33與S 4的延時為12;S 1與S i+1的延時(i大于等于4)為t3o
[0026](10) 1064nm高能脈沖激光器啟動后，1064nm高能脈沖激光器發(fā)出的一個波長為1064nm納秒級激光脈沖沿主光軸傳輸，經(jīng)倍頻擴束組件中的三倍頻晶體后，得到355nm激光脈沖，再經(jīng)355nm擴束鏡后，經(jīng)多色鏡鍍有高透膜的一面透射，穿過望遠(yuǎn)鏡出入孔，分別經(jīng)次鏡與主鏡反射后，聚焦至火星探測目標(biāo)的激光聚焦點上。在激光聚焦點上激發(fā)出的LIF信號依次經(jīng)主鏡、次鏡反射，穿出望遠(yuǎn)鏡出入孔，經(jīng)多色鏡反射后，轉(zhuǎn)向第二光軸；經(jīng)采集透鏡組收集，通過光譜信號采集光纖送入ICCD光譜儀；階梯光柵對該LIF信號進(jìn)行分光，在ICXD面陣探測器的N-3次曝光中的每一次曝光時間Λ t’內(nèi)，由ICXD面陣探測器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換；轉(zhuǎn)換后獲得的N-3幅LIF光譜圖送至主控制器及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)進(jìn)行存儲。
[0027](11)主控制器及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)對存儲的I幅LIBS光譜信號及N_3幅LIF光譜圖進(jìn)行聯(lián)合光譜分析。
[0028]其中由LIBS光譜圖進(jìn)行火星探測目標(biāo)的主要元素進(jìn)行定性及定量分析；由N-3幅LIF光譜圖進(jìn)行LIF時域分辨光譜分析，對火星探測目標(biāo)的痕量及微量元素，尤其是對火星表面的稀土元素及其氧化物分子進(jìn)行定性及定量分析。
[0029]本專利的有益效果是，提供了一種火星物質(zhì)識別的聯(lián)合激光光譜方法，該方法融合了 LIBS光譜探測及LIF時域分辨光譜技術(shù)，可發(fā)揮各自的優(yōu)勢，有效擴大火星表面物質(zhì)元素探測的范圍。在有效擴大元素探測范圍的同時，對兩種激光光譜技術(shù)采用同一激光源與同一探測器，保持了整個系統(tǒng)的緊湊便捷性。
【附圖說明】
[0030]圖1為本專利系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及測試原理不意圖，圖中:1 火星探測目標(biāo)；2 激光聚焦點；3 主光軸；4 次鏡；5 卡式望遠(yuǎn)鏡；6 主鏡；7 全反鏡；8采集透鏡組；9一一透鏡組光纖接口 ；10—一光譜信號采集光纖；11一一光譜儀光纖接口 ；12 ICXD光譜儀；13 階梯光棚；14 ICXD面陣探測器；15 全反鏡運動控制器；16一一激光測距機；17—一主控制器及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)；18—一多通道數(shù)字延時脈沖發(fā)生器；19——1064nm擴束鏡；20——1064nm高能脈沖激光器；21——切換控制器；22——倍頻擴束組件；23——三倍頻晶體；24——355nm擴束鏡；25——第三光軸；26——多色鏡；27——第二光軸；28 次鏡運動控制器；29 望遠(yuǎn)鏡出入孔。
[0031]注:ICCD即Intensified CCD，增強電荷耦合器件。
【具體實施方式】
[0032]本發(fā)明【具體實施方式】如圖1所示。
[0033]本發(fā)明提出的火星物質(zhì)識別的聯(lián)合激光光譜系統(tǒng)包括卡式望遠(yuǎn)鏡5、ICCD光譜儀12、激光測距機16、主控制器及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)17、多通道數(shù)字延時脈沖發(fā)生器18、1064nm擴束鏡19、1064nm高能脈沖激光器20、倍頻擴束組件22及輔助光機組件。
[0034]其中，卡式望遠(yuǎn)鏡5主要由次鏡4和主鏡6組成；倍頻擴束組件22由三倍頻晶體23和355nm擴束鏡24組成；I(XD光譜儀12的核心元件為階梯光柵13和ICXD面