基于激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)的等離子體信號采集裝置制造方法
【專利摘要】基于激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)的等離子體信號采集裝置，屬于原子發(fā)射光譜測量【技術(shù)領(lǐng)域】。該裝置采用凹面鏡將等離子體的發(fā)散的輻射光信號聚集成平行光，然后導(dǎo)入光譜儀進行光譜分析；或者利用兩個以上的采集透鏡從不同的角度對激光誘導(dǎo)產(chǎn)生的等離子體的輻射光信號進行采集，輸入光譜儀后將信號疊加后用于光譜分析。該裝置能夠減少等離子體輻射光信號的不均勻性導(dǎo)致的測量不穩(wěn)定性，提高了信號的采集效率，進而提高激光誘導(dǎo)擊穿光譜測量的重復(fù)性。
【專利說明】基于激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)的等離子體信號采集裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)的等離子體信號采集裝置，屬于原子發(fā)射光譜測量【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)(Laser-1nducedbreakdown spectroscopy,簡稱 LIBS)，又稱激光誘導(dǎo)等離子光譜技術(shù)，是二十世紀(jì)后期發(fā)展起來的一種全新的物質(zhì)元素分析技術(shù)。激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)的工作原理是:強激光脈沖作用下，樣品表面的物質(zhì)被激發(fā)成為等離子體并迅速衰減，在衰減過程中輻射出特定頻率的光子，產(chǎn)生特征譜線，其頻率和強度信息包含了分析對象的元素種類和濃度信息。激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)運行成本低，測量速度快，具有高靈敏度、無需或者需要很少的樣品預(yù)處理和實現(xiàn)多元素測量等優(yōu)點，并且無輻射危害，在工業(yè)生產(chǎn)中具有極大的發(fā)展?jié)摿Α?br> [0003]但是，由于激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)的激光作用點很小，燒蝕物質(zhì)的量很少，對于不均勻、各向異性的物質(zhì)基體效應(yīng)非常明顯；同時，激光能量的波動、等離子體溫度、電子密度等物理參數(shù)的不同導(dǎo)致激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)測量的重復(fù)精度較低；另外，環(huán)境參數(shù)的影響以及儀器內(nèi)部元器件本身的電子噪聲等都易對LIBS產(chǎn)生干擾；因此利用激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)直接測量樣品的測量精度不能得到保證，限制了激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)在生產(chǎn)實際中的應(yīng)用。
[0004]對樣品做簡單的預(yù)處理，例如通過對樣品粉末壓制成型可以增加激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)測量的重復(fù)性，對樣品研磨、混合均勻可以降低基體效應(yīng)的影響，但是這樣仍然無法完全消除由于等離子體本身的參數(shù)變化及不均勻性導(dǎo)致的測量誤差。
[0005]另外，由于等離子體的不均勻性，等離子體向各方向發(fā)出的光信號也變化較大，由于光纖探頭的所對準(zhǔn)的等離子體位置不同所導(dǎo)致的差異也是引起測量誤差的重要因素。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是提供一種基于激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)的等離子體信號采集裝置，具體來說，是利用凹面鏡或者多個采集透鏡對等離子體輻射的光信號進行收集，提高光信號的收集效率，克服等離子體輻射的光信號的不均勻性造成的測量誤差。
[0007]本發(fā)明的第一種技術(shù)方案是:
[0008]一種基于激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)的等離子體信號采集裝置，所述裝置包括入射單元、光信號接收單元、樣品以及數(shù)據(jù)分析單元；入射單元含有激光器和聚焦透鏡；所述光信號接收單元含有一個采集透鏡、光纖和光譜儀；其特征在于:光信號接收單元還包括一個中心開孔的凹面鏡，該凹面鏡放置在樣品的表面上，凹面鏡的反射面朝向采集透鏡，激光經(jīng)過聚焦透鏡聚焦后，穿過凹面鏡的中心孔擊打在樣品表面產(chǎn)生等離子體，該采集透鏡設(shè)置在等離子體的正上方；等離子體位于凹面鏡的焦點處；凹面鏡將等離子體發(fā)出的發(fā)散的輻射光信號轉(zhuǎn)化為平行光進行收集后輸入光譜儀，并將光譜儀得到的光譜信號導(dǎo)入數(shù)據(jù)分析單元進行光譜分析。
[0009]本發(fā)明的上述技術(shù)方案中，所述的凹面鏡的反射面為拋物線型，凹面鏡中心孔的直徑為10mm-20mm的圓孔。
[0010]本發(fā)明提供的第二種技術(shù)方案是:基于激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)的等離子體信號采集裝置，所述裝置包括入射單元、光信號接收單元、樣品以及數(shù)據(jù)分析單元；入射單元含有激光器和聚焦透鏡；所述光信號接收單元含有采集透鏡、光纖和光譜儀；其特征在于:所述的采集透鏡至少采用2個，激光經(jīng)過聚焦透鏡聚焦后以垂直的方向擊打在樣品表面產(chǎn)生等離子體，所述至少兩個采集透鏡設(shè)置在等離子體上方，并布置在以等離子體為圓心的半球形面上；多個采集透鏡將等離子體發(fā)出的發(fā)散的輻射光信號進行采集，并輸入各自相對應(yīng)的光譜儀，每個光譜儀具有相同的波長范圍，最后將每個光譜儀得到的光譜信號導(dǎo)入數(shù)據(jù)分析單元進行疊加，再對疊加后的光譜信號進行光譜分析。
[0011]本發(fā)明的第二種技術(shù)方案中，所述至少兩個采集透鏡均勻布置在以等離子體為圓心，半徑為50mm-100mm的半球形面上。
[0012]本發(fā)明具有以下優(yōu)點及突出性效果:等離子體輻射的光信號經(jīng)過凹面鏡收集并反射后，原來不均勻的光信號中包括的信息基本上都能夠進入光纖并被光譜儀所接收，從而避免了光信號各向異性所導(dǎo)致的測量誤差。采用多個采集透鏡進行收集，并把各個方向收集到的信號進行加和，也能夠有效克服等離子體輻射的不均勻性，從而大大提高了信號采集的效率和穩(wěn)定性，提高測量系統(tǒng)的靈敏度，降低待測元素的檢出限。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1是本發(fā)明提供的基于激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)的等離子體信號采集裝置的第一種技術(shù)方案實施例的結(jié)構(gòu)原理示意圖。
[0014]圖2是本發(fā)明提供的基于激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)的等離子體信號采集裝置的第二種技術(shù)方案實施例的結(jié)構(gòu)原理示意圖。
[0015]圖中:I一脈沖激光器；2—聚焦透鏡；3—采集透鏡；3a—第一采集透鏡；3b—第二米集透鏡；4一光纖；5—光譜儀；5a—第一光譜儀；5b—第二光譜儀；6—樣品；7—數(shù)據(jù)分析單元；8—凹面鏡；9一等離子體；
【具體實施方式】
[0016]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的說明。
[0017]圖1是本發(fā)明提供的基于激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)的等離子體信號采集裝置的第一種技術(shù)方案實施例的結(jié)構(gòu)原理示意圖，所述裝置包括入射單元、光信號接收單元、樣品以及數(shù)據(jù)分析單元7 ;入射單元含有激光器I和聚焦透鏡2 ;光信號接收單元含有一個采集透鏡3、光纖4和光譜儀5 ;光信號接收單元還包括一個中心開孔的凹面鏡8，該凹面鏡放置在樣品6的表面上，凹面鏡的反射面朝向采集透鏡3，凹面鏡8的中心開一個直徑為10-20mm的圓孔，激光經(jīng)過聚焦透鏡聚焦后，以傾斜的角度穿過凹面鏡中心的圓孔擊打在樣品表面產(chǎn)生等離子體，傾斜角度是以豎直方向成45度至60度之間；凹面鏡的反射面優(yōu)選為拋物線型，采集透鏡3設(shè)置在等離子體的正上方；等離子體9位于凹面鏡的焦點處；凹面鏡8將等離子體發(fā)出的發(fā)散的輻射光信號轉(zhuǎn)化為平行光進行收集后輸入光譜儀。平行光信號被采集透鏡3采集并聚焦后輸入光纖4，并將光譜儀得到的光譜信號導(dǎo)入數(shù)據(jù)分析單元7進行光譜分析。
[0018]第二種技術(shù)方案是采用至少兩個采集透鏡，將不同方向的發(fā)散光信號均進行采集，不僅抵消了不同方向信號的不均勻性，而且能夠有效增加信號的強度，有利于光譜分析。所述裝置包括入射單元、光信號接收單元、樣品以及數(shù)據(jù)分析單元7 ;入射單元含有激光器I和聚焦透鏡2 ;所述光信號接收單元含有采集透鏡、光纖4和光譜儀5 ;所述的采集透鏡至少采用2個，激光器I發(fā)出的激光經(jīng)過聚焦透鏡聚焦2后，以豎直的方向擊打在樣品表面產(chǎn)生等離子體，所述至少兩個采集透鏡設(shè)置在等離子體上方，并布置在以等離子體為圓心的半球形面上；多個采集透鏡將等離子體9發(fā)出的發(fā)散的輻射光信號進行采集，并輸入各自相對應(yīng)的光譜儀，每個光譜儀應(yīng)具有相同的波長范圍，最后將每個光譜儀得到的光譜信號導(dǎo)入數(shù)據(jù)分析單元進行疊加，再對疊加后的光譜信號進行光譜分析。
[0019]圖2是本發(fā)明提供的基于激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)的等離子體信號采集裝置的第二種技術(shù)方案實施例的結(jié)構(gòu)原理示意圖，本實施例采用兩個采集透鏡，即第一采集透鏡3a和第二采集透鏡3b ;激光經(jīng)過聚焦透鏡聚焦后，以豎直方向擊打在樣品表面產(chǎn)生等離子體。兩個采集透鏡均設(shè)置在等離子體9的上方，均勻布置在半徑為50-100mm的半球形面上，第一采集透鏡3a對應(yīng)一個波長范圍相同的第一光譜儀5a ;第二采集透鏡3b對應(yīng)一個波長范圍相同的第二光譜儀5b ;從2個采集透鏡采集得到的光信號依次經(jīng)過光纖和光譜儀導(dǎo)入數(shù)據(jù)分析單元7，2個光譜儀分析得到的光譜信號進行疊加后用于光譜分析。
[0020]本發(fā)明的工作原理為:
[0021]激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)是指當(dāng)強脈沖激光經(jīng)過聚焦照射到樣品上時，樣品會在瞬間被氣化成高溫、高密度的等離子體，處于激發(fā)態(tài)的等離子體會對外釋放出不同的射線。等離子體發(fā)射光譜譜線對應(yīng)的波長和強度分別反映所測對象中的組成元素和其濃度大小。該技術(shù)具有高檢測靈敏度，而且成本較低，可以同時對多種元素進行分析等優(yōu)點。
[0022]由于等離子體本身的溫度、電子密度和總粒子數(shù)等參數(shù)在空間分布上的不穩(wěn)定性，導(dǎo)致檢測探頭的位置與檢測結(jié)果具有很強的相關(guān)性；另外，即使在同一個檢測位置，不同激光脈沖擊打后產(chǎn)生的輻射光信號強度也很難穩(wěn)定，所以本發(fā)明采用凹面鏡發(fā)射的方法或者多探頭同時收集信號的方法來克服這種空間分布上的輻射光信號的不穩(wěn)定性。提高單次測量的重復(fù)性，有助于提高測量精度和準(zhǔn)確度。
【權(quán)利要求】
1.一種基于激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)的等離子體信號采集裝置，所述裝置包括入射單元、光信號接收單元、樣品以及數(shù)據(jù)分析單元(7);入射單元含有激光器(I)和聚焦透鏡(2);所述光信號接收單元含有一個采集透鏡(3)、光纖(4)和光譜儀(5);其特征在于:光信號接收單元還包括一個中心開孔的凹面鏡(8)，該凹面鏡放置在樣品(6)的表面上，凹面鏡的反射面朝向采集透鏡，激光經(jīng)過聚焦透鏡聚焦(2)后，穿過凹面鏡的中心孔擊打在樣品表面產(chǎn)生等離子體，該采集透鏡(3)設(shè)置在等離子體的正上方；等離子體(9)位于凹面鏡的焦點處；凹面鏡將等離子體(9)發(fā)出的發(fā)散的輻射光信號轉(zhuǎn)化為平行光進行收集后輸入光譜儀，并將光譜儀得到的光譜信號導(dǎo)入數(shù)據(jù)分析單元進行光譜分析。
2.如權(quán)利要求1所述的一種基于激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)的等離子體信號采集裝置，其特征在于:所述的凹面鏡的反射面為拋物線型，凹面鏡中心孔的直徑為10mm-20mm的圓孔。
3.一種基于激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)的等離子體信號采集裝置，所述裝置包括入射單元、光信號接收單元、樣品以及數(shù)據(jù)分析單元(7);入射單元含有激光器(I)和聚焦透鏡(2);所述光信號接收單元含有采集透鏡、光纖(4)和光譜儀(5);其特征在于:所述的采集透鏡至少采用2個，激光經(jīng)過聚焦透鏡聚焦(2)后以垂直的方向擊打在樣品表面產(chǎn)生等離子體，所述至少兩個采集透鏡設(shè)置在等離子體上方，并布置在以等離子體為圓心的半球形面上；多個采集透鏡將等離子 體(9)發(fā)出的發(fā)散的輻射光信號進行采集，并輸入各自相對應(yīng)的光譜儀，每個光譜儀具有相同的波長范圍，最后將每個光譜儀得到的光譜信號導(dǎo)入數(shù)據(jù)分析單元進行疊加，再對疊加后的光譜信號進行光譜分析。
4.一種基于激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)的等離子體信號采集裝置，其特征在于:所述至少兩個采集透鏡均勻布置在以等離子體為圓心，半徑為50mm-100mm的半球形面上。
【文檔編號】G01N21/01GK103954593SQ201410213552
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年5月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月20日
【發(fā)明者】王哲, 李政, 袁廷璧, 侯宗余 申請人:清華大學(xué)