改進(jìn)的高信噪比低檢出限的libs物質(zhì)成分探測系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種改進(jìn)的高信噪比低檢出限的LIBS物質(zhì)成分探測系統(tǒng)及方法，該系統(tǒng)結(jié)合了飛秒預(yù)燒蝕雙脈沖LIBS和偏振分辨LIBS，包括一個(gè)固定波長的飛秒脈沖激光器、一個(gè)超連續(xù)譜飛秒脈沖激光器、一個(gè)濾光片、一個(gè)45°放置的反射鏡、一個(gè)合束鏡、一個(gè)擴(kuò)束鏡、一個(gè)望遠(yuǎn)鏡、一個(gè)45°放置的分束鏡、一個(gè)偏振角可調(diào)的偏振鏡、一個(gè)光纖耦合鏡、一個(gè)光纖接口、一個(gè)ICCD光譜儀、一個(gè)計(jì)算機(jī)組成，該系統(tǒng)使用雙脈沖激發(fā)LIBS，并將接收光信號通過偏振鏡接入光譜儀，該系統(tǒng)可以有效降低元素的檢出限，提高信號的信噪比，提高探測的精度和穩(wěn)定度，還可以同時(shí)探測分子光譜和原子光譜，提供更準(zhǔn)確的物質(zhì)組成信息。
【專利說明】改進(jìn)的高信噪比低檢出限的LIBS物質(zhì)成分探測系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種激光光譜探測系統(tǒng)，尤其涉及一種結(jié)合飛秒預(yù)燒蝕雙脈沖激光誘導(dǎo)擊穿光譜(Femtosecond Pre-Ablative Double-Pulse Laser-1nduced BreakdownSpectroscopy,簡稱fs-PA-DP-LIBS)和偏振分辨激光誘導(dǎo)擊穿光譜(Polarizat1nResolved Laser-1nduced Breakdown Spectroscopy,簡稱 PR-LIBS)的探測系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]激光誘導(dǎo)擊穿光譜(LIBS)探測技術(shù)是利用高能量短脈寬的脈沖激光，經(jīng)過聚焦照射到被測物體表面，在焦點(diǎn)上獲得極高能量密度的激光脈沖，使照射目標(biāo)表面燒蝕、蒸發(fā)、電離，形成高溫、高壓、高電子密度的等離子體火花，輻射出包括特征原子和離子譜線的光譜，可以用于探測物質(zhì)組成。
[0003]將LIBS的脈沖激光脈寬縮減到飛秒量級的技術(shù)成為飛秒激光誘導(dǎo)擊穿光譜(fs-LIBS)，相比常規(guī)LIBS，fs-LIBS脈寬更小，光強(qiáng)更高，作用在被測物體表面的熱效應(yīng)范圍更小，能使被測物體表面在保持一定分子結(jié)構(gòu)的同時(shí)發(fā)生電離，輻射出包含特征原子、離子及分子譜線的光譜，能夠獲得更多關(guān)于被測物質(zhì)組成的信息。
[0004]單脈沖LIBS容易受到被測物體表面附著物和被測物體的基體效應(yīng)的影響，測量結(jié)果有一定的隨機(jī)性，重復(fù)性差，檢測限高，改進(jìn)的方法是采用雙脈沖LIBS，雙脈沖LIBS分為再加熱雙脈沖LIBS和預(yù)燒蝕雙脈沖LIBS，相比再加熱雙脈沖LIBS，采用預(yù)燒蝕雙脈沖LIBS，可以去除被測物表面雜質(zhì)的影響，增強(qiáng)特征光強(qiáng)度，降低檢測限，提高信噪比，減小相對標(biāo)準(zhǔn)偏差。
[0005]LIBS激發(fā)出的光譜不僅包含了特征原子、離子和分子的譜線，還包括了一個(gè)連續(xù)譜，該連續(xù)譜和物質(zhì)的特征線譜的偏振狀態(tài)不同，通過濾除連續(xù)譜，可以提高探測的靈敏度，降低檢出限，提高信噪比。
[0006]在已公開的基于雙脈沖和偏振分辨的激光誘導(dǎo)擊穿光譜測量技術(shù)的專利文獻(xiàn)(申請?zhí)?201210246338)中，采取了再加熱雙脈沖LIBS，可用于提高探測精度，但是采用再加熱雙脈沖LIBS不能去除被測物質(zhì)表面雜質(zhì)對LIBS光譜信號的影響，難以將測量精度進(jìn)一步提高，同時(shí)采用傳統(tǒng)的LIBS不能進(jìn)一步測量物質(zhì)的分子構(gòu)成，為了進(jìn)一步提高LIBS的探測準(zhǔn)確度，本專利提出了一種結(jié)合飛秒預(yù)燒蝕雙脈沖LIBS和偏振分辨LIBS的物質(zhì)成分探測系統(tǒng)和探測方法，該方法結(jié)合了飛秒預(yù)燒蝕雙脈沖LIBS和偏振分辨LIBS，通過計(jì)算機(jī)控制，調(diào)整雙脈沖的時(shí)間間隔和偏振片的偏振角，通過改變特定波長帶通濾光片的通帶范圍，改變其中一束激光的波長，實(shí)現(xiàn)了降低檢出限、提高探測精度、提高信噪比、提高穩(wěn)定度的目的，同時(shí)應(yīng)用飛秒激光脈沖，可以將分子光譜和原子光譜同時(shí)探測，能夠獲得更準(zhǔn)確的物質(zhì)組成信息。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0007]本專利的目的在于提供一種改進(jìn)的高信噪比低檢出限的LIBS物質(zhì)成分探測系統(tǒng)及方法，該系統(tǒng)結(jié)合了飛秒預(yù)燒蝕雙脈沖LIBS和偏振分辨LIBS的優(yōu)點(diǎn)，利用改變其中一束激光的波長、控制雙脈沖之間時(shí)間間隔、控制偏振片偏振角的方法，來降低LIBS探測的檢出限，提高信噪比，提高穩(wěn)定度，同時(shí)應(yīng)用飛秒激光脈沖，可以將分子光譜和原子光譜同時(shí)探測，能夠獲得更準(zhǔn)確的物質(zhì)組成信息。
[0008]改進(jìn)的高信噪比低檢出限的LIBS物質(zhì)成分探測系統(tǒng)包括近紅外飛秒脈沖激光器I，近紅外超連續(xù)譜飛秒脈沖激光器2，特定波長帶通濾光片3，45°放置的反射鏡4，合束鏡
5,擴(kuò)束鏡6,45°放置的分束鏡7,光路復(fù)用的望遠(yuǎn)鏡8,偏振角可調(diào)的偏振鏡10,光纖f禹合鏡11，光纖接口 12，ICCD光譜儀14，計(jì)算機(jī)19。
[0009]近紅外飛秒脈沖激光器I與近紅外超連續(xù)譜飛秒脈沖激光器2平行放置，近紅外超連續(xù)譜飛秒脈沖激光器前有特定波長帶通濾光片濾光片3，特定波長帶通濾光片3前有45°放置的反射鏡4，45°放置的反射鏡4旁邊有合束鏡5，合束鏡5與近紅外飛秒脈沖激光器I共線，合束鏡5前有擴(kuò)束鏡6，擴(kuò)束鏡6前有45°放置的分束鏡7，45°放置的分束鏡7前有光路復(fù)用的望遠(yuǎn)鏡8，光路復(fù)用的望遠(yuǎn)鏡8焦點(diǎn)處放置被測物體，45°放置的分束鏡7旁邊有偏振角可調(diào)的偏振鏡10,偏振角可調(diào)的偏振鏡10旁邊是光纖稱合鏡11，光纖I禹合鏡11旁邊是光纖接口 12，使用光纖將光纖接口 12和ICXD光譜儀14相連，使用線纜將近紅外飛秒脈沖激光器1、近紅外超連續(xù)譜飛秒脈沖激光器2、偏振角可調(diào)的偏振鏡10、ICCD光譜儀14和計(jì)算機(jī)19相連。
[0010]裝置中:45°放置的反射鏡⑷鍍有近紅外波段的高反膜；合束鏡(5)和擴(kuò)束鏡
(6)鍍有近紅外波段的高透膜；45°放置的分束鏡(7)鍍有近紅外波段的高透膜和可見光波段的高反膜；偏振角可調(diào)的偏振鏡(10)和光纖耦合鏡(11)鍍有可見光波段的高透膜；光路復(fù)用的望遠(yuǎn)鏡(8)工作波段為可見波段和近紅外波段。
[0011]本專利是這樣來實(shí)現(xiàn)的，其方法步驟為:
[0012]先由近紅外飛秒脈沖激光器I產(chǎn)生一束近紅外的飛秒激光脈沖，經(jīng)由合束鏡5、擴(kuò)束鏡6、光路復(fù)用的望遠(yuǎn)鏡8照射到被測物體9表面；間隔很短一段時(shí)間后，由近紅外超連續(xù)譜飛秒脈沖激光器2產(chǎn)生一束全光譜脈沖，經(jīng)由特定臂長帶通濾光片3選擇特定波長、45°放置的反射鏡4反射、合束鏡5、擴(kuò)束鏡6、光路復(fù)用的望遠(yuǎn)鏡8照射到被測物體9表面。
[0013]被測物體9表面經(jīng)雙脈沖強(qiáng)激光照射后，激發(fā)出等離子體，等離子體發(fā)出的光譜主要有可見光波段組成，經(jīng)光路復(fù)用的望遠(yuǎn)鏡8、45°放置的分束鏡7、偏振角可調(diào)的偏振鏡10、光纖耦合鏡11進(jìn)入IC⑶光譜儀14，由ICXD光譜儀14采集光譜傳至計(jì)算機(jī)19。
[0014]由于各種目標(biāo)物體產(chǎn)生LIBS的光譜特性不同，可以根據(jù)計(jì)算機(jī)19接收到的光譜信息，調(diào)整雙脈沖激光束的時(shí)間間隔、偏振角可調(diào)的偏振鏡10的角度和ICCD光譜儀14的采樣延遲。
[0015]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:該方法實(shí)現(xiàn)了將飛秒預(yù)燒蝕雙脈沖LIBS和偏振分辨LIBS相結(jié)合，通過計(jì)算機(jī)控制參數(shù)，達(dá)到降低檢出限、提高探測精度、提高信噪比、提高穩(wěn)定度的目的，同時(shí)應(yīng)用飛秒激光脈沖，可以將分子光譜和原子光譜同時(shí)探測，能夠獲得更準(zhǔn)確的物質(zhì)組成信息。
【專利附圖】

【附圖說明】[0016]圖1為本專利的原理圖，圖中:1—近紅外飛秒脈沖激光器；2—近紅外超連續(xù)譜脈沖激光器；3——特定波長帶通濾光片；4——反射鏡；5——合束鏡；6——擴(kuò)束鏡；7——分束鏡；8——望遠(yuǎn)鏡；9——被測物體；10——偏振鏡；11——光纖耦合鏡；12——光纖接口 ；13——光纖；14——ICCD光譜儀；15——ICCD光譜儀數(shù)據(jù)及控制線纜；16——偏振鏡角度控制線纜；17—近紅外飛秒脈沖激光器控制線纜；18—近紅外超連續(xù)譜脈沖激光器控制線纜；19—計(jì)算機(jī)。
【具體實(shí)施方式】
[0017]本專利的原理如圖1所示，改進(jìn)的高信噪比低檢出限的LIBS物質(zhì)成分探測系統(tǒng)包括:近紅外飛秒脈沖激光器1，近紅外超連續(xù)譜飛秒脈沖激光器2，特定波長帶通濾光片3，45°放置的反射鏡4，合束鏡5，擴(kuò)束鏡6，45°放置的分束鏡7，光路復(fù)用的望遠(yuǎn)鏡8，偏振角可調(diào)的偏振鏡10，光纖耦合鏡11，光纖接口 12，光纖13，ICXD光譜儀14，IC⑶光譜儀數(shù)據(jù)及控制電纜15，偏振鏡角度控制線纜16，近紅外飛秒脈沖激光器控制線纜17，近紅外超連續(xù)譜脈沖激光器控制線纜18，計(jì)算機(jī)19組成。
[0018]先由近紅外飛秒脈沖激光器I產(chǎn)生一束近紅外的飛秒激光脈沖，經(jīng)由合束鏡5、擴(kuò)束鏡6、45°放置的分束鏡7、光路復(fù)用的望遠(yuǎn)鏡8照射到被測物體9表面，進(jìn)行預(yù)燒蝕；間隔很短一段時(shí)間后，由近紅外超連續(xù)譜飛秒脈沖激光器2產(chǎn)生一束全光譜脈沖，經(jīng)由特定波長帶通濾光片3選擇特定波長、45°放置的反射鏡4反射、合束鏡5、擴(kuò)束鏡6、分束鏡7、光路復(fù)用的望遠(yuǎn)鏡8照射到被測物體9表面，激發(fā)出等離子體光譜。
[0019]被測物體9表面經(jīng)雙脈沖強(qiáng)激光照射后，激發(fā)出等離子體，等離子體發(fā)出的光譜主要有可見光波段組成，經(jīng)光路復(fù)用的望遠(yuǎn)鏡8、45°放置的分束鏡7、偏振角可調(diào)的偏振鏡10、光纖耦合鏡11、光纖接口 12進(jìn)入光纖13，接入ICXD光譜儀14，由ICXD光譜儀14采集光譜并通過線纜15傳至計(jì)算機(jī)19。
[0020]通過計(jì)算機(jī)19控制近紅外飛秒脈沖激光器I和近紅外超連續(xù)譜飛秒脈沖激光器2發(fā)射脈沖激光的時(shí)間間隔和偏振角可調(diào)的偏振鏡10的偏振角，以及ICCD光譜儀14采集光譜的延時(shí)，可以取得信噪比高，靈敏度高、精度高、穩(wěn)定性好、包含分子及原子信息的LIBS光譜信號。
【權(quán)利要求】
1.一種改進(jìn)的高信噪比低檢出限的LIBS物質(zhì)成分探測系統(tǒng)，它包括近紅外飛秒脈沖激光器(I)，近紅外超連續(xù)譜飛秒脈沖激光器(2)，特定波長帶通濾光片(3)，45°放置的反射鏡(4)，合束鏡(5)，擴(kuò)束鏡(6)，45°放置的分束鏡(7)，光路復(fù)用的望遠(yuǎn)鏡(8)，偏振角可調(diào)的偏振鏡(10)，光纖耦合鏡(11)，光纖接口(12)，ICXD光譜儀(14)，計(jì)算機(jī)(19)，其特征在于: 近紅外飛秒脈沖激光器(I)與近紅外超連續(xù)譜飛秒脈沖激光器(2)平行放置，近紅外超連續(xù)譜飛秒脈沖激光器前有特定波長帶通濾光片濾光片(3)，特定波長帶通濾光片(3)前有45°放置的反射鏡(4)，45°放置的反射鏡(4)旁邊有合束鏡(5)，合束鏡(5)與近紅外飛秒脈沖激光器(I)共線，合束鏡(5)前有擴(kuò)束鏡(6)，擴(kuò)束鏡(6)前有45°放置的分束鏡(7)，45°放置的分束鏡(7)前有光路復(fù)用的望遠(yuǎn)鏡(8)，光路復(fù)用的望遠(yuǎn)鏡(8)焦點(diǎn)處放置被測物體，45°放置的分束鏡(7)旁邊有偏振角可調(diào)的偏振鏡(10)，偏振角可調(diào)的偏振鏡(10)旁邊是光纖稱合鏡(11)，光纖稱合鏡(11)旁邊是光纖接口(12),使用光纖將光纖接口(12)和ICXD光譜儀(14)相連，使用線纜將近紅外飛秒脈沖激光器(I)、近紅外超連續(xù)譜飛秒脈沖激光器(2)、偏振角可調(diào)的偏振鏡(10)、ICCD光譜儀(14)和計(jì)算機(jī)(19)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種改進(jìn)的高信噪比低檢出限的LIBS物質(zhì)成分探測系統(tǒng)，其特征在于:所述的45°放置的反射鏡(4)鍍有近紅外波段的高反膜。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種改進(jìn)的高信噪比低檢出限的LIBS物質(zhì)成分探測系統(tǒng)，其特征在于:所述的合束鏡(5)和擴(kuò)束鏡(6)鍍有近紅外波段的高透膜。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種改進(jìn)的高信噪比低檢出限的LIBS物質(zhì)成分探測系統(tǒng)，其特征在于:所述的光路復(fù)用的望遠(yuǎn)鏡(8)工作波段為可見波段和近紅外波段。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種改進(jìn)的高信噪比低檢出限的LIBS物質(zhì)成分探測系統(tǒng)，其特征在于:所述的45°放置的分束鏡(7)鍍有近紅外波段的高透膜和可見光波段的高反膜。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種改進(jìn)的高信噪比低檢出限的LIBS物質(zhì)成分探測系統(tǒng)，其特征在于:所述的偏振角可調(diào)的偏振鏡(10)和光纖耦合鏡(11)鍍有可見光波段的高透膜。
7.一種基于權(quán)利要求1所述改進(jìn)的高信噪比低檢出限的LIBS物質(zhì)成分探測系統(tǒng)的物質(zhì)成分探測方法，其特征在于方法如下: 先由近紅外飛秒脈沖激光器(I)產(chǎn)生一束近紅外的飛秒激光脈沖，經(jīng)由合束鏡(5)、擴(kuò)束鏡出)、45°放置的分束鏡(7)、光路復(fù)用的望遠(yuǎn)鏡(8)照射到目標(biāo)被測物體表面，對被測物體表面進(jìn)行預(yù)燒蝕；間隔很短一段時(shí)間后，由近紅外超連續(xù)譜飛秒脈沖激光器⑵產(chǎn)生一束全光譜脈沖，經(jīng)由特定波長帶通濾光片(3)選擇特定波長、45°放置的反射鏡(4)反射、合束鏡(5)、擴(kuò)束鏡(6)、分束鏡(7)、光路復(fù)用的望遠(yuǎn)鏡(8)照射到目標(biāo)被測物體表面，激發(fā)出等離子體，激發(fā)出的LIBS光譜信號反向通過光路復(fù)用的望遠(yuǎn)鏡(8)，經(jīng)過45°放置的分束鏡(9)反射后，依次通過偏振角可調(diào)的偏振鏡(10)，光纖耦合鏡(11)，光纖接口(12)，接入ICXD光譜儀(14)，ICXD光譜儀(14)延遲一段時(shí)間開始采集，根據(jù)測量結(jié)果，經(jīng)由計(jì)算機(jī)(19)分析，調(diào)整偏振角可調(diào)的偏振鏡(10)的角度、近紅外飛秒脈沖激光器(I)和近紅外超連續(xù)譜飛秒脈沖激光器⑵產(chǎn)生的脈沖間隔和ICXD光譜儀(14)的采集延遲到合適數(shù)值，重復(fù)以上過程，直至接收到的光譜信號連續(xù)譜強(qiáng)度最小，最后由計(jì)算機(jī)(19)分析所得光譜 信號。
【文檔編號】G01N21/01GK104034703SQ201410258840
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年6月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月12日
【發(fā)明者】萬雄, 劉鵬希, 章婷婷, 王建宇, 舒嶸 申請人:中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所