一種激光誘導擊穿-脈沖拉曼光譜聯(lián)用系統(tǒng)及使用方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及光譜分析技術領域，涉及一種激光誘導擊穿-脈沖拉曼光譜聯(lián)用系統(tǒng)及使用方法。
【背景技術】
[0002]激光誘導擊穿光譜(LIBS)技術通過對高能激光脈沖的有效聚焦，在樣品表面形成激光誘導等離子體，由于這種等離子體局部能量密度及溫度很高，可瞬間完成取樣、原子化及激發(fā)甚至離子化的全過程，利用光譜儀采集等離子體的發(fā)射光譜，可實現(xiàn)對待測樣品元素的定性和定量分析。該方法具有分析速度快、操作簡單、無需樣品前處理、多組分同時測定及具備遠距離探測能力等特點，這些優(yōu)勢特點使LIBS技術在冶金地質、航空航天等眾多應用領域逐漸得到嘗試性的使用。拉曼散射光譜(Raman)是一種非破壞性的分子光譜技術。該技術利用低能量激光作用于樣品表面，通過接收物質所產(chǎn)生的散射光譜，反饋物質的振動轉動能級情況，從而可以鑒別物質的結構信息。Raman光譜技術可以提供快速、簡單、可重復、且無損傷的定性定量分析，它也無需樣品準備，樣品可直接通過光纖探頭測量，一次可以同時覆蓋50-4000波數(shù)的區(qū)間，可對有機物及無機物進行分析，是廣泛應用于有機物、無機物及生物樣品的分子結構研宄的一種分析方法。
[0003]LIBS技術和Raman光譜技術從儀器構成、光路設計到結果分析等方面都有著諸多相同或相似之處，兩種技術可以實現(xiàn)結合，實現(xiàn)聯(lián)用可同時獲取樣品的原子及分子光譜，并且在多種環(huán)境下均可對不同成分樣品進行分析檢測。
[0004]現(xiàn)有的聯(lián)用方法多是利用兩臺不同的激光器或者利用同一臺激光器的同一個波長分別激發(fā)原子光譜和分子光譜，雖然實現(xiàn)了新的技術創(chuàng)新，可以實現(xiàn)物質元素和結構的同時分析，但是，仍采用兩套不同的光路主體，由于光路設計相對獨立，并沒有真正實現(xiàn)兩種技術的融合，只是簡單的將兩種技術放在一起使用。而在采用同一個波長進行激發(fā)的實現(xiàn)方式中，由于LIBS和Raman兩種信號的激發(fā)條件不同，致使該技術并不能獲得最佳的信號效果。。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明旨在提供一種激光誘導擊穿-脈沖拉曼光譜聯(lián)用系統(tǒng)及使用方法，結合目前的LIBS技術和Raman光譜技術各自的特點，提供一種能獲得最佳待測物元素信號與分子結構信號的激光光譜聯(lián)用系統(tǒng)，該聯(lián)用系統(tǒng)采用一個脈沖激光器，一套光學系統(tǒng)，一套光譜儀系統(tǒng)，實現(xiàn)兩種不同波長激發(fā)的兩種不同類型信號的獲取，光學系統(tǒng)內無任何移動鏡片組件，結構穩(wěn)，性能強。
[0006]為達到上述目的，本發(fā)明是采用以下技術方案實現(xiàn)的:
[0007]本發(fā)明公開的激光誘導擊穿-脈沖拉曼光譜聯(lián)用系統(tǒng)，包括脈沖激光器、機械光斬波器、顯微成像光路、顯微成像裝置、Raman信號接收系統(tǒng)、全譜LIBS信號接收系統(tǒng)、光譜儀、樣品平臺；所述脈沖激光器出光口光路上設置半透半反鏡，所述半透半反鏡的透射光路上設置倍頻模塊，所述半透半反鏡的反射光路上設置第一反射鏡，所述顯微成像光路位于倍頻模塊的出射光路上，顯微成像光路位還位于第一反射鏡的光路上；所述機械光斬波器水平方向開時，位于半透半反鏡和第一反射鏡之間的光路上，機械光斬波器豎直方向開時，位于半透半反鏡和倍頻模塊之間的光路上，所述Raman信號接收系統(tǒng)、全譜LIBS信號接收系統(tǒng)均連接光譜儀。
[0008]進一步的，本發(fā)明還包括計算機控制系統(tǒng)，所述脈沖激光器、顯微成像裝置、光譜儀均與計算機控制系統(tǒng)電連接。
[0009]進一步的，本發(fā)明還包括擴束準直系統(tǒng)，所述擴束準直系統(tǒng)位于脈沖激光器、半透半反鏡之間的光路上。
[0010]優(yōu)選的，所述顯微成像系統(tǒng)包括LED燈，相機，第一二向色鏡，第二二向色鏡，第三二向色鏡，成像雙合聚焦鏡和用于放置樣品的樣品平臺；所述LED燈位于樣品平臺的側上方，所述成像雙合聚焦鏡、第三二向色鏡、第二二向色鏡和第一二向色鏡、相機從下至上依次位于樣品平臺的上方，所述第三二向色鏡、第二二向色鏡和第一二向色鏡均與水平方向成45度夾角；所述第一二向色鏡位于倍頻模塊的出射光路上，所述第二二向色鏡位于第一反射鏡的反射光路上。
[0011]優(yōu)選的，全譜LIBS信號接收系統(tǒng)包括LIBS光纖探頭，所述LIBS光纖探頭位于樣品平臺的側上方，所述LIBS光纖探頭通過第一光纖連接光譜儀，所述光譜儀受控于計算機控制系統(tǒng)。
[0012]優(yōu)選的，所述Raman信號接收系統(tǒng)包括成像雙合聚焦鏡、第三二向色鏡、陷波濾波片、Raman光纖探頭、光譜儀；所述樣品平臺上樣品的反射光依次通過成像雙合聚焦鏡、第三二向色鏡、陷波濾波片到達Raman光纖探頭，所述Raman光纖探頭通過第二光纖連接光譜儀，所述光譜儀受控于計算機控制系統(tǒng)。
[0013]優(yōu)選的，所述樣品平臺為具有X、Y、Z三軸自由度的電動平臺，樣品平臺的移動受控于計算機控制系統(tǒng)。
[0014]優(yōu)選的，所述相機為工業(yè)CXD相機。
[0015]進一步的，所述全譜LIBS信號接收系統(tǒng)包括消球差透鏡組，所述消球差透鏡組位于樣品平臺與LIBS光纖探頭之間。
[0016]優(yōu)選的，所述的脈沖激光器⑴為調Q式Nd:YAG激光器，其輸出頻率1064nm，脈沖重復頻率20Hz，單脈沖最大能量為100mJ。
[0017]本發(fā)明還公開了激光誘導擊穿-脈沖拉曼光譜聯(lián)用系統(tǒng)的使用方法，包括以下步驟:
[0018]步驟1:打開計算機控制系統(tǒng)，打開LED燈，放置樣品于三維樣品臺上，通過計算機控制系統(tǒng)軟件調節(jié)三維樣品臺的高度，直到樣品在工業(yè)CCD相機上成像清晰，關閉LED燈；
[0019]步驟2:通過計算機控制系統(tǒng)控制機械斬波器水平方向開，啟動脈沖激光器，脈沖激光器發(fā)射的激光透過45度放置的半透半反鏡，50%的激光形成透射光束進入倍頻模塊后產(chǎn)生倍頻光，所述倍頻光經(jīng)第一二向色鏡反射，依次透過第二二向色鏡及第三二向色鏡，進入雙合透鏡組進行聚焦后照射樣品產(chǎn)生Raman信號，產(chǎn)生的Raman信號經(jīng)過雙合聚焦透鏡后通過第三二向色鏡反射，再通過陷波濾波片后進入Raman光纖探頭，耦合進第二光纖后傳送至光譜儀，通過光譜儀分光后送入光譜儀的制冷形CCD檢測器中，通過計算機控制系統(tǒng)進行譜圖解析，然后通過計算機控制系統(tǒng)控制相機自動拍照并保存數(shù)據(jù)信息。
[0020]步驟3:通過計算機控制系統(tǒng)控制機械斬波器5豎直方向開，激光經(jīng)45度放置的半透半反鏡3，50%的激光形成反射光束通過過第一反射鏡4反射，經(jīng)過第二二向色鏡進入顯微成像主光路，聚焦后照射樣品表面產(chǎn)生等離子體，等離子體的光譜信號被側面45度安裝的LIBS光纖探頭收集，經(jīng)過第一光纖進入光譜儀中，通過計算機控制系統(tǒng)控制光譜儀的制冷型CCD檢測器的延時及采集時間，獲得原子發(fā)射光譜，對樣品進行元素分析。
[0021]進一步的，在步驟3中，通過計算機控制系統(tǒng)設定采樣矩陣面積，在樣品臺根據(jù)設定自動移動的同時完成等離子體的光譜信號收集。在樣品臺程序設定起點位置，可以根據(jù)計算機控制系統(tǒng)中的上層軟件中反饋的三維坐標值，實現(xiàn)自動移動，完成樣品圖像的微區(qū)采集，同時為了防止激光器在同一位置燒蝕次數(shù)過多，影響光譜信號強度，當燒蝕次數(shù)累計到固定值時，樣品臺會自動移動至下一個位置。為獲得更具代表性的分析數(shù)據(jù)，樣品臺可以設計矩陣掃描模式，完成區(qū)域數(shù)據(jù)的獲取。
[0022]優(yōu)選的，在步驟2中，所述激光的波長為1064nm。
[0023]本發(fā)明具有以下有益效果:
[0024]1、采用同一個脈沖光源的不同波長脈沖實現(xiàn)對同一個樣品的原子發(fā)射光譜與分子散射光譜兩種不同信號的激發(fā)。
[0025]2、利用一個脈沖激光器在一個光路體系內，實現(xiàn)了脈沖Raman信號和LIBS信號的收集。
[0026]3、LIBS和Raman所用的兩種不同頻率的光束在同一套光學系統(tǒng)中實現(xiàn)同軸聚焦，光路系統(tǒng)更加緊湊。同時LIBS信號可以獲得190-1100nm波段的全譜信號，所設計的光路可以有效獲得高激發(fā)效率。
[0027]4、通過光學設計與機械操控，實現(xiàn)了同一光路及激發(fā)源的兩種不同波長的激發(fā)，較之普通手段獲得了更為良好的信號。
【附圖說明】
[0028]圖1為本發(fā)明光譜測量裝置的結構原理圖；
[0029]圖2為本發(fā)明方法實施流程圖；
[0030]圖3為計算機控制系統(tǒng)的自動控制邏輯關系流程圖；
[0031]圖4為本發(fā)明一個實施例的LIBS分析結果輸不意圖；
[0032]圖5為本發(fā)明一個實施例的Raman分析結果輸出示意圖；
[0033]圖中:1-脈沖激光器，2-擴束準直系統(tǒng)，3-半透半反鏡，4-第一反射鏡，5-機械光斬波器，6-倍頻模塊，7-工業(yè)CXD相機，8-第一二向色鏡，9-第二二向色鏡，10-第三二向色鏡，11-陷波濾波片，12-Raman光纖探頭，13-雙合聚焦透鏡，14-樣品平臺，15-LIBS光纖探頭，16-光譜儀，17-計算機控制系統(tǒng)，18-LED燈，19-第一光纖，20-第二光纖。
【具體實施方式】
[0034]為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。
[0035]如圖1所示，本發(fā)明公開的激光誘導擊穿-脈沖拉曼光譜聯(lián)用系統(tǒng)，包括脈沖激光器1、機械光斬波器5、顯微成像光路、顯微成像裝置、Raman信號接收系統(tǒng)、全譜LIBS信號接收系統(tǒng)、光譜儀16、樣品平臺14 ;脈沖激光器I采用調Q式Nd = YAG激光器，其輸出頻率1064nm，脈沖重復頻率20Hz，單脈沖最大能量為100mJ，脈沖激光器I出光口光路上設置有半透半反鏡3，在脈沖激光器1、半透半反鏡3之間的光路上還設置有擴束準直系統(tǒng)2，半透半反鏡3的透射光路上設置倍頻模塊6，半透半反鏡3與水平方向的夾角為45度，半透半反鏡3的反射光路上設置第一反射鏡4，第一反射鏡4與半透半反鏡3平行，機械光斬波器5豎直方向開時，位于半透半反鏡3和倍頻模塊6之間的光路上，機械光斬波器5水平方向開時，位于半透半反鏡3和第一反射鏡4之間的光路上；顯微成像系統(tǒng)包括LED燈18、相機7、第一二向色鏡8、第二二向色鏡9、第三二向色鏡10、成像雙合聚焦鏡13和用于放置樣品的樣品平臺14，相機7采用工業(yè)CCD相機，LED燈18位于樣品平臺14的側上方，成像雙合聚焦鏡13、第三二向色鏡10、第二二向色鏡9和第一二向色鏡8、相機7從下至上依次位于樣品平臺14的上方，第三二向色鏡10、第二二向色鏡9和第一二向色鏡8均與水平方向成45度夾角；第一二向色鏡8位于倍頻模塊6