激光誘導擊穿光譜與拉曼光譜聯(lián)用系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光電技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種激光誘導擊穿光譜與拉曼光譜聯(lián)用系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]激光誘導擊穿光譜(LaserInduced Breakdown Spectroscopy,簡稱 LIBS)是一種原子發(fā)射光譜技術(shù)，該技術(shù)將高能激光聚焦于樣品表面，樣品受激發(fā)產(chǎn)生激光誘導等離子體，通過光譜儀采集等離子體的發(fā)射光譜并且經(jīng)過特定的光譜數(shù)據(jù)分析與處理實現(xiàn)對測試樣品元素的定性和定量分析。相對于其他的分析技術(shù)，LIBS技術(shù)具有十分特殊的技術(shù)優(yōu)勢，包括實時檢測樣品、無需繁瑣的樣品處理過程、適用于各種形態(tài)的樣品、可進行多元素測定、檢測損耗小以及具備遠距離探測能力等。LIBS技術(shù)作為一種新興的元素分析技術(shù)將為分析領(lǐng)域帶來眾多的創(chuàng)新應用。它不僅彌補了傳統(tǒng)分析方法的不足，特別是在微小區(qū)域材料分析、鍍層或者薄膜分析、缺陷檢測、珠寶鑒定、法醫(yī)證據(jù)鑒定、粉末材料分析、合金分析等應用領(lǐng)域優(yōu)勢明顯，而且LIBS技術(shù)還可以廣泛應用于地質(zhì)、煤炭、冶金、制藥、環(huán)境、科研等不同領(lǐng)域。
[0003]拉曼散射技術(shù)(Raman)是一種非破壞性的分子光譜分析技術(shù)。拉曼散射效應是指一定頻率的激光照射到樣品表面時，物質(zhì)中的分子吸收了部分能量，發(fā)生不同方式和程度的振動，比如原子的擺動和扭動、化學鍵的擺動和振動，然后散射出較低頻率的光。頻率的變化決定于散射物質(zhì)的特性，不同原子團振動的方式是惟一的，因此可以產(chǎn)生特定頻率的散射光，其光譜就稱為“指紋光譜”，拉曼光譜反映了分子振動能級(點陣振動能級)與轉(zhuǎn)動能級結(jié)構(gòu)的相關(guān)特性，因此可以照此原理鑒別出構(gòu)成物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)的信息。拉曼光譜技術(shù)提供快速、簡單、可重復、無損傷的定性定量分析，它無需樣品準備，樣品可直接通過光纖探頭或者通過玻璃、石英、和光纖測量。此外，拉曼技術(shù)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，是一種應用于物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)研宄的分析方法。
[0004]缺乏一種將激光誘導擊穿光譜技術(shù)與拉曼散射光譜技術(shù)的聯(lián)用的裝置及適合的控制系統(tǒng)，不能實現(xiàn)在同一平臺上對物質(zhì)元素信息和分子結(jié)構(gòu)的同時測定。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明旨在提供一種激光誘導擊穿光譜與拉曼光譜聯(lián)用裝置及其測控系統(tǒng)，實現(xiàn)了激光誘導擊穿光譜技術(shù)和拉曼光譜儀的工作時序、自動定位和聚焦樣品受激發(fā)的位置以及完成對激光誘導擊穿光譜信號和拉曼散射光譜信號的自動采集和自動分析處理，可反饋被分析物質(zhì)的元素成份和分子結(jié)構(gòu)信息。
[0006]為達到上述目的，本發(fā)明是采用以下技術(shù)方案實現(xiàn)的:
[0007]本發(fā)明公開的激光誘導擊穿光譜與拉曼光譜聯(lián)用系統(tǒng)，包括激光誘導擊穿光譜儀、拉曼光譜儀，光電管，第一激光器、第二激光器，光路模塊，上位機控制模塊，硬件測控模塊，電源模塊，樣品室；所述硬件測控模塊包括微處理器、接口電路、光電管信號處理電路、激光器觸發(fā)電路、延時電路電性連接、光譜儀外觸發(fā)電路；所述接口電路、光電管信號處理電路、延時電路、光譜儀外觸發(fā)電路與微處理器電性連接，所述上位機控制模塊與接口電路電性連接，所述激光器觸發(fā)電路與延時電路電性連接，所述激光器觸發(fā)電路與第一激光器、第二激光器電性連接，所述光譜儀外觸發(fā)電路與激光誘導擊穿光譜儀、拉曼光譜儀電性連接，所述光電管信號處理電路與光電管電性連接；所述光路模塊與LIBS光譜儀、拉曼光譜儀連接。
[0008]光路模塊完成對激光的反射和聚焦以及對光譜信號的收集；光電管用于檢測第一激光器的激發(fā)時刻，其作用在于:光電管在第一激光器激發(fā)時將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺撾娦盘柦?jīng)過光電管信號處理電路處理后作為光譜儀的外觸發(fā)信號采集光譜信息，這樣激光器激發(fā)與光譜儀信號采集之間有一個時序間隔，避開激光器激發(fā)初期的噪聲，提高光譜信號的信噪比，避免了測試結(jié)果中的背景噪聲。
[0009]進一步的，所述樣品室置于三維樣品臺上，所述三維樣品臺為電動三維樣品臺，所述硬件測控模塊還包括電機驅(qū)動電路，所述電機驅(qū)動電路與微處理器電性連接，所述電動三維樣品臺的驅(qū)動電機與電機驅(qū)動電路電性連接。三維樣品臺可自動調(diào)整樣品位置實現(xiàn)自動聚焦和激光燒蝕位置的變換。
[0010]優(yōu)選的，所述光路模塊包括第一擴束準直鏡、第一二向色鏡、第二擴束準直鏡、第二二向色鏡、第三二向色鏡、雙合聚焦鏡、LIBS探頭、拉曼探頭；所述第一擴束準直鏡、第二擴束準直鏡的鏡面相互垂直，所述第一二向色鏡的兩側(cè)鏡面分別與第一擴束準直鏡、第二擴束準直鏡的出射面成45度夾角，第一二向色鏡的中心位于第一擴束準直鏡、第二擴束準直鏡軸線的交匯處；所述第二二向色鏡、第三二向色鏡的鏡面平行、軸線重合，第二二向色鏡、第三二向色鏡的鏡面與雙合聚焦鏡的軸線成45度夾角，第二二向色鏡、第三二向色鏡的中心位于雙合聚焦鏡的軸線上，第三二向色鏡位于第三二向色鏡和雙合聚焦鏡之間，所述第三二向色鏡的中心位于第一擴束準直鏡的軸線上，第一二向色鏡位于第一擴束準直鏡、第三二向色鏡之間；第二擴束準直鏡、雙合聚焦鏡位于第一擴束準直鏡的軸線的同一側(cè)；所述LIBS探頭位于雙合聚焦鏡的側(cè)面，所述拉曼探頭與第三二向色鏡分居第二二向色鏡的兩側(cè)，拉曼探頭位于雙合聚焦鏡的軸線上。
[0011]進一步的，本發(fā)明還包括CCD相機模塊，所述上位機控制模塊與CCD相機模塊電性連接，所述樣品室中設置有LED照明燈，所述硬件測控模塊還包括LED驅(qū)動電路，所述LED驅(qū)動電路與微處理器電性連接，所述LED照明燈與LED驅(qū)動電路電性連接。
[0012]CCD相機模塊完成對樣品表面圖像信息的采集。其中CCD相機焦點與激光光路焦點位于同一水平面上，根據(jù)相機采集的圖像清晰程度可以定位三維樣品臺位置同時可以實時觀測到激光在樣品表面的燒蝕結(jié)果。
[0013]優(yōu)選的，所述電源模塊為開關(guān)電源模塊。
[0014]優(yōu)選的，所述第一激光器為1064nm脈沖激光器、第二激光器為532nm連續(xù)激光器。
[0015]優(yōu)選的，所述驅(qū)動電機為步進電機。
[0016]優(yōu)選的，所述上位機控制模塊為包含控制軟件的工控機。
[0017]本發(fā)明的工作原理如下:
[0018]上位機控制模塊為搭載了控制軟件的工控機，其中上位機控制軟件以圖形化的界面集合了對底層硬件系統(tǒng)的控制命令窗口和光譜數(shù)據(jù)結(jié)果顯示窗口，包括激光器控制窗口、LIBS光譜顯示窗口、拉曼光譜顯示窗口、CXD相機圖像顯示及控制窗口、物質(zhì)元素成份信息和分子結(jié)構(gòu)信息顯示窗口。
[0019]電源模塊采用開關(guān)穩(wěn)壓方式，其輸入為220V/50HZ交流電壓，控制輸出四路分別為+24V、+12V、-12V、+5V的直流電壓，相對應的最大電流輸出能力分別為3A、4A、0.7A、15A，滿足了 LIBS和Raman聯(lián)用光譜系統(tǒng)各個功能部件的電源需求。
[0020]硬件測控模塊包含光電管信號處理模塊、激光器觸發(fā)電路、延時電路、通信接口電路、樣品室LED燈控制電路和樣品室電機驅(qū)動控制電路，保證了整個系統(tǒng)中激光器、光譜儀、樣品室照明和樣品臺的時序控制以及上位機和檢測設備間光譜數(shù)據(jù)的傳輸要求。
[0021]光電管的作用是在1064nm激光器激發(fā)時將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娪|發(fā)信號，該電觸發(fā)信號經(jīng)過硬件測控模塊處理后作為光譜儀的外觸發(fā)信號采集光譜信息，這樣激光器激發(fā)與光譜儀信號采集之間有一個時序間隔，提高了光譜信號的信噪比，避免了測試結(jié)果中的背景噪聲。
[0022]CCD相機模塊完成對樣品表面圖像信息的采集。其中CCD相機焦點與激光光路焦點位于同一水平面上，根據(jù)相機采集的圖像清晰程度可