一种具备多探头光信号收集单元的远程LIBS测试系统技术方案

本发明专利技术属于原子发射光谱检测设备相关领域，并公开了一种具备多探头光信号收集单元的远程LIBS测试系统，并包括脉冲激光器、扩束镜、调焦镜组、两个二向色镜、多路光信号收集单元和光谱仪等；其中对于多路光信号收集单元而言，其包括多个子收集探头、多路光纤合束器通道和传输光纤，并且各个子收集探头均由小口径透镜组成，由此替代大口径光学元件来组合完成对远距离LIBS信号的采集功能。通过本发明专利技术，与现有设备相比能够有效解决系统成本高、收集信号弱及检测精度差等问题，并便于执行对各类探测距离不确定的被测对象的高效率检测。

Remote LIBS test system with multi probe optical signal collecting unit

The invention belongs to the field of atomic emission spectroscopy detection equipment, and discloses a multi probe optical signal collection unit remote LIBS testing system, and includes a laser, a beam expander, a focusing lens group, two to two color mirror, multi-channel optical signal collection unit and spectral instrument; the multi-channel optical signal the collection unit, which comprises a plurality of sub collection probe, multi-channel fiber combiner and optical fiber channel, and each sub collection probe are composed of small aperture lenses, the replacement of large aperture optical components to complete the combination of remote LIBS signal acquisition function. The invention can effectively solve the problem of high cost, weak signal collection and detection accuracy compared with the existing equipment, and to facilitate the implementation of the detection distance uncertainty measured object detection efficiency.

【技术实现步骤摘要】
一种具备多探头光信号收集单元的远程LIBS测试系统
本专利技术属于原子发射光谱检测设备相关领域，更具体地，涉及一种具备多探头光信号收集单元的远程LIBS测试系统，其能够以低成本、便于操控和高精度的方式执行LIBS测试，并尤其适用于辐射、高温、爆炸及深空等环境的远程检测场合。
技术介绍
激光诱导击穿光谱(Laser-InducedBreakdownSpectroscopy，简称LIBS)技术又称为激光探针技术，它利用高能量激光对材料进行烧蚀，在材料表面形成高温、高电子数密度的等离子体，并通过对等离子体中多元素的特征谱线及其强度进行分析，可实现对材料中各元素组成及含量的定性分析。与传统的探测技术相比，LIBS技术具备实时、快速、无需样品预处理，可实现多元素同时检测等多项优势，因而越来越获得广泛的应用。实践中发现，当检测对象距离较远或人员无法接近时，往往需要使用远程LIBS技术对物质进行原位探测。然而，当前的远程LIBS技术仍面临着激光能量远程传输和等离子体光谱的高效收集两大突出问题。为了改善这些问题，现有技术中已经提出了一些解决方案。例如，WO03/027650A公开了一种基于LIBS技术对多环芳烃远距离检测的分析系统，其收集系统采用光纤光路式，可收集更多有效信号，但其光学元件需采用大口径来提高激光能能传输及采集效率，而且实验前需将光纤探头置于探测对象附近才可有效收集信号；又如，CN103954593A公开了一种基于激光诱导击穿光谱技术的等离子体信号采集装置，其利用两个以上采集透镜从不同角度收集等离子体信号，信号分别输入多个光谱仪将信号叠加后用于光谱分析，但其必需同时使用到多个光谱仪，设备成本显著增大；此外，CN103411932B披露了一种基于远程变焦光路复用的LIBS测试系统及测试方法，其虽然可实现LIBS激发与光谱信号采集的光路复用，但进一步的研究表明，该探测系统同样利用大口径光学元件采集信号，大口径光学元件磨制困难，且容易变形，因而存在检测系统制作成本高、检测精度不稳定等问题。
技术实现思路
针对现有技术的以上不足或改进需求，本专利技术提供了一种具备多探头光信号收集单元的远程LIBS测试系统，其中通过综合考虑远程LIBS检测工艺自身的特点和各种局限，对其整体光路布局和构造布置重新进行了设计，同时对重要组件如多路光信号收集单元和调焦镜组等的具体组成结构、关键性能参数和相互配合方式等方面做出进一步的优化研究，较多的实际测试表明，其不仅能够仅利用常规小口径镜片即可实现远距离的LIBS信号采集，而且与现有设备相比还能有效解决系统成本高、收集信号弱及检测精度差等问题，因而尤其适用于执行对各类探测距离不确定的被测对象的高效检测。为实现上述目的，按照本专利技术，提供了一种具备多探头光信号收集单元的远程LIBS测试系统，该测试系统包括脉冲激光器、扩束镜、调焦镜组、第一二向色镜、第二二向色镜、多路光信号收集单元和光谱仪，其特征在于：所述脉冲激光器用于发射所需脉冲能量和波长的激光光束，这些激光光束首先通过所述扩束镜执行扩束处理，然后沿着光轴传播透过所述调焦镜组以实现光束在不同位置的聚焦；所述第一二向色镜、第二二向色镜与光轴呈一定夹角且相互平行地设置在所述调焦镜组的后方，由此将激光光束远程传播及会聚在被测对象表面上的一点来形成等离子体光信号，同时将该等离子体光信号予以反向传播；所述多路光信号收集单元与所述调焦镜组设置在同一光轴上，并用于对反向传播的等离子体光信号执行收集；该光信号收集单元包括多个子收集探头、分别与各个子收集探头对应连接的分光纤合束通道、将所有分光纤信号进行合束的光纤合束器，以及将耦合后的合路光信号传送至所述光谱仪的传输光纤；此外，各个子收集探头均由小口径透镜组成。作为本专利技术的进一步优选方案，所述脉冲激光器优选为纳秒激光器，并且其激光输出波长被设定为1064nm，激光单脉冲能量被设定为30毫焦～300毫焦。作为本专利技术的进一步优选方案，所述扩束镜优选采用紫外石英材质制造，并且其入瞳口径被设定为大于所述脉冲激光器的光斑。作为本专利技术的进一步优选方案，所述调焦镜组的透镜均优选镀有1064nm的高透膜，并且所述第一二向色镜、第二二向色镜均优选镀有1064nm的高反膜及200nm～800nm的高透膜。作为本专利技术的进一步优选方案，所述子收集探头均由直径为6mm～50mm的小口径透镜组成,进一步优选均由10mm～20mm的小口径透镜组成。作为本专利技术的进一步优选方案，所述子收集探头的总数量优选为3个以上。作为本专利技术的进一步优选方案，所述子收集探头的总数量优选为5个，并且它们中的一个被布置在平面中心，其余四个均匀围绕布置在其四周。作为本专利技术的进一步优选方案，所述子收集探头的总数量优选为5个，并且它们中的三个呈直线布置在平面上侧，其余两各呈直线布置在下侧。作为本专利技术的进一步优选方案，所述收集光纤的工作波段优选为200nm～800nm。作为本专利技术的进一步优选方案，所述光谱仪可采用中阶梯光栅光谱仪或Czerny-Turner光谱仪。作为本专利技术的进一步优选方案，所述被测对象优选被布置在所述第二二向色镜的后方，且其与此第二二向色镜之间的水平间距可自由调节。作为本专利技术的进一步优选方案，上述远程LIBS测试系统还包括增强型电耦合器件和中央处理单元，其中该增强型电耦合器件用于对所述光谱仪执行分光处理后的等离子体光信号执行光电转换，然后由所述中央处理单元来分析其光谱信号且予以输出。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：1、通过结合远程LIBS测试自身的特征来对整体光路布局和构造布置重新进行了设计，整体系统结构紧凑、便于操控，而且其中可调焦聚焦单元与多路光信号收集单元被配合设置在同一光轴上，相应在实际应用中不仅利于灵活调节，而且可高效实现对探测距离不确定的各类被测对象的远程检测；2、尤其是，本专利技术中对光信号收集单元的具体组成结构、组合设置方式等专门进行了设计，其中通过选择利用多个小口径收集子探头来组合完成远程LIBS信号的实时采集，所采集到的多路光信号经由多束光纤通道同步传输并合并为一路执行分光，这样在设备设计和制造环节不必使用任何大口径的光学元件而是常规的小口径镜片，同时仅需一台光谱仪，可根据实际实验需求自由更改子探头的数量和布置方式等来进行系统改造，相应可大幅度降低系统成本，而且整体收集子系统不受光学元件口径限制，可显著提高采集效率，同时有助于增强收集信号和提高检测精度；3、本专利技术还对影响整体测试精度的一些关键性能参数(包括光信号收集单元的镜片排列方式、数量及工作规格等)作出了进一步的优化设计，较多的测试表明，上述参数可确保稳定可靠地执行远程LIBS测试工艺，并充分发挥多个小口径收集子探头的组合采集效果，与现有的大口径采集模式相比进一步提高检测精度。附图说明图1是按照本专利技术优选实施方式所构建的具备多探头光信号收集单元的远程LIBS测试系统的整体构造示意图；图2更为具体地显示了图1中所示多路光信号收集单元的结构组成示意图；图3a、3b和3c分别显示了按照本专利技术优选实施方式所设计的多个小口径收集子探头的布置方案图；图4是利用本专利技术的测试系统对微合金钢样品执行远程LIBS所获得的光谱图；图5是分别采用了1-本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具备多探头光信号收集单元的远程LIBS测试系统，该测试系统包括脉冲激光器(1)、扩束镜(2)、调焦镜组(3)、第一二向色镜(4)、第二二向色镜(5)、多路光信号收集单元(7)和光谱仪(8)，其特征在于：所述脉冲激光器(1)用于发射所需脉冲能量和波长的激光光束，这些激光光束首先通过所述扩束镜(2)执行扩束处理，然后沿着光轴传播透过所述调焦镜组(3)以实现光束在不同位置的聚焦；所述第一二向色镜(4)、第二二向色镜(5)与光轴呈一定夹角且相互平行地设置在所述调焦镜组(3)的后方，由此将激光光束远程传播及会聚在被测对象表面上的一点来形成等离子体光信号，同时将该等离子体光信号予以反向传播；所述多路光信号收集单元(7)与所述调焦镜组(3)设置在同一光轴上，并用于对反向传播的等离子体光信号执行收集；该光信号收集单元包括多个子收集探头(11)、分别与各个子收集探头对应连接的分光纤合束器通道(12)、将所有分光纤信号进行合束的光纤合束器(13)，以及将合路光信号传送至所述光谱仪(8)的传输光纤(14)；此外，各个子收集探头均由小口径透镜组成。

【技术特征摘要】
1.一种具备多探头光信号收集单元的远程LIBS测试系统，该测试系统包括脉冲激光器(1)、扩束镜(2)、调焦镜组(3)、第一二向色镜(4)、第二二向色镜(5)、多路光信号收集单元(7)和光谱仪(8)，其特征在于：所述脉冲激光器(1)用于发射所需脉冲能量和波长的激光光束，这些激光光束首先通过所述扩束镜(2)执行扩束处理，然后沿着光轴传播透过所述调焦镜组(3)以实现光束在不同位置的聚焦；所述第一二向色镜(4)、第二二向色镜(5)与光轴呈一定夹角且相互平行地设置在所述调焦镜组(3)的后方，由此将激光光束远程传播及会聚在被测对象表面上的一点来形成等离子体光信号，同时将该等离子体光信号予以反向传播；所述多路光信号收集单元(7)与所述调焦镜组(3)设置在同一光轴上，并用于对反向传播的等离子体光信号执行收集；该光信号收集单元包括多个子收集探头(11)、分别与各个子收集探头对应连接的分光纤合束器通道(12)、将所有分光纤信号进行合束的光纤合束器(13)，以及将合路光信号传送至所述光谱仪(8)的传输光纤(14)；此外，各个子收集探头均由小口径透镜组成。2.如权利要求1所述的远程LIBS测试系统，其特征在于，所述脉冲激光器(1)优选为纳秒激光器，并且其激光输出波长被设定为1064nm，激光单脉冲能量被设定为30毫焦～300毫焦。3.如权利要求1或2所述的远程LIBS测试系统，其特征在于，所述扩束镜(2)优选采用紫外石英材质制造，并且其入瞳口径被设定为大于所述脉冲激光器的光斑...

【专利技术属性】
技术研发人员：李祥友，李婉婷，朱志豪，郝中骐，郭连波，曾晓雁，陆永枫，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42