精确靶点定位的激光诱导击穿光谱元素分析仪及其方法技术

本发明专利技术涉及元素分析仪，特别涉及激光诱导击穿光谱法的元素分析仪。一种精确靶点定位的激光诱导击穿光谱元素分析仪，其主要特点在于包括有脉冲激光器通过激光传输系统将激光束传导到样品室内的分析样品上，靶点精确定位系统设在样品室上，靶样品发射光谱通过固定在靶点精确定位系统的传输光纤与光谱仪连接。本发明专利技术的优点是整套LIBS分析仪由独立的激光系统、导光系统、定位系统以及样品室组成，既可以作为一台设备使用，也可以方便的更换不同参数的激光源使用，或不使用样品室直接对原位样品分析，扩展该分析仪的应用范围，促进仪器的实用化、商业化。靶点精确定位系统可实现三维空间的微米量级定位，以及靶点的自动修正，提高分析仪器测量分析结果的准确性，提升仪器分析元素的灵敏度。

【技术实现步骤摘要】
精确靶点定位的激光诱导击穿光谱元素分析仪及其方法
本专利技术涉及元素分析仪，特别涉及激光诱导击穿光谱法的元素分析仪。
技术介绍
元素分析在冶金、食品安全、环境监测、空间探测等各个领域具有广泛的应用需求。常用的元素分析手段包括X射线荧光分析仪、电感耦合等离子体光谱仪、电感耦合等离子体质谱仪、原子吸收分光光度计、激光烧蚀感应耦合等离子体质谱等。但是传统的元素分析仪器多需要进行采样，并对样品进行预处理后才可以分析，有些分析方法对样品形态、所分析元素种类等都具有较大限制。激光诱导击穿光谱（LIBS）技术是利用强激光聚焦于样品表面形成等离子体，通过测量等离子体发射光谱中的特征谱线来分析样品中元素成分的分析手段。该方法已经在金属、液体、气体等样品中的痕量元素的定性、定量分析应用研究方面开展了大量工作。与传统分析方法相比，尚在发展中的LIBS技术最大的特点是几乎不需要制备，对样品破坏小，灵敏度高等特点，并且由于该分析方法仅有光束与目标靶材的接触，因而可实现多元素、原位分析。由于LIBS技术是以激光烧蚀分析样品形成等离子体为基础，而激光等离子体参数、发射光谱强度以及激光烧蚀靶材料后其组分的分馏效果等均与激光功率密度密切相关。对于特定的激光源，其脉冲宽度、激光波长均已固定，而现在的激光技术已经可以实现激光脉冲能量的高稳定性（抖动<3%），因此，对激光聚焦后功率密度影响最大的因素则是精确控制聚焦透镜至样品表面的距离；对于表面不平整或者非规则样品，如果能及时修正透镜至分析点的距离，则可以大幅度提高LIBS技术元素分析精度，进一步降低元素的检测限。目前，国际上可以提供商业化LIBS设备的主要厂商有法国IVEA、英国AppliedPhotonics等公司。其中在IVEA公司的EasyLIBS等产品上已经采用了两束半导体激光进行靶点定位，并通过摄像头采集光斑，由肉眼判断靶点的设计。对于手持式LIBS设备进行快速分析而言，这种设计已经可以满足快速分析需求。但是对于不规则样品的靶点精确定位，提高样品中元素含量分析精度以及重复测量等，该装置还具有一定的局限性。在AppliedPhotonics公司的多款LIBS产品中，尽管已经应用了一些锥形面光学元件布局的设计，但在其设计中，脉冲激光沿中轴线传输，这样设计减少了激光传输结构，但是也减少激光传输的可调节性，并且对于激光器与LIBS装置的尺寸提出了严格要求，不利于更换不同参数的激光源。在其光学元件只是按照锥形结构分布，并没有固定在锥面上，稳固性减弱。该设计中摄像头并不在中轴线安装，并且也未采用三束激光定位，因此，该设计对于开展不规则样品的靶点精确定位以及元素分布测量尚有局限性。并且该LIBS设备中，也未有环境气体喷嘴设计，也限制了其在基础研究以及特殊环境气体下元素分析的应用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，为避免现有技术的不足，提供一种可精确靶点定位，易于操作和推广，具有较高分析精度的激光诱导击穿光谱分析装置。本专利技术的目的是将半导体激光定位、CCD图像分析以及电控精密平移台等技术设备相结合，建立可实现靶点精确定位的激光诱导击穿光谱元素分析仪器。为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案为：一种精确靶点定位的激光诱导击穿光谱元素分析仪，其主要特点在于包括有脉冲激光器通过激光传输系统将激光束传导到样品室内的分析样品上，靶点精确定位系统设在样品室上，靶样品发射光谱通过固定在靶点精确定位系统的传输光纤与光谱仪连接。所述的精确靶点定位的激光诱导击穿光谱元素分析仪，所述的激光传输系统包括有在脉冲激光束传输的通道上设有第一激光扩束准直透镜组中的凹透镜、紫外石英直角棱镜及第二激光扩束准直透镜组中的凸透镜，在聚焦透镜安置腔内设有激光聚焦紫外石英透镜，在聚焦透镜安置腔外还设有特征波长全反射镜，脉冲激光束依次通过第一激光扩束准直透镜组中的凹透镜、紫外石英直角棱镜及第二激光扩束准直透镜组中的凸透镜及激光聚焦紫外石英透镜由特征波长全反射镜反射后照射在分析样品上。所述的精确靶点定位的激光诱导击穿光谱元素分析仪，所述的靶点精确定位系统包括有内部为锥形、外部为圆柱形的金属底座，在金属底座的中心设有摄像装置CCD，并在金属底座的锥面上设有三台带调焦的半导体准直激光器，发射准直激光束聚焦于分析样品表面同一点，并且该点在放置分析样品的定位台的轴线上，且距离脉冲激光束聚焦透镜距离为焦距；等离子体光谱收集透镜组设置在光纤耦合器安置腔内，等离子体光谱收集透镜组的透镜中心与半导体准直激光器在锥面上的位置同心，且聚焦点在分析样品的表面；等离子体光谱收集透镜组通过光纤法兰上的光纤连接光谱仪；在靶点精确定位系统的锥面上设有用于样品室内照明的LED照明灯；还设有用于为样品表面制造特定种类的环境气体的环境气体喷嘴。所述的精确靶点定位的激光诱导击穿光谱元素分析仪，所述的样品室其顶部与靶点精确定位系统连接，连接部分以橡胶圈密封，样品室设有带有激光波段防护镜片的用于送取样品窗口；在其下部设有放置分析样品的三维电控位移台，以实现样品的三维空间精确扫描。一种精确靶点定位的激光诱导击穿光谱元素分析仪的使用方法，其步骤为：首先在仪器安装时初始设置三台准直半导体激光器发射准直激光束聚焦于分析样品表面同一点，并且该点在靶点定位底座轴线上，且距离脉冲激光束聚焦透镜距离为透镜焦距；工业级摄像装置CCD采集分析准直激光器的光斑，判断三个激光束是否在同一点，若摄像装置CCD只观测到一个光斑，即分析样品处于脉冲激光焦点处，即可进行测量分析，如果摄像装置CCD观测到三个光斑，则说明样品未处于激光焦点处，即停止测量，并控制升降台移动直至观测到一个光斑为止，此时即确定激光焦点、光纤耦合指向靶点重合，可进行LIBS光谱测量与分析，并能够得到好的光谱信号。由于本设计采用三束半导体准直激光束，故可定位不规则样品靶点，降低了LIBS分析对样品平整度的要求，并且，带有聚焦透镜的半导体激光器经仔细优化后其焦斑可达到微米量级，而工业级CCD经光学系统成像后分辨率可达微米量级，因此，该系统定位具有很高的精度。本专利技术的有益效果：1)整套LIBS分析仪由独立的激光系统、导光系统、定位系统以及样品室组成，既可以作为一台设备使用，也可以方便的更换不同参数的激光源使用，或不使用样品室直接对原位样品分析，扩展该分析仪的应用范围，促进仪器的实用化、商业化。2)结合三束半导体激光共焦定位、CCD图像采集分析系统的LIBS靶点精确定位系统可实现三维空间的微米量级定位，以及靶点的自动修正，提高分析仪器测量分析结果的准确性，提升仪器分析元素的灵敏度。3)一体化的光路传输、精确定位、激光聚焦以及光谱采集系统的设计，使得该LIBS分析仪器更加稳固、可靠，并且降低了仪器操作人员操作经验、维护调节技术的要求，使仪器易于广泛推广。4)通过CCD对靶材料的成像与手工描绘，可实现目标样品元素空间分布测量；5)结合实验室研究成果，增加了与靶心共轴的环境气体喷嘴，可创造各种气体环境，增强光谱信号、提高谱线信噪比以及去除大气背景干扰等，可满足科学研究需求以及特殊行业应用需求。附图说明：图1典型LIBS装置原理示意图；图2本专利技术的结构示意图；图3本专利技术的靶点精确定位系统实施例1的主视剖面示意图；图4本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种精确靶点定位的激光诱导击穿光谱元素分析仪，其特征在于包括有脉冲激光器通过激光传输系统将激光束传导到样品室内的分析样品上，靶点精确定位系统设在样品室上，靶样品发射光谱通过固定在靶点精确定位系统的传输光纤与光谱仪连接。

【技术特征摘要】
1.一种精确靶点定位的激光诱导击穿光谱元素分析仪，其特征在于包括有脉冲激光器通过激光传输系统将激光束传导到样品室内的分析样品上，靶点精确定位系统设在样品室上，靶样品发射光谱通过固定在靶点精确定位系统的传输光纤与光谱仪连接；所述的激光传输系统包括有在脉冲激光束传输的通道上设有第一激光扩束准直透镜组中的凹透镜、紫外石英直角棱镜及第二激光扩束准直透镜组中的凸透镜，在聚焦透镜安置腔内设有激光聚焦紫外石英透镜，在聚焦透镜安置腔外还设有特征波长全反射镜，脉冲激光束依次通过第一激光扩束准直透镜组中的凹透镜、紫外石英直角棱镜及第二激光扩束准直透镜组中的凸透镜及激光聚焦紫外石英透镜由特征波长全反射镜反射后照射在分析样品上；所述的靶点精确定位系统包括有内部为锥形、外部为圆柱形的金属底座，在金属底座的中心设有摄像装置CCD，并在金属底座的锥面上设有三台带调焦的半导体准直激光器，发射准直激光束聚焦于分析样品表面同一点，并且该点在放置分析样品的定位台的轴线上，且距离脉冲激光束聚焦透镜距离为焦距；等离子体光谱收集透镜组设置在光纤耦合器安置腔内，等离子体光谱收集透镜组的透镜中心与半导体准直激光器在锥面上的位置同心，且聚焦点在分析样品的表面；等离子体光...

【专利技术属性】
技术研发人员：张大成，马新文，赵冬梅，
申请(专利权)人：中国科学院近代物理研究所，
类型：发明
国别省市：甘肃;62