手持式激光诱导击穿光谱装置制造方法及图纸

公开了一种管理手持式结构中的LIBS激光器部件和光谱仪的散热问题的新型装置、方法和系统，以及使用包括裸光纤的简化的光信号收集装置收集测试材料附近（或接触测试材料）的发射光。在手持式LIBS装置的一个示例实施例中，使用频率为4 kHz的突发脉冲，产生脉冲之间的时间约250µs，这是现有技术中其他装置中的10倍以上的因数。在相关实施例中，主动调Q OPO激光器模块与使用透射光栅的紧凑型光谱仪模块一起使用，以改进LIBS测量，同时大幅减小手持式分析仪的尺寸。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】优先权主张本申请要求于2013年10月16日提交的专利技术名称为“HANDHELD LASER INDUCED BREAKDOWN SPECTROSCOPY DEVICE”的美国临时专利申请号为61/891,743的文献的优先权和权益，其全部内容通过参考引入此处。
本专利技术通常涉及激光诱导击穿光谱（LIBS）领域，更具体地，涉及用于激光诱导击穿光谱测量的装置和系统。
技术介绍
对于各种应用，需要用于确定样品的材料构成的方法。一种已知的方法为激光诱导击穿光谱（LIBS），其涉及将激光束聚焦至样品表面，利用足够高的功率密度将样品材料的小部分转换成等离子体状态。利用光收集装置收集来自等离子体羽的光发射，并在光谱仪中分析收集的光发射的光谱分布（即，强度作为波长的函数），光谱仪产生描述光谱分布的电子形式的信息。由于样品材料的原子和分子构成具有光发射光谱的特征，所以由光谱仪产生的信息揭示了激光束聚集或涉及的样品的那部分的构成。原则上样品可以是固体、液体或气体。在气体样品的情况下，样品的“表面”的概念并不存在，激光束仅聚焦至气体样品。已知的LIBS测量装置的缺点在于其庞大的结构，以及对现场使用应用的限制。传统的LIBS通常仅考虑在实验室条件下使用。已经做了努力来减少LIBS装置的外形，如Lindfors等的美国专利7,394,537和Dillon等的7,821,634。但是，由于在包括热量消耗、用于光收集的复杂的光学元件和缺少连续合金分析的稳健设计的其他限制中，能量消耗和输出波长的稳定性所需的尺寸的原因，当为便携式形式时，这些装置仍对用户产生安全事件，且激光器部件仍会受损。
技术实现思路
本文中提供一种手持式LIBS装置，其对于用户是人眼安全的，并可以快速收集光谱测量，具有预期的工业和商业应用的相当高的精确度。其他优点包括利用比现有技术的LIBS装置快得多的内置光谱仪进行测量，同时发射约等同于其他装置1/3的热量，从而延长激光源的寿命，并降低电池消耗。一种新型配置的手持式LIBS装置还便于使用裸光纤部件，其将在靠近待测材料处收集光和信号样本，从而大幅简化收集由于激光照射在测试材料上而产生的光信号所需的光学装置。在本专利技术的一个示例实施例中，提供一种手持式LIBS装置，其配置为主要用于区分并识别铝合金。该装置为小型、质轻、由电池供电、并可环保地用于户外。该示例实施例的手持式LIBS装置能够在元素浓度方面表征铝样品，和其他预计要识别的金属合金和确定的元素浓度，LIBS相对于XRF而言的主要优点在于其能够确定轻元素的元素浓度，例如Li, B, Be, C, Al, Na 和Mg。该示例实施例的优点在于，它可以在未做或做很少表面处理时进行快速分析，同时使用在足以烧穿污染的能量下操作的激光源，但设计为光学上为人眼安全（人眼安全波长，每个脉冲低激光能量，和高度发散的激光束设计）。在一个示例实施例中，该手持式测量装置使用1535纳米（nm）Er：玻璃激光（在相关实施例中，本领域技术人员可将Er3:Yb3激光配置为获得相似人眼安全波长），而非标准1064nm激光，当与合适的光束焦点和光束能量密度修改结合时，其被视为“人眼安全”的波长，从而当使用该手持式装置时，用户将不需要佩戴眼保护件。在上述示例手持式装置中的优点之中，该手持式装置配置为稳定并重复地使用1535nm激光。这与现有技术的装置不同，因为已知这些1535nm激光对于热冲击具有敏感性，并且不能高重复率运行。现有技术的装置还具有非常低的脉冲能量（例如uJ/脉冲），并需要与待测样品材料接近来使用。在一个示例实施例中，手持式LIBS装置配置为运行激光源和监测激光器温度，以防止激光被损伤并保持一致的结果。可以直接（利用热电偶）或通过测量每个激光电流脉冲（脉冲宽度）的时间量间接监测激光器温度。大部分现有技术的手持式装置使用激光能量的单一脉冲（SP），以从待测量的样品产生等离子体羽。从而，本文的教导提供一种手持式LIBS装置，其利用新型的“突发模式”，其中小脉冲的脉冲串（PT）与光谱仪结合，该光谱仪配置为获取所有信号，并将它们整合至单一数据点，以与通过单一脉冲传递的相同激光能量而获得的信号相比，有效地大幅提升信号。这些创新使得人眼安全的1535nm激光可有效以小外形、并具有此前未获得的高效能循环下进行LIBS测量。这种特定的激光和操作方法对于商用LIBS市场是新颖的。由于其低成本，Nd:YAG激光通常用于LIBS装置。但是，基于该目的使用1535nm激光，特别是在手持式装置中使用，在先前没有商业价值，因为大多数1535nm激光对于热冲击具有敏感性，并且不能在大于1 Hz的高重复率下运行。进一步地，激光源单次发射至检测材料上仅产生相对小的信号，且俘获该信号所需的光学元件使其昂贵并繁琐。用户需要市场可接受的手持式装置的更快的反应。因此，在突发模式下运行系统（凭此由通过有效的热管理促进的一个泵浦脉冲产生多个脉冲），这便于1535nm激光手持式装置的尺寸减小和稳定性的增加。与利用单一脉冲方式相比，这种独特的“突发模式”特征极大地减少了分析时间并大幅提高返回信号。在开发这种产品中克服的一个问题是表征突发模式中的激光的行为，其涉及热管理系统的唯一的实现，包括使用于激光的散热器位于器具外部，以冷却激光，而同时利用散热器作为用于容易地定位样品-激光位置的瞄准部件。在该示例实施例中，与XRF装置或者甚至1064nmLIBS装置相比，手持式LIBS装置配置为对于用户更安全。1535nm波长与超过消融区的低激光能量密度（J/cm^2）结合，确保激光器可以分类为类别I装置，其在可损伤人眼的范围之外。批准并监督用于工作场所的产品的管理者或安全官员没有对人眼安全、类别I激光器产品的限制，但是在目前市场中，当前的类别IIIB手持式LIBS器具可能需要使用安全眼镜和/或受控的测试环境。此外，使用人眼安全的激光将有益于用户和管理者，因为他们将不必进行辐射安全培训和发放许可证，这需要有竞争力的XRF（X射线荧光）技术。作为额外的安全特征，该装置配备有近端传感器，以在发射之前感测目标区的材料。激光可设计为仅聚焦在样品位置，并极大偏离样品平面。本文公开的新颖的装置、方法和系统教导了管理手持式结构中的LIBS激光器部件和光谱仪的散热问题，以及使用简化的包括裸光纤的光信号收集装置，以收集测试材料附近（或接触测量材料）的发射光。在该手持式LIBS装置的一个示例实施例中，突发脉冲频率为4 kHz，产生脉冲之间的时间约250µs，这是现有技术中其他装置中的10倍以上。在脉冲间的250µs处，脉冲间具有很小的相互作用至没有相互作用，相互作用将导致产生的等离子体羽的变化。如果没有增强的体羽，手持装置可以保持在测试样品的附近。此外，监控、消散并控制来自激光器的脉冲串模式操作的热量，以提供这种紧凑并精确的设计。在一个示例实施例中，用于进行激光诱导击穿光谱的装置设置为包括配置为作为手持式装置的外壳，和具有可操作地连接至激光器模块的控制器系统的二极管泵浦激光器模块，该激光器模块包括固体激光介质和被控制器控制的被动调Q单元，以在多脉冲激光束配置中进行操作。该装置还包括光纤部件和光谱仪模块，光纤部件配置为在光纤部件的远端传输来自通过多脉冲本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于进行激光诱导击穿光谱的装置，其包括：外壳，其配置为手持式装置；二极管泵浦激光器模块，其具有可操作地连接至其的控制器系统，所述激光器模块包括固体激光介质和被所述控制器控制的被动调Q单元，以在多脉冲激光束配置中操作；光纤部件，其配置为在所述光纤部件的远端传输来自通过多脉冲激光束诱导的所述样品材料的等离子体的光；光谱仪模块，其配置为接收来自所述光纤部件的光，并配置为从所述多脉冲产生与所述样品材料对应的光谱分布；和电源，其设置在所述外壳内，并配置为将电能传输至至少一个所述泵浦激光器和所述光谱仪，其中所述多脉冲激光束配置包括激光脉冲的多个突发，每个突发与下一个突发间隔第一时间，以允许激光器冷却，且其中每个突发中的每个脉冲被第二时间间隔开，与限制等离子体的延续。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.10.16 US 61/891,7431.用于进行激光诱导击穿光谱的装置，其包括：外壳，其配置为手持式装置；二极管泵浦激光器模块，其具有可操作地连接至其的控制器系统，所述激光器模块包括固体激光介质和被所述控制器控制的被动调Q单元，以在多脉冲激光束配置中操作；光纤部件，其配置为在所述光纤部件的远端传输来自通过多脉冲激光束诱导的所述样品材料的等离子体的光；光谱仪模块，其配置为接收来自所述光纤部件的光，并配置为从所述多脉冲产生与所述样品材料对应的光谱分布；和电源，其设置在所述外壳内，并配置为将电能传输至至少一个所述泵浦激光器和所述光谱仪，其中所述多脉冲激光束配置包括激光脉冲的多个突发，每个突发与下一个突发间隔第一时间，以允许激光器冷却，且其中每个突发中的每个脉冲被第二时间间隔开，与限制等离子体的延续。2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述多脉冲激光束配置处于突发模式，所述突发模式由约4 kHz的约10-12个脉冲构成，每个突发在约4 Hz至约10Hz的频率范围内循环。3.根据权利要求1所述的装置，进一步包括散热器部件，其设置在所述外壳上、在所述光纤部件的远端的附近，其中所述散热部件适于作为用于所述手持式装置的远端的瞄准部件。4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述光谱仪模块包括第一光谱仪，其配置为在紫外线波长范围内操作；和第二光谱仪，其配置为在可见光波长范围内操作。5.一种利用人眼安全的激光源进行激光诱导击穿光谱测量的方法，其包括以下步骤：产生多脉冲激光束，并将所述脉冲激光束引导至样品材料，其中，所述多脉冲激光束包括激光脉冲的多个突发，每个突发与下一个突发间隔第一时间，以使激光源冷却，且其中每个突发内的每个脉冲被第二时间间隔开，以限制等离子体的延续；在光纤部件的远端传输来自通过所述多脉冲激光束诱导的所述样品材料的等离子体的光；和从所述多脉冲、由所述被传输的光产生与所述样品材料对应的光谱分布。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，产生所述多脉冲激光束的步骤包括产生约4 kHz的约10-12个脉冲，每个突发在大约4 Hz至约10 Hz的频率范围内循环。7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，进一步包括将散热器部件定位在所述光纤部件的远端的步骤，其中所述散热器部件适于作为所述光纤部件的远端的瞄准部件。8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，通过被传输的光产生光谱分布的步骤包括提供光谱仪模块的步骤，所述光谱仪模块包括第一光谱仪和第二光谱仪，所述第一光谱仪配置为在紫外线波长范围内操作，所述第二光谱仪配置为在可见光波长范围内操作。9.根据权利要求5所述的方法，进一步包括在产生所述多脉冲激光束的步骤之前，感测位于所述光纤部件的远端附近的所述样品材料的步骤。10.一种用于进行激光诱导击穿光谱的装置，其包括：外壳，其配置为手持式装置，具有用于在所述外壳内产生的电磁辐射的出口；主动调Q OPO Nd:YAG激光器模块，其具有可操作地连接至其并设置在所述外壳内部的控制器系统，所述激光器模块配置为引导激光束穿过所述出口；光纤部件，其配置为在所述光纤部件的远端传输来自通过所述激光束诱导的样品材料的等离子体的光，所述光纤部件的远端设置为邻近所述出口；光谱仪模块，其配置为接收来自所述光纤部件的近端的光，并配置为从所述接收的光产生与所述样品材料对应的光谱分布；和采样点接口部件，其具有设置在所述外壳的出口上的近端开口，所述激光束适于被投射穿过所...

【专利技术属性】
技术研发人员：弗雷德里克·匡特，肯尼思·R·法默，菲利普·V·坦，克里斯托弗·B·斯蒂普，史蒂文·G·巴克利，埃里克·斯托金格，丹尼尔·詹森，
申请(专利权)人：TSI公司，
类型：发明
国别省市：美国;US