基于光纤波导循环激发的激光诱导击穿荧光光谱分析系统技术方案

本发明专利技术公开了基于光纤波导循环激发的激光诱导击穿荧光光谱分析系统，包括激光发生模块、共振激发模块和采集模块，激光发生模块包括激光全反镜、聚焦透镜和Nd：YAG激光器，激光全反镜与Nd：YAG激光器位于同一水平光路，聚焦透镜位于激光全反镜正下方；共振激发模块包括OPO激光器、多芯光纤、光纤输出整形模块和两个光纤耦合器，多芯光纤两输入端与两个光纤耦合器相连，输出端与光纤输出整形模块相连；采集模块包括光纤采集头、增强型CCD和计算机，光纤采集头一端对准样品烧蚀点，另一端通过光栅光谱仪与增强型CCD相连，增强型CCD与计算机相连。本系统结构简单，可提高共振激发的增强效果，从而提高LIBS的检测极限。

Laser induced breakdown fluorescence spectrum analysis system based on fiber loop waveguide excitation

The invention discloses a system breakdown analysis of laser induced fluorescence spectra of fiber waveguide based on cyclic excitation, including laser module, resonance excitation module and acquisition module, laser module including laser mirror, lens, Nd:YAG laser, laser mirror and Nd: YAG laser at the same level of optical focusing lens in laser. Mirror below; resonance excitation module includes OPO laser, multi core optical fiber, optical fiber output shaping module and two fiber couplers, multi core fiber two input end is connected with the two optical fiber coupler, and the output end is connected to the output shaping module; acquisition module includes fiber acquisition head, enhanced CCD and computer, optical fiber acquisition the head end is aligned with the ablation point, the other end of the grating spectrometer is connected with enhanced CCD and enhanced CCD is connected with the computer. The system is simple in structure and can improve the enhancement effect of resonance excitation, so as to improve the detection limit of LIBS.

【技术实现步骤摘要】
基于光纤波导循环激发的激光诱导击穿荧光光谱分析系统
本专利技术属于等离子物理和光谱分析领域，更具体地，涉及基于光纤波导循环激发的激光诱导击穿荧光光谱分析系统。
技术介绍
激光探针技术，即激光诱导击穿光谱技术(Laser-InducedbreakdownSpectroscopy，简称LIBS)，是一种极具前景的快速成分分析技术，其原理是利用高功率密度脉冲激光烧蚀待分析样品表面，瞬间产生上万度高温，形成等离子体，等离子体在冷却过程中向外辐射特征光谱，通过采集其特征光谱便可分析获得待分析样品中的不同成分及其含量。由于LIBS具有无样品预处理，多元素同时检测以及可在线检测等特点，近年来，该技术获得了学术和产业界的极大关注。然而，目前LIBS对大多数元素的检测极限大约为10ppm，导致其难以满足微量、特别是痕量元素的检测要求。因此，阻碍了该技术的进一步广泛应用，特别是在环境保护和食品安全等领域的推广及应用。为提高激光探针的灵敏度，目前主流的方法是对激光等离子体发射光谱进行增强，主要包括空间约束增强、磁约束增强、微波增强、双脉冲增强、双脉冲共振激发增强方法等。这些方法都能在一定程度上增强等离子体的发射光谱强度，提高激光探针的探测灵敏度，其中又以双脉冲共振激发增强法效果最为显著。中国专利CN101782517A公开了一种基于共振激发双激光光源的激光探针微区成分分析仪，该专利利用第一束激光烧蚀样品产生等离子体，再通过第二束波长可调谐激光对等离子体中待测元素的粒子进行共振激发，从而将待测元素光谱强度提高数十至数百倍。目前现有文献中，利用上述的可调谐激光双脉冲激发技术，可最大程度地增强光谱强度，同时一般可以将被检测元素的检测极限提高到1ppm量级。然而，目前世界范围内对痕量元素分析的市场巨大，1ppm的检测极限并不能满足土壤、食品等安全标准。以我国为例，依据我国对于大多数粮食及生物制品中重金属的含量标准，其国标含量一般在1ppm以下。因此，要将LIBS用于痕量元素的快速定性及准确定量检测领域，提供一种能进一步增强LIBS技术光谱强度，从而改善其检测极限的系统必不可少。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种基于光纤波导循环激发的激光诱导击穿荧光光谱分析系统，其通过循环利用基于光学参量振荡器的波长可调谐激光器(OPO激光器)输出的共振激光，以增大共振激光的脉宽，实现痕量元素基态粒子的彻底激发，改进传统的双脉冲共振激发技术，同时提高激光探针对痕量元素的探测灵敏度和定量分析精度，适用于对粮食与生物样品中痕量重金属元素的检测。为实现上述目的，本专利技术提出了一种基于光纤波导循环激发的激光诱导击穿荧光光谱分析系统，其包括激光发生模块、共振激发模块和采集模块，其中：所述激光发生模块包括激光全反镜、聚焦透镜以及用于发射脉冲激光使待分析样品表面烧蚀的Nd：YAG激光器，该激光全反镜与所述Nd：YAG激光器的出光口位于同一水平光路中，所述聚焦透镜与激光全反镜的连线与所述水平光路垂直，该聚焦透镜的正下方设置有用于放置待分析样品的电动位移平台；所述共振激发模块包括OPO激光器、双端输入单端输出宽带多芯光纤以及与所述OPO激光器的出光口位于同一水平光路上的依次排列的第一光纤耦合器、光纤输出整形模块和第二光纤耦合器，该双端输入单端输出宽带多芯光纤的两输入端分别与所述第一光纤耦合器和第二光纤耦合器相连，输出端与所述光纤输出整形模块相连；所述采集模块包括光纤采集头、光栅光谱仪、增强型CCD和计算机，所述光纤采集头的一端对准所述待分析样品上的烧蚀点，另一端通过采集光纤、光栅光谱仪与所述增强型CCD相连，该增强型CCD与所述计算机相连。针对目前传统的单脉冲和共振激发激光探针灵敏度不佳的问题，本专利技术提供了上述技术方案，通过循环利用OPO激光器输出的共振激光，一方面可增加共振激光的脉冲宽度；另一方面可对等离子体进行持续的共振激发，以实现对等离子体中待测元素基态粒子的彻底激发，提高可调谐激光的利用效率，从而大幅提高基于共振激发的双激光光源的激光探针的检测极限。作为进一步优选的，所述Nd：YAG激光器(2)位于OPO激光器的上方，该OPO激光器安装在光学平台上。作为进一步优选的，所述激光全反镜与聚焦透镜均由固定支架固定。作为进一步优选的，所述分析系统还包括数字延时脉冲产生器，其用于控制所述OPO激光器和Nd：YAG激光器的出射激光之间的延时，同时用于控制所述增强型CCD采集光谱的延时。作为进一步优选的，所述OPO激光器的输出波段在200-400nm，脉冲宽度为5-10ns量级，常用紫外波段激光能量在0.5-10mJ，激光重复频率为1-20Hz。作为进一步优选的，所述光栅光谱仪和增强型CCD从所述OPO激光器出光开始采集光谱，直至等离子完全冷却停止采集，采集时间为20-1000ns量级。作为进一步优选的，所述双端输入单端输出宽带多芯光纤用于激光循环激发，其工作波段为200nm-400nm的紫外到可见光波段，纤芯数在8芯及以上。作为进一步优选的，所述宽带多芯光纤为交错排列结构，其两输入端B1，B2由多芯光纤组成，用于收集共振激光，其输出端A由输入端B1，B2汇集而成，且输出端A的纤芯按B1B2B1B2这种隔一夹杂模式交错排列。作为进一步优选的，所述采集光纤的输入端为M×N矩形排列，输出端为纵向1×(M×N)一字排列。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.本专利技术利用双端输入单端输出结构的光纤，通过第一输入端传导共振激光，并在输出端输出，随后在与输出端同一条直线的第二输入端“回收”多余的共振激光，将穿过等离子体的共振激光再次搜集，并通过输出端，再次导入共振激发光路，该结构可使一束可调谐激光在时域上持续的对特定原子进行共振激发，以循环利用共振激光，从而提升可调谐激光的利用率，显著提升系统的检测极限，相比于传统的激光诱导击穿荧光光谱技术而言，本专利技术的荧光作用时间从10ns量级(OPO激光器激光脉宽)最大延长到μs量级，大幅提高了OPO激光的利用率，从而提高单次Nd：YAG激光烧蚀后共振激发产生的荧光强度。2.本专利技术的光路系统设计了交错排列结构的宽带多芯光纤以保证输出端激光的均匀性，首先宽带光纤可以通过不同波长的共振激光，增加本系统的通用性；其次由于共振激光会被等离子体吸收，导致通过等离子体之后的光强分布不均，本光纤输入端B1和B2由多芯光纤组成，用于收集共振激光，输出端A由输入端B1和B2汇集而成，且纤芯按B1B2B1B2这种隔一夹杂模式交错排列，这种交错排列结构可以使第一输入端和第二输入端输入的激光信号均匀的分布在输出端面，保证通过等离子体区域的可调谐激光的均匀性，并使等离子体被共振激光全覆盖。3.本专利技术采用具有空间分辨能力的采集光纤，由于等离子体在空间上具有不均匀分布的特性，本系统设计的采集光纤为输入端为M×N矩形排列(这里的M、N取值由所需空间分辨率决定，M、N取值越大空间分辨率越高，M、N取值越小空间分辨率越低)，输出端为纵向1×(M×N)一字排列，使得等离子体在输出端被纵向分割，从而可在单次采集的条件下对等离子体进行空间分辨研究，获得等离子体荧光空间分布状况，对等离子体中粒子的能态分布的研究本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于光纤波导循环激发的激光诱导击穿荧光光谱分析系统，其特征在于，包括激光发生模块、共振激发模块和采集模块，其中：所述激光发生模块包括激光全反镜(4)、聚焦透镜(8)以及用于发射脉冲激光使待分析样品(7)表面烧蚀的Nd：YAG激光器(2)，该激光全反镜(4)与所述Nd：YAG激光器(2)的出光口位于同一水平光路中，所述聚焦透镜(8)与激光全反镜(4)的连线与所述水平光路垂直，该聚焦透镜(8)的正下方设置有用于放置待分析样品(7)的电动位移平台(6)；所述共振激发模块包括OPO激光器(1)、双端输入单端输出宽带多芯光纤(10)以及与所述OPO激光器(1)的出光口位于同一水平光路上的依次排列的第一光纤耦合器(3)、光纤输出整形模块(5)和第二光纤耦合器(9)，该双端输入单端输出宽带多芯光纤(10)的两输入端分别与所述第一光纤耦合器(3)和第二光纤耦合器(9)相连，输出端与所述光纤输出整形模块(5)相连；所述采集模块包括光纤采集头(11)、光栅光谱仪(12)、增强型CCD(13)和计算机(14)，所述光纤采集头(11)的一端对准所述待分析样品(7)上的烧蚀点，另一端通过采集光纤(21)、光栅光谱仪(12)与所述增强型CCD(13)相连，该增强型CCD(13)与所述计算机(14)相连。...

【技术特征摘要】
1.基于光纤波导循环激发的激光诱导击穿荧光光谱分析系统，其特征在于，包括激光发生模块、共振激发模块和采集模块，其中：所述激光发生模块包括激光全反镜(4)、聚焦透镜(8)以及用于发射脉冲激光使待分析样品(7)表面烧蚀的Nd：YAG激光器(2)，该激光全反镜(4)与所述Nd：YAG激光器(2)的出光口位于同一水平光路中，所述聚焦透镜(8)与激光全反镜(4)的连线与所述水平光路垂直，该聚焦透镜(8)的正下方设置有用于放置待分析样品(7)的电动位移平台(6)；所述共振激发模块包括OPO激光器(1)、双端输入单端输出宽带多芯光纤(10)以及与所述OPO激光器(1)的出光口位于同一水平光路上的依次排列的第一光纤耦合器(3)、光纤输出整形模块(5)和第二光纤耦合器(9)，该双端输入单端输出宽带多芯光纤(10)的两输入端分别与所述第一光纤耦合器(3)和第二光纤耦合器(9)相连，输出端与所述光纤输出整形模块(5)相连；所述采集模块包括光纤采集头(11)、光栅光谱仪(12)、增强型CCD(13)和计算机(14)，所述光纤采集头(11)的一端对准所述待分析样品(7)上的烧蚀点，另一端通过采集光纤(21)、光栅光谱仪(12)与所述增强型CCD(13)相连，该增强型CCD(13)与所述计算机(14)相连。2.如权利要求1所述的基于光纤波导循环激发的激光诱导击穿荧光光谱分析系统，其特征在于，所述Nd：YAG激光器(2)位于OPO激光器(1)的上方，该OPO激光器(1)安装在光学平台(22)上。3.如权利要求1或2所述的基于光纤波导循环激发的激光诱导击穿荧光光谱分析系统，其特征在于，所述激光全反镜(4)与聚焦透镜(8)均由固定支架(23...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭连波，易荣兴，李嘉铭，杨新艳，周冉，李祥友，陆永枫，曾晓雁，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42