一种显微共振激光诱导击穿光谱检测系统技术方案

本实用新型专利技术公开一种显微共振激光诱导击穿光谱检测系统，包括：波长可调谐激光器发射波长可调谐的激光束；比例分束镜将激光束分成两束，得到第一激光束和第二激光束；第一反射率可调滤光片接收第一激光束并调节其能量在第一范围后将其射入聚焦镜，聚焦镜将能量调节后的第一束激光束聚焦并射入样品；第二反射率可调滤光片接收第二激光束并调节其能量在第二范围后将其射入传输光程调节模块；传输光程调节模块用于控制能量调节后的第二激光束的传输光程，使其与第一激光束到达样品表面的时间产生纳秒量级的延时，对待分析元素进行共振激发。本实用新型专利技术对一束激光分束，并引入光束延时使两光束延时可调，将显微聚焦与共振激发技术有机结合。

【技术实现步骤摘要】
一种显微共振激光诱导击穿光谱检测系统
本技术涉及光谱检测
，更具体地，涉及一种显微共振激光诱导击穿光谱检测系统。
技术介绍
激光诱导击穿光谱(Laser-inducedBreakdownSpectroscopy，LIBS)技术是一种激光等离子体发射光谱分析技术。LIBS技术具有制样简单、不需要真空、检测过程快速、适合全元素分析、不受样品种类和环境限制等特点。目前，常规LIBS方法和设备对物质成分的检测极限在10-6量级，对样品的损伤尺度在几百微米。为了提高LIBS的检测灵敏度，人们提出双脉冲激发LIBS(DP-LIBS)和激光诱导荧光辅助LIBS(LIBS-LIF)技术，这两种技术在改善分析灵敏度上效果显著，但它们都需要两台激光器，不仅昂贵，而且体积庞大，系统复杂。此外，对于贵重物品或要求高空间分辨率的检测时，需要减小对样品表面的损伤程度，现有显微LIBS技术分析空间尺度可达微米量级，但只能实现对样品基体元素和高含量元素的分析，对低含量元素的分析灵敏度严重不足。因此，在微损检测的同时实现高灵敏度分析，而又不大幅增加系统成本和装置的复杂性，是LIBS技术面临的重要挑战。中国专利文献CN103323435A《基于双脉冲散焦预烧蚀的激光诱导击穿光谱探测系统》公开一种基于双脉冲散焦预烧蚀的激光诱导击穿光谱探测系统，其首先采用一定比例的分光镜把脉冲激光分为两束，一束经过散焦光路，照射在样品表面，使得靶材表面被均匀烧蚀，另一束脉冲激光经过延时聚焦光路，在第一束激光脉冲后到达样品表面。该双脉冲散焦预烧蚀LIBS系统可有效减小传统LIBS中烧蚀孔效应的影响，从而提高LIBS探测的精度。但是，该装置对样品的烧蚀坑尺度难以达到微米量级，且不能有效提高分析元素的灵敏度。中国专利文献CN101782517A《一种基于双激光光源的激光探针微区成分分析仪》公开了一种基于双激光光源的激光探针微区成分分析仪，该仪器利用固定波长激光和波长可调谐激光构建基于LIBS-LIF原来的同轴微区成分分析仪，但其需要先用固定波长激光将分析物质烧蚀出来，再对目标元素进行共振激发，因而需要两台激光器，仪器成本高。
技术实现思路
针对现有技术的缺陷，本技术的目的在于解决现有LIBS技术在物质成分微损分析不可同时实现对样品微损伤和高灵敏度检测，以及需要利用两台激光器，仪器成本高等技术问题。为实现上述目的，本技术提供一种显微共振激光诱导击穿光谱检测系统，包括：波长可调谐激光器、比例分束镜、第一反射率可调滤光片、聚焦镜、第二反射率可调滤光片、传输光程调节模块、显微聚焦物镜以及光谱采集检测模块；波长可调谐激光器发射波长可调谐的激光束；比例分束镜用于将所述激光束分成两束，得到第一激光束和第二激光束；第一反射率可调滤光片接收第一激光束并调节其能量在第一范围后将其射入聚焦镜，第一激光束能量的第一范围根据样品激发特性确定，以能够激发样品产生处于等离子体激发阈值附近的低密度蒸汽为准；聚焦镜用于将能量调节后的第一束激光束聚焦并射入样品，使其作用于样品产生处于等离子体激发阈值附近的低密度蒸汽，所述第一激光束聚焦后的焦点位于样品表面的下方；第二反射率可调滤光片接收第二激光束并调节其能量在第二范围后将其射入传输光程调节模块，第二激光束能量的第二范围以可以对样品共振激发的前提下对样品损伤达到最小为准；传输光程调节模块用于控制能量调节后的第二激光束的传输光程，使其与第一激光束到达样品表面的时间产生纳秒量级的延时；显微聚焦物镜接收传输光程调节模块输出的第二激光束，并对其进行聚焦后射入样品，当激光束的波长调谐至与样品中待分析元素谱线能级相匹配时，可对待分析元素进行共振激发；光谱采集检测模块用于采集待分析元素共振激发后形成的等离子体对应的特征谱线，以检测样品中待分析元素的含量。需要说明的是，显微聚焦物镜可以使激光聚焦后的光斑达到3～10微米级别，可大大减小对分析对象的损伤，而一般聚焦镜聚焦后激光光斑大小在几百微米。可选地，传输光程调节模块包括：第一反射镜和第二反射镜；所述第一反射镜和第二反射镜呈90度角固定于同一导轨上，经第二反射率可调滤光片调节能量后的第二激光束沿第二激光束射入样品的相反方向射入第一反射镜，经过第二反射镜反射后射入样品；第二激光束的传输光程通过控制第一反射镜和第二反射镜在导轨上滑动调节，所述导轨的滑动方向平行于所述第二激光束射入样品的方向。可选地，传输光程调节模块包括：直角棱镜；所述直角棱镜安装在导轨上，经第二反射率可调滤光片调节能量后的第二激光束沿第二激光束射入样品的相反方向射入直角棱镜，经过直角棱镜传输后射入样品；第二激光束的传输光程通过控制直角棱镜在导轨上滑动调节，所述导轨的滑动方向平行于所述第二激光束射入样品的方向。可选地，传输光程调节模块包括：传能光纤；当传输光程调节模块包括传能光纤时，第二反射可调滤光片位于传输光程调节模块之后，即经过传输光程调节模块调节第二激光束的传输光程后，再对第二激光束进行能量调节；所述传能光纤的入光口位于比例分束镜分束后第二激光束的出射方向，以保证第二激光束可以耦合到传能光纤中，传能光纤的出光口和入光口保持在一条直线上，以使第二激光束经第二反射可调滤光片反射调节能量；第二激光束的传输光程通过传能光纤的长度调节。可选地，该显微共振激光诱导击穿光谱检测系统还包括：时序控制器；设触发波长可调谐激光器发射激光束的通道为通道A，触发光谱采集探测模块采集待分析元素共振激发后形成的等离子体的通道为通道B；所述时序控制器用于依据待分析元素特征谱线的信噪比控制通道A和通道B的延时间隔，以及光谱采集检测模块的采集门宽。总体而言，通过本技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：本技术采用将一束波长可调谐激光激光分束，一束作为预烧蚀光，一束作为显微共振激发光，并引入光束延时系统使两光束延时可调，将显微聚焦与共振激发技术有机结合，同时实现了微损与高灵敏度LIBS分析。具体而言，本技术专利具有以下技术特点：(1)本技术的突出特点是利用比例分束镜将一波长可调谐激光器的激光分成两束，其中一束激光经过聚焦后对样品表面进行预烧蚀形成接近等离子体激发阈值的低密度蒸汽，另一束激光通过显微聚焦系统后对一微小区域的低密度蒸汽进行共振激发，因此对样品损伤可减小至微米量级，另外，通过选择可调谐激光波长对待分析元素的特征谱线进行选择性增强，提高检测的灵敏度，因此，本技术可实现微损与高灵敏度分析的统一，且本技术仅利用一台激光器实现，大大降低了成本。(2)本技术引入光学延时系统使得分束后的两束波长可调谐激光产生纳秒量级的可调延时，使得预烧蚀激光先到达样品，在样品表面烧蚀物质产生接近等离子体激发阈值的低密度蒸汽，一定延时后到达的显微共振激光对低密度蒸汽进行共振激发产生等离子体，延时单元的引入使得显微共振激光对低密度蒸汽的激发时间具有选择性，从而防止两束激光叠加作用于样品，增加对样品的损伤，也避免形成高温等离子体，降低谱线受连续背景干扰。(3)本技术先利用一束激光对分析样品表面进行预烧蚀，产生接近等离子体激发阈值的低密度蒸汽，因而使得激发对象统一转变为低密度蒸汽，从而可有效降低基体效应对分析结果的影响。附图说明图本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种显微共振激光诱导击穿光谱检测系统，其特征在于，包括：波长可调谐激光器、比例分束镜、第一反射率可调滤光片、聚焦镜、第二反射率可调滤光片、传输光程调节模块、显微聚焦物镜以及光谱采集检测模块；波长可调谐激光器发射波长可调谐的激光束；比例分束镜用于将所述激光束分成两束，得到第一激光束和第二激光束；第一反射率可调滤光片接收第一激光束并调节其能量在第一范围后将其射入聚焦镜，第一激光束能量的第一范围根据样品激发特性确定，以能够激发样品产生处于等离子体激发阈值附近的低密度蒸汽为准；聚焦镜用于将能量调节后的第一束激光束聚焦并射入样品，使其作用于样品产生处于等离子体激发阈值附近的低密度蒸汽，所述第一激光束聚焦后的焦点位于样品表面的下方；第二反射率可调滤光片接收第二激光束并调节其能量在第二范围后将其射入传输光程调节模块，第二激光束能量的第二范围以可以对样品共振激发的前提下对样品损伤达到最小为准；传输光程调节模块用于控制能量调节后的第二激光束的传输光程，使其与第一激光束到达样品表面的时间产生纳秒量级的延时；显微聚焦物镜接收传输光程调节模块输出的第二激光束，并对其聚焦后射入样品，当激光束的波长调谐至与样品中待分析元素谱线能级相匹配时，可对待分析元素进行共振激发；光谱采集检测模块用于采集待分析元素共振激发后形成的等离子体对应的特征谱线，以检测样品中待分析元素的含量。...

【技术特征摘要】
1.一种显微共振激光诱导击穿光谱检测系统，其特征在于，包括：波长可调谐激光器、比例分束镜、第一反射率可调滤光片、聚焦镜、第二反射率可调滤光片、传输光程调节模块、显微聚焦物镜以及光谱采集检测模块；波长可调谐激光器发射波长可调谐的激光束；比例分束镜用于将所述激光束分成两束，得到第一激光束和第二激光束；第一反射率可调滤光片接收第一激光束并调节其能量在第一范围后将其射入聚焦镜，第一激光束能量的第一范围根据样品激发特性确定，以能够激发样品产生处于等离子体激发阈值附近的低密度蒸汽为准；聚焦镜用于将能量调节后的第一束激光束聚焦并射入样品，使其作用于样品产生处于等离子体激发阈值附近的低密度蒸汽，所述第一激光束聚焦后的焦点位于样品表面的下方；第二反射率可调滤光片接收第二激光束并调节其能量在第二范围后将其射入传输光程调节模块，第二激光束能量的第二范围以可以对样品共振激发的前提下对样品损伤达到最小为准；传输光程调节模块用于控制能量调节后的第二激光束的传输光程，使其与第一激光束到达样品表面的时间产生纳秒量级的延时；显微聚焦物镜接收传输光程调节模块输出的第二激光束，并对其聚焦后射入样品，当激光束的波长调谐至与样品中待分析元素谱线能级相匹配时，可对待分析元素进行共振激发；光谱采集检测模块用于采集待分析元素共振激发后形成的等离子体对应的特征谱线，以检测样品中待分析元素的含量。2.根据权利要求1所述的显微共振激光诱导击穿光谱检测系统，其特征在于，传输光程调节模块包括：第一反射镜和第二反射镜；所述第一反射镜和第二反射镜呈90度角固定于同一导轨上，经第二反射率可调滤光片调节能量后的第二激光...

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