一种快速优化激光诱导击穿光谱透镜距离的装置及方法，属于等离子体发射光谱测量设备及方法技术领域，用于快速优化激光诱导击穿光谱透镜与样品表面距离。其技术方案是：汇聚透镜部分位于激光器与样品夹持部分之间，样品夹持在样品夹持部分中，收光部分与光谱仪相连接。汇聚透镜部分的转接板与激光器出光口相连接，四个滑动杆的上端与转接板连接，汇聚透镜镜圈圆周可以沿着四个滑动杆上下滑动，汇聚透镜固定在汇聚透镜镜圈中心部位，汇聚透镜镜圈与千分尺的手轮为联动连接。本发明专利技术调整精度高、成本低、体积小，可以达到最优化的LTSD，对改善光谱信号强度、烧蚀面积、烧蚀深度及光谱信号稳定性都有良好作用，提高了激光诱导击穿光谱测量精度。
【技术实现步骤摘要】
一种快速优化激光诱导击穿光谱透镜距离的装置及方法
本专利技术涉及一种快速优化激光诱导击穿光谱透镜与样品表面距离的装置及方法，属于等离子体发射光谱测量设备及方法
技术介绍
激光诱导击穿光谱（LaserInducedBreakdownSpectroscopy，LIBS）技术是一种原子发射光谱法，其工作流程为：利用脉冲激光器发出一定频率、一定能量的脉冲激光，经过汇聚透镜系统聚焦在样品表面，诱导剥蚀样品并产生等离子体，等离子体信号经收光系统送入光谱仪进行探测及分析处理，实现对待测样品定性、定量分析。LIBS技术具有简便、快速、无需繁琐样品制备、多元素同时检测等优势，在钢铁行业中广泛推广LIBS方法可为用户带来特别的利益。激光诱导等离子体是一个瞬态多变的过程，LIBS对样品检测时，汇聚透镜到样品表面距离（Lens-to-sampledistance,LTSD）是影响等离子体特性的一个重要因素，LTSD的优化对光谱信号强度、烧蚀面积、烧蚀深度及光谱信号稳定性都有极大影响，从而影响了LIBS技术检测精密度及准确性。目前，国内外研究者常常采用高精密平移台承载样品或汇聚透镜进行移动的方式改变LTSD，高精密平移台虽然调整精度较高，但成本高、体积大，而且电动平移台还需要配备电控箱，不适用于初步试验研究及后期设备集成。对于各个待测样品，形状各异，高度不同、平整度不同，为保证各个样品的检测面一致，还需配置样品夹持装置。中国专利申请号201620434002.6和201820032976.0分别公开了“[l1]种激光诱导击穿光谱检测固体试样的夹持装置”和“一种激光诱导击穿光谱检测不规则固体试样夹持装置”，这两项专利提供了一种样品夹持定位模块，这种样品夹持定位模块可以用于固定待测样品，并可自适应样品的高度及规格，保证各样品的检测面均一致，进而保证了实验功率密度一致。由于光学系统的像差、色差等影响，汇聚透镜实际焦距（实际焦平面位置）往往与标称焦距不重合，利用软件模拟又需要大量机械尺寸定位，寻找焦平面比较复杂。调整位置后在不同的LTSD处进行实验，得到的大量光谱数据需要进行分析处理及对比，如信号强度、信号波动性等，从而确定最优LTSD，整个实验、处理及比较的过程较为繁琐，快速处理的软件涉及保密往往成本较高。综上所述，本领域目前存在着发展一种快速优化LTSD的装置及方法的技术需求。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种快速优化激光诱导击穿光谱透镜距离的装置及方法，这种装置及方法能够解决目前LIBS设备在成分检测过程中的LTSD调整繁琐、成本高、处理过程复杂的问题，快速优化位置参数，提升信号稳定性进而提高检测准确性。解决上述技术问题的技术方案是：一种快速优化激光诱导击穿光谱透镜距离的装置，它包括汇聚透镜部分、样品夹持部分、收光部分，汇聚透镜部分位于激光器出射的激光与样品夹持部分之间，待测样品夹持在样品夹持部分中，收光部分位于样品夹持部分的一侧，收光部分与光谱仪相连接；汇聚透镜部分包括转接板、滑动杆、汇聚透镜镜圈、汇聚透镜、千分尺固定架、千分尺，转接板为正方形平板，转接板与激光器的出光口相连接，转接板的板面与激光器的出光轴线垂直，转接板的四角分别有螺孔，四个滑动杆的上端有螺纹与转接板的螺孔分别连接，汇聚透镜镜圈圆周分别有四个滑动孔与四个滑动杆下端垂直相对，汇聚透镜镜圈圆周的四个滑动孔分别与四个滑动杆下部为滑动配合，汇聚透镜固定在汇聚透镜镜圈中心部位，汇聚透镜镜圈与千分尺的手轮为联动连接，千分尺安装在千分尺固定架上，千分尺固定架与样品夹持部分固定连接。上述快速优化激光诱导击穿光谱透镜距离的装置，所述千分尺有隔热装置镶嵌在千分尺固定架上端的卡槽内，千分尺的测微螺杆与汇聚透镜镜圈上表面贴紧，4个滑动杆的底部均装有螺母，4个滑动杆的螺母与汇聚透镜镜圈下表面中间均穿有长弹簧，四个长弹簧下端固定在螺母上，上端顶住汇聚透镜镜圈下表面，调节千分尺的调节螺母，可以调节汇聚透镜镜圈上下移动预定距离。上述快速优化激光诱导击穿光谱透镜距离的装置，所述样品夹持部分包括样品夹持底板、样品夹持定位模块，样品夹持底板与激光器的背板相连接，样品夹持定位模块固定在样品夹持底板上，千分尺固定架安装在样品夹持定位模块的上端，样品夹持在样品夹持定位模块中。上述快速优化激光诱导击穿光谱透镜距离的装置，所述收光部分包括角度调节杆、收光光路，角度调节杆一端通过转动轴安装在样品夹持底板的上端，收光光路安装于角度调节杆上。一种使用上述技术方案1-4任意一项所述的快速优化激光诱导击穿光谱透镜距离的装置的快速优化激光诱导击穿光谱透镜距离的方法，它采用以下步骤进行：a.安装一定焦距f的汇聚透镜，装入汇聚透镜镜圈，将汇聚透镜镜圈贯穿在滑动杆上，并与千分尺手轮装好联动部件；b.安装并固定待测样品于样品夹持定位模块，保证样品检测面一致性；c.调节样品夹持定位模块使样品检测面与汇聚透镜的距离LTSD略大于汇聚透镜焦距f；d.设定激光器、光谱仪参数，寻找汇聚透镜焦平面，移动汇聚透镜使得LTSD=f，即汇聚透镜焦平面与样品检测面重合，此时千分尺标尺对应位置为0点；e.调整收光部分与样品检测面的距离、角度等参数，使得检测信号强度适中；f.转动千分尺手轮，调整汇聚透镜上下位置，在不同LTSD处转动样品，每个LTSD处多点检测实验并保存光谱数据；g.对得到各个位置处的光谱数据在分析模块结合matlab进行处理分析，信息汇总或绘图比较得到汇聚透镜的最优位置。本专利技术的有益效果是：本专利技术采用固定激光器、待测样品及收光部分的位置，在滑动杆上滑动汇聚透镜镜圈，并与千分尺联调实现精准移动及读数的方式，快速改变汇聚透镜到样品表面距离LTSD，调整便捷、成本低廉、结构紧凑、便于集成、定位精度高。本专利技术采用汇聚透镜与千分尺联动的方式，可连续调节汇聚透镜位置，简单易行，并可精准寻找汇聚透镜实际焦点。本专利技术的样品夹持定位模块可实现对不同规格样品的自适应夹持及定位，保证每次实验激光激发的功率密度一致，实现了检测条件统一性；还可对样品旋转，激发样品不同位置，保证了同一样品不同位置检测时条件一致性。本专利技术的收光部分可调整角度、前后位置，进而优化收光部分距离待测样品表面的位置参数，便于提高测量精度。本专利技术通过分析模块采用matlab进行不同位置处光谱数据的分析、比较及处理，最终确定最优位置进行定量检测，代码开源、编程简便、图形化界面便于分析及演示。本专利技术是优化激光诱导击穿光谱透镜与样品表面距离设备及方法的首创，具有调整精度高、成本低、体积小的优点，不需要配备其他辅助设备，可以达到最优化的LTSD，对改善光谱信号强度、烧蚀面积、烧蚀深度及光谱信号稳定性都有良好作用，从而提高了LIBS技术检测精密度及准确性。附图说明图1是本专利技术的安装位置示意图；图2是本专利技术的结构示意图；图3是图2的侧视图；图4是千分尺安装示意图；图5是本专利技术实施例优化LTSD效果图，其中：图5-a是不同透镜位置下若干元素谱线的峰值强度变化趋势三维图；图5-b是为若干元素谱线的峰值强度在汇聚透镜不同位置下的变化趋势；图5-c是为汇聚透镜不同位置下全谱RSD变化情况；图5-d是为若干元素谱线的RSD在不同汇聚透镜位置处的变化情况。图中标记如下：背板1、激本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种快速优化激光诱导击穿光谱透镜距离的装置，其特征在于：它包括汇聚透镜部分（3）、样品夹持部分（4）、收光部分（5），汇聚透镜部分（3）位于激光器（2）出射的激光与样品夹持部分（4）之间，待测样品（20）夹持在样品夹持部分（4）中，收光部分（5）位于样品夹持部分（4）的一侧，收光部分（5）与光谱仪（7）相连接；汇聚透镜部分（3）包括转接板（10）、滑动杆（11）、汇聚透镜镜圈（12）、汇聚透镜（13）、千分尺固定架（14）、千分尺（15），转接板（10）为正方形平板，转接板（10）与激光器（2）的出光口相连接，转接板（10）的板面与激光器（2）的出光轴线垂直，转接板（10）的四角分别有螺孔，四个滑动杆（11）的上端有螺纹与转接板（10）的螺孔分别连接，汇聚透镜镜圈（12）圆周分别有四个滑动孔与四个滑动杆（11）下端垂直相对，汇聚透镜镜圈（12）圆周的四个滑动孔分别与四个滑动杆（11）下部为滑动配合，汇聚透镜（13）固定在汇聚透镜镜圈（12）中心部位，汇聚透镜镜圈（12）与千分尺（15）的手轮为联动连接，千分尺（15）安装在千分尺固定架（14）上，千分尺固定架（14）与样品夹持部分（4）固定连接。...
【技术特征摘要】
1.一种快速优化激光诱导击穿光谱透镜距离的装置，其特征在于：它包括汇聚透镜部分（3）、样品夹持部分（4）、收光部分（5），汇聚透镜部分（3）位于激光器（2）出射的激光与样品夹持部分（4）之间，待测样品（20）夹持在样品夹持部分（4）中，收光部分（5）位于样品夹持部分（4）的一侧，收光部分（5）与光谱仪（7）相连接；汇聚透镜部分（3）包括转接板（10）、滑动杆（11）、汇聚透镜镜圈（12）、汇聚透镜（13）、千分尺固定架（14）、千分尺（15），转接板（10）为正方形平板，转接板（10）与激光器（2）的出光口相连接，转接板（10）的板面与激光器（2）的出光轴线垂直，转接板（10）的四角分别有螺孔，四个滑动杆（11）的上端有螺纹与转接板（10）的螺孔分别连接，汇聚透镜镜圈（12）圆周分别有四个滑动孔与四个滑动杆（11）下端垂直相对，汇聚透镜镜圈（12）圆周的四个滑动孔分别与四个滑动杆（11）下部为滑动配合，汇聚透镜（13）固定在汇聚透镜镜圈（12）中心部位，汇聚透镜镜圈（12）与千分尺（15）的手轮为联动连接，千分尺（15）安装在千分尺固定架（14）上，千分尺固定架（14）与样品夹持部分（4）固定连接。2.根据权利要求1所述的快速优化激光诱导击穿光谱透镜距离的装置，其特征在于：所述千分尺（15）有隔热装置镶嵌在千分尺固定架（14）上端的卡槽内，千分尺（15）的测微螺杆与汇聚透镜镜圈（12）上表面贴紧，4个滑动杆（11）的底部均装有螺母，4个滑动杆（11）的螺母与汇聚透镜镜圈（12）下表面中间均穿有长弹簧，四个长弹簧下端固定在螺母上，上端顶住汇聚透镜镜圈（12）下表面，调节千分尺调节螺母，可以调节汇聚透镜镜圈（12）上下移动预定距离。3.根据权利要求1所述的快速优化激光诱导击穿光谱透镜距离的装置，其...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘艳丽，石玉龙，梁乐涵，宋月，刘需，锯小然，
申请(专利权)人：河钢股份有限公司，
类型：发明
国别省市：河北,13
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