一种飞秒等离子体光栅诱导击穿光谱检测的方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及元素检测技术领域，具体涉及一种飞秒等离子体光栅诱导击穿光谱检测的方法及装置，将发射的飞秒脉冲依次经过分束、时域同步和聚焦之后形成空间周期调制的等离子体光栅，采用所述等离子体光栅诱导击穿光谱对待测样品进行检测。本发明专利技术的方法将超快光学中的等离子体光栅与激光诱导击穿光谱(LIBS)相结合，既保留了LIBS技术实时、快速、微损、全元素分析等无可比拟的优势，又在一定程度克服了单束飞秒光丝钳制功率的限制，提高了自由电子密度，从而能提高元素信号强度，提高了检测灵敏度。

【技术实现步骤摘要】
一种飞秒等离子体光栅诱导击穿光谱检测的方法及装置
本专利技术涉及元素检测
，具体涉及一种飞秒等离子体光栅诱导击穿光谱检测的方法及装置。
技术介绍
近些年来，对常见的样品元素的检测的需求日益增多，例如对水体和土壤中重金属元素的检测来监测与治理重金属的污染，对蔬菜、茶叶等有机物中各种元素的检测来评估其对摄入人体的影响好坏。传统的物质分析检测通常采用取样后通过实验室化学试剂处理和光谱仪器进行分析的方法。虽然这些方法检测准确度高，但是传统的方法检测周期较长，不能进行快速即时检测，而且检测过程中化学试剂处理容易产生二次污染。最近，结合最新研究成果出现的一系列新型检测技术方法例如高光谱分析技术、电化学分析法、生物分析法、太赫兹分析法等，依然存在着预处理复杂、不能实时快速得出结果、容易造成二次污染等问题。能够简单预处理并快速实时分析土壤重金属含量是十分重要的。激光诱导击穿光谱(Laser-InducedBreakdownSpectroscopy,LIBS)是近年来新兴的光谱检测技术，与其它光谱技术相比，因其具有样品预处理简单、实时、快速、微损、全元素分析等无可比拟的优势，得到了广泛的关注，也被广泛应用于冶金分析、环境监测、地质勘探、在线监控、国防等领域。该方法用于样品监测只需对样品进行简单处理甚至不需要处理即可进行激光诱导击穿光谱分析，但是存在着检测灵敏度不高的问题。传统的激光诱导击穿光谱系统采用的是单束纳秒脉冲激光或者飞秒脉冲激光作为源来激发物质。纳秒脉冲激光激发产生的等离子体演化初期存在很强的逆韧致辐射导致荧光光谱具有很强的连续背景噪声，会掩盖目标信号光谱；延时采集信号可以解决强连续谱的影响，但是也会导致目标信号光谱减弱，降低最终的探测灵敏度；飞秒脉冲激光激发无很强的背景光谱，但是脉冲激光拉丝过程中克尔自聚焦效应与等离子体自散焦效应的平衡，形成光丝会存在一定的钳制功率，聚焦到样品表面无法有效提高激发自由电子密度，导致信号光谱强度无法有效随激光强度提高而提高，从而限制探测灵敏度的提高。如何避免强背景光谱同时又不牺牲信号光谱强度，如何有效提高激光聚焦处的自由电子密度，从而提高元素检测灵敏度是关键所在。
技术实现思路
为了克服现有技术中存在的缺点和不足，本专利技术的目的在于提供一种飞秒等离子体光栅诱导击穿光谱检测的方法，将超快光学中的等离子体光栅与激光诱导击穿光谱(LIBS)相结合，既保留了LIBS技术实时、快速、微损、全元素分析等无可比拟的优势，又在一定程度克服了单束飞秒光丝钳制功率的限制，提高了自由电子密度，从而能提高元素信号强度，提高了检测灵敏度。本专利技术的另一目的在于提供过一种飞秒等离子体光栅诱导击穿光谱检测的装置，将飞秒脉冲转换为等离子体光栅，作用于待测样品，诱导更强的等离子体荧光，从而提高检测灵敏度。本专利技术的目的通过下述技术方案实现：一种飞秒等离子体光栅诱导击穿光谱检测的方法，将发射的飞秒脉冲激光依次经过分束、时域同步和聚焦之后形成空间周期调制的等离子体光栅，采用所述等离子体光栅诱导击穿光谱对待测样品进行检测。优选地，包括以下步骤：(1)激光发射模块发出飞秒脉冲激光经过分束模块分束得到分束脉冲激光；(2)所述步骤(1)得到的分束脉冲激光经过时域同步模块后形成多束同步脉冲激光；(3)所述步骤(2)得到的多束同步脉冲激光经过聚焦模块后形成多束同步光丝，多束同步光丝在空间交叉形成空间周期调制的等离子体光栅；(4)所述步骤(3)得到的等离子体光栅作用于待测样品，形成等离子体荧光光谱由光谱收集模块采集并检测。本专利技术的方法中，激光发射模块发射的飞秒脉冲激光依次经过分束、时域同步、聚焦之后形成多束同步光丝，多束同步光丝在空间交叉形成空间周期调制的等离子体光栅，将此等离子体光栅作用于待测样品表面，产生一些含有待检测物质的原子、离子或电子的等离子团荧光，由光谱收集模块采集并检测，其光谱信号得以增强，从而提高检测灵敏度。等离子体光栅内飞秒激光脉冲峰值功率突破常规飞秒光丝峰值功率钳制的限制，产生空间周期调制的高峰值功率密度的飞秒激光脉冲，作用于待测样品，获得比常规飞秒光丝至少高一个量级的峰值功率密度，作用于待测样品表面，诱导更强的等离子体荧光。本专利技术的方法可以克服基体效应对等离子体光谱的不利影响，无需标准样品即可实现待测离子浓度定标。另外，飞秒等离子体光栅的荧光背景的影响小(飞秒光的特点，脉宽较小)，飞秒等离子体光栅诱导击穿光谱的信噪比高。经时域同步和聚焦之后的多束同步光丝在空间交叉相互作用，形成空间周期调制的等离子体光栅，此为现有技术，再次不再赘述。优选地，所述步骤(1)中，经分束之后产生的分束脉冲激光的数量为至少两束。所述等离子体光栅包括至少两束同步光丝，多个等离子体光栅形成等离子体光栅级联。分束模块可为多个，进行多次分束。具体的，本专利技术中激光发射模块发射的飞秒脉冲激光至少经一次分束得到两束分束脉冲激光，两束分束脉冲激光经过时域同步和聚焦之后形成两束同步光丝，两束同步光丝在空间交叉形成空间周期调制的等离子体光栅；其中，两束分束脉冲激光也可以再分别经过多次分束即可得到多束分束脉冲激光，经聚焦模块之后形成多束同步光丝，多束同步光丝在空间交叉形成多个空间周期调制的等离子体光栅，多个等离子体光栅形成等离子体光栅联级。优选地，所述步骤(4)中，在等离子体光栅与待测样品接触处设置有气体氛围。本专利技术中等离子体光栅内辅助气体经多光子电离，诱导产生高密度的电子，调节辅助气体的种类、流速、密度，调控气体分子电离从而调控等离子体光栅内的电子密度。辅助气体多光子电离产生的电子在等离子体光栅内由高功率密度飞秒脉冲激光驱动加速,被加速的电子与等离子体光栅内的气体分子碰撞进一步诱导雪崩式电离，提高电子密度。等离子体光栅的飞秒激光以及其中被飞秒激光加速的电子作用于待测样品,激化待测样品，获得等离子体击穿光谱,其光谱信号得以增强，从而提高检测灵敏度。等离子体光栅内高峰值功率激光及其加速的电子作用于待测样品表面，可诱导击穿常规激光消融难以激励的超硬材料、超稳定氧化物、陶瓷材料、等等。优选地，所述气体为氩气或/和氖气。选用氩气或者氖气作为气体氛围，能极大的增强待测样品的光谱信号，空气作为气体氛围，则光谱信号没有增强效果。优选地，所述气体的流速为2-10L/min。选用气体的流速为2-10L/min时，待测样品的光谱信号较强，气体流速太小或者太大均会导致待测样品的光谱信号的减弱。优选地，所述待测样品为固体、液体或气体中的一种或几种。本专利技术的等离子体光栅的空间周期调制作用于液体表面，在液体表面实现等离子体光栅的周期性调制的消融，在液面直接诱导击穿光谱检测。本专利技术的等离子体光栅内高峰值功率激光及其加速的电子作用于待测样品表面，可诱导击穿常规激光消融难以激励的超硬材料、超稳定氧化物、陶瓷材料、等等。本专利技术的检测方法，将样品由等离子体光栅诱导击穿，不受样品状态限制，特别本专利技术的优点还在于可以检测电离势高难以实现激光直接激化的离子、惰性气体、重金属离子、分子离子等，获得离子发射的特征光谱，检测范围覆盖面广。本专利技术的另一目的通过下述技术方案实现：一种飞秒等离子体光栅诱导击穿光谱检测的装置，沿着激光的发射路径依次包括激光发射模块、分束模块、时域同步模块、聚焦模块、载物模本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种飞秒等离子体光栅诱导击穿光谱检测的方法，其特征在于：将发射的飞秒脉冲激光依次经过分束、时域同步和聚焦之后形成空间周期调制的等离子体光栅，采用所述等离子体光栅诱导击穿光谱对待测样品进行检测。

【技术特征摘要】
1.一种飞秒等离子体光栅诱导击穿光谱检测的方法，其特征在于：将发射的飞秒脉冲激光依次经过分束、时域同步和聚焦之后形成空间周期调制的等离子体光栅，采用所述等离子体光栅诱导击穿光谱对待测样品进行检测。2.根据权利要求1所述的飞秒等离子体光栅诱导击穿光谱检测的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)激光发射模块发出飞秒脉冲激光经过分束模块分束得到分束脉冲激光；(2)所述步骤(1)得到的分束脉冲激光经过时域同步模块后形成多束同步脉冲激光；(3)所述步骤(2)得到的多束同步脉冲激光经过聚焦模块后形成多束同步光丝，多束同步光丝在空间交叉形成空间周期调制的等离子体光栅；(4)所述步骤(3)得到的等离子体光栅作用于待测样品，形成等离子体荧光光谱由光谱收集模块采集并检测。3.根据权利要求2所述的飞秒等离子体光栅诱导击穿光谱检测的方法，其特征在于：所述步骤(1)中，经分束之后产生的分束脉冲激光的数量为至少两束。4.根据权利要求1或2所述的飞秒等离子体光栅诱导击穿光谱检测的方法，其特征在于：所述步骤(4)中，在等离子体光栅与待测样品接触处设置有气体氛围。...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾和平，牛盛，
申请(专利权)人：广东朗研科技有限公司，上海朗研光电科技有限公司，华东师范大学，
类型：发明
国别省市：广东,44