一种激光诱导等离子体增强和发射光高效收集方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术属于原子发射光谱测量技术领域，具体涉及一种及激光诱导等离子体增强和发射光高效收集方法及装置，高能脉冲激光垂直会聚于样品表面，在样品表面形成圆形状激光聚焦光斑，高能脉冲激光与样品互作用产生等离子体光谱；设计的开放式光滑三角腔体放置于样品表面，使聚焦光斑位置位于腔体两内壁中心位置；利用腔体约束等离子体羽的能力，增强等离子体光谱信号；利用腔体的开放式三角结构及光滑内壁减少腔体内等离子体发射光损耗，增加收集系统的光收集效率；最后获取双重增强效果的激光诱导等离子体光谱信号，增强激光诱导等离子体光谱强度,提高光谱稳定性和灵敏度。本发明专利技术可以有效地增强和充分地收集激光诱导等离子体光谱信号。光谱信号。光谱信号。

【技术实现步骤摘要】
一种激光诱导等离子体增强和发射光高效收集方法及装置


[0001]本专利技术涉及光谱分析技术、原子发射光谱测量技术等领域，具体的说，是一种激光诱导等离子体增强和发射光高效收集方法及装置。

技术介绍

[0002]激光诱导等离子体光谱，亦称激光诱导击穿光谱(Laser
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induced breakdown spectroscopy，简称LIBS)是一种元素成分分析技术，具有无需样品预处理、原位、远距离、无损测量等优点。在地质勘探领域、冶金工业、生物分析领域、艺术品分析领域、环境监测领域、航空航天等领域得到了广泛的应用。然而，由于LIBS信号易受基体效应、自吸收效应、实验仪器噪声和大气环境的影响，光谱信号较弱、灵敏度较低，影响定量检测精度。有效增强LIBS光谱，提高光谱灵敏度和信噪比是目前LIBS一个亟待解决的问题。
[0003]目前，学者们研究的光谱增强技术主要集中在光路的改进和样品制样方法两个方面，例如双脉冲激光增强、火花放电加热增强、微波辅助增强、磁约束、电火花增强、纳米颗粒增强、或以上两种技术相结合的增强技术。但是这些技术在增强光谱的同时也增加了LIBS系统及操作的复杂性，且成本较高。如双脉冲技术需要增加一台激光器或者偏振片，微波辅助和电火花增强需要依靠昂贵和复杂的额外装置，金纳米颗粒的成本高昂等等。等离子体空间约束技术是一种利用约束腔体反射冲击波并压缩等离子体羽，等离子密度增加，等离子体温度上升，从而增强等离子体羽的发射光强度。空间约束增强技术只需一个小尺寸腔体就能实现约束增强的功能，该技术以较低的成本能够提高LIBS信号的光谱强度。
[0004]目前空间约束技术的研究集中于腔体的形状和材料，腔体形状方面有圆柱形、平行平板、正方形和半球形腔体，腔体材料有铜、铝、铁等金属、塑料或玻璃，研究腔体的几何参数和材料对光谱增强的影响。这些技术只利用腔体对等离子体羽的约束作用，即冲击波压缩并约束等离子体羽来增强光谱。实际上，等离子体作为一种光源，以上形状的腔体阻碍了其大部分发射光，只有较少光线能够进入LIBS收集系统。本专利技术针对目前空间约束腔体的不足，设计了开放式光滑三角腔体，该腔体同时具有空间约束等离子体羽和增加发射光收集的能力，从两方面增强LIBS光谱强度，并能提高LIBS光谱的稳定性和灵敏度。

技术实现思路

[0005]本专利技术旨在提供一种激光诱导等离子体增强和发射光高效收集方法及装置，该装置及其方法简单实用、成本低，能够有效地增强激光诱导等离子体光谱强度，提高激光诱导等离子体光谱的强度、稳定性和灵敏度，可以用于实际样品分析。
[0006]为了达到上述目的，本专利技术采取的技术方案为：
[0007]一种激光诱导等离子体增强和发射光高效收集方法，高能脉冲激光垂直会聚于样品表面，在样品表面形成圆形状激光聚焦光斑，高能脉冲激光与样品互作用产生等离子体光谱；设计的开放式光滑三角腔体放置于样品表面，使圆形状聚焦光斑位于腔体两内壁中心位置；利用腔体约束等离子体羽的能力，产生增强后的等离子体光谱信号；利用腔体的开
放式三角结构及光滑内壁减少腔体内等离子体发射光损耗，增加收集系统的光收集效率；获取双重增强效果的激光诱导等离子体光谱信号。
[0008]本专利技术还提供一种激光诱导等离子体增强和发射光高效收集的装置，包括：Nd:YAG高能脉冲激光器、DG645数字信号延时发生器、反射镜、第一透镜、设计的开放式光滑三角腔体、第二透镜、光纤探头、光谱仪；
[0009]所述DG645数字信号延时发生器控制Nd:YAG高能脉冲激光器与光谱仪的延时，Nd:YAG高能脉冲激光器产生的高能脉冲激光通过反射镜和第一透镜垂直会聚于样品表面，形成圆形状聚焦光斑，设计的开放式光滑三角腔体放置于样品表面，圆形状聚焦光斑位于腔体两内壁中心，设计的开放式光滑三角腔体约束等离子体羽和增加等离子体光谱收集；光纤探头与第二透镜同轴且与圆形状聚焦光斑位置处于同一水平线，等离子体发射光经第二透镜聚焦于光纤探头，传输到光谱仪。
[0010]进一步的技术：所述Nd:YAG高能脉冲激光器发射的激光能量为50mJ，波长为1064nm，门宽5ns，重复率20Hz。
[0011]进一步的技术：所述光谱仪分辨率0.08～0.11nm，波长范围200～1100nm。
[0012]进一步的技术：所述设计的开放式光滑三角腔体由长度、高度和厚度分别为24mm
×
5mm
×
2mm的两个长方体铝合金拼接而成，锐角端封闭固定，腔体内壁经抛光处理，镜面反射率超过85％。
[0013]进一步的技术：所述Nd:YAG高能脉冲激光器与光谱仪之间通过DG645数字信号延时发生器控制延时，时间为2μs。
[0014]进一步的技术：所述反射镜为1064nm全反射镜；所述第一透镜与第二透镜均为平凸透镜，焦距100mm。
[0015]进一步的技术：高能脉冲激光通过反射镜和第一透镜垂直会聚于样品表面，形成圆形状聚焦光斑，直径为0.45
±
0.05mm。
[0016]进一步的技术：圆形状聚焦光斑位于腔体两内壁中心，距离腔体内壁垂直距离为2mm。
[0017]利用设计的开放式光滑三角腔体的约束等离子体羽的能力，腔体约束压缩等离子体羽使等离子体密度增加，等离子体温度上升，产生更多发射光，实现等离子体光谱强度增强。
[0018]进一步地，合理利用所述腔体光滑内壁减少等离子体发射光在腔体内损耗的能力，以及腔体的开放式三角结构使更多的光信号进入LIBS收集系统的能力，增加光收集效率，进一步实现等离子体光谱强度增强。
[0019]增强LIBS光谱强度，分析步骤具体包括：
[0020]采用增强因子描述光谱的增强效果，增强因子为腔体约束与无约束时谱线强度的比值。对比无腔体和有腔体约束下的光谱强度和增强因子。
[0021]采用等离子体温度描述光谱的增强效果，腔体约束下的等离子体被冲击波压缩体积减小，等离子体密度增加，等离子体温度上升，光谱强度增强。对比无腔体和有腔体约束下的等离子体温度。
[0022]提高LIBS光谱的稳定性和灵敏度。分析步骤具体包括：
[0023]采用相对标准偏差(RSD)评价光谱的稳定性，RSD越小，光谱的稳定性越好。相对标
准偏差(RSD)计算公式如式(1)所示。
[0024][0025]其中，x
i
是单次测量的光谱强度，是平均光谱强度，n为测量次数。
[0026]采用光谱信噪比(SNR)描述光谱的灵敏度，SNR越大，光谱的灵敏度越高。SNR为特征谱线的最大值和特征谱线附近背景的最小值之比，计算公式如式(2)所示。
[0027][0028]其中，X
max
是特征谱线的最大值，y
min
是特征谱线附近背景的最小值。
[0029]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0030]本专利技术将设计的开放式光滑三角腔体作为一本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种激光诱导等离子体增强和发射光高效收集方法，其特征在于：高能脉冲激光垂直会聚于样品表面，形成圆形状激光聚焦光斑，高能脉冲激光与样品互作用产生等离子体光谱；设计的开放式光滑三角腔体放置于样品表面，使圆形状聚焦光斑位于腔体两内壁中心位置；利用腔体约束等离子体羽的能力，产生增强后的等离子体光谱信号；利用腔体的开放式三角结构及光滑内壁减少腔体内等离子体发射光损耗，增加收集系统的光收集效率；获取双重增强效果的激光诱导等离子体光谱信号。2.根据权利要求1中所述的一种激光诱导等离子体增强和发射光高效收集方法，其特征在于：该方法所用装置包括：Nd:YAG高能脉冲激光器、DG645数字信号延时发生器、反射镜、第一透镜、设计的开放式光滑三角腔体、第二透镜、光纤探头、光谱仪；所述DG645数字信号延时发生器控制Nd:YAG高能脉冲激光器与光谱仪的延时，Nd:YAG高能脉冲激光器产生的高能脉冲激光通过反射镜和第一透镜垂直会聚于样品表面，形成圆形状聚焦光斑，设计的开放式光滑三角腔体放置于样品表面，圆形状聚焦光斑位于腔体两内壁中心，设计的开放式光滑三角腔体约束等离子体羽和增加等离子体光谱收集；光纤探头与第二透镜同轴且与聚焦光斑位置处于同一水平线，等离子体发射光经第二透镜聚焦于光纤探头，传输到光谱仪。3.根据权利要求2中所述的一种激光诱导等离子体增强和发射光高效收集方法，其特征在于：所述Nd:YAG高能脉冲激光器发射的激...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨蕾，李银川，张雁辉，秦磊，徐梦洁，纪峰，魏永清，卢荣胜，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：