基于纳秒窄线宽激光探测的激光烧蚀吸收光谱测量装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及同位素比测量技术领域，特别涉及一种基于纳秒窄线宽激光探测的激光烧蚀吸收光谱测量装置与方法，该装置包括电控位移台，以及与所述电控位移台相连的烧蚀单元和探测单元；所述电控位移台用于放置靶样品；所述烧蚀单元用于采用飞秒激光通过冷烧蚀的方式烧蚀待测靶样品，以形成比纳秒激光烧蚀的等离子体羽流更低的等离子体羽流温度；所述探测单元用于采用纳秒窄线宽可调谐激光作为探测光，对等离子体进行瞬态探测。具有探测灵敏度高、测量准确性好、适用于多种同位素及同一元素多种激发谱线的吸收光谱测量的优点。种激发谱线的吸收光谱测量的优点。种激发谱线的吸收光谱测量的优点。

【技术实现步骤摘要】
基于纳秒窄线宽激光探测的激光烧蚀吸收光谱测量装置


[0001]本专利技术涉及同位素比测量
，特别涉及一种基于纳秒窄线宽激光探测的激光烧蚀吸收光谱测量装置。

技术介绍

[0002]同位素分析在法医人类学、环境学、地质学等领域都有广泛的应用。特别是铀等放射性同位素的检测，在核工业的发展起着重要的作用。发展U、Pu及其衰变链上的同位素比的快速检测技术，监测核燃料循环过程中各个环节的同位素比等，对保障核能设施的安全运行、改进核燃料循环过程中材料的可计量性至关重要。面对极端条件下的材料分析检测，理想的目标是寻求一种无需制样、可在线、便携的放射性同位素比精确测量方法。将激光烧蚀等离子体与吸收光谱测量相结合的激光烧蚀吸收光谱(英文全称为LaserAblationAbsorption Spectroscopy，英文缩写为LAAS)技术是利用可调谐激光探测脉冲激光烧蚀形成的等离子体。通过调整烧蚀激光和探测激光之间的延迟，在等离子体较冷阶段时进行探测时，斯塔克加宽和多普勒加宽显著减小，而探测激光的线宽又可以非常窄，从而可以实现高分辨率、高灵敏度的光谱分析。
[0003]目前，国际上已经在实验室实现了利用LAAS技术对U、Pu、Gd、Li、Rb等多种元素同位素的测量。2001年，德国光谱化学与应用光谱研究所(ISAS)采用纳秒激光烧蚀半导体激光探测的方式，在氩气环境下测量了固体中的
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U/
238
U同位素比，测量的相对标准偏差(RSD)小于10％。2009年，美国太平洋西北国家实验室(PNNL)利用两束半导体激光吸收光谱，实现了对微米级颗粒
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Gd/
160
Gd同位素比的测量，对单个微米大小的颗粒检测限小于1％。2017年，日本原子能机构(JAEA)对U
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Pu混合样品中
240
Pu/
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Pu比值进行了测量，
240
Pu检测限在30
‑
130ppm之间，测量RSD小于6％。
[0004]目前，常规LAAS技术同位素比测量中存在以下典型问题：
[0005]1)通常采用纳秒激光烧蚀靶材产生等离子体羽流，但纳秒激光由于脉宽较长，激光前沿烧蚀产生等离子体羽流后，激光后沿与等离子体发生相互作用，存在等离子体屏蔽效应，从而影响激光能量与靶材料的有效耦合，既降低了烧蚀效率，又会导致所产生的等离子体稳定性变差，进而测量结果准确性较低；
[0006]2)纳秒激光烧蚀产生的等离子体温度较高，谱线展宽大，难以达到同位素吸收光谱分辨要求，为获得高的同位素光谱分辨，通常需要将探测激光相对烧蚀激光进行较大延迟，待等离子体温度、密度大幅降低后，谱线展宽小于同位素位移时才能进行吸收光谱测量，但此时粒子密度亦大幅降低，从而降低了LAAS的探测灵敏度；
[0007]3)常规LAAS测量技术中，采用半导体激光为吸收光谱探测光源，但半导体激光器的可调谐范围非常有限，一台激光器可以测量的元素种类非常少，且可用于探测的跃迁能级等也非常少，限制了该技术应用；
[0008]4)半导体激光是连续光源，利用其作为探测激光在进行LAAS测量时，探测激光会与不同温度、密度等状态的等离子体发生长时间的作用，测量得到的数据积分了不同吸收
特性的结果，从而影响测量结果的不稳定性。

技术实现思路

[0009]本专利技术的目的是提供一种探测灵敏度高、测量准确性好、适用于多种同位素及同一元素多种激发谱线的吸收光谱测量技术。
[0010]为解决上述技术问题，本专利技术提供一种基于纳秒窄线宽激光探测的激光烧蚀吸收光谱测量装置，该装置包括电控位移台，以及与所述电控位移台相连的烧蚀单元和探测单元；所述电控位移台用于放置待测靶样品；所述烧蚀单元用于采用飞秒激光通过冷烧蚀的方式烧蚀靶样品，以形成比纳秒激光烧蚀的等离子体羽流更低的等离子体羽流温度；所述探测单元用于采用纳秒窄线宽可调谐激光作为探测光，对等离子体进行瞬态探测。
[0011]一些示例性的实施例中，所述烧蚀单元包括依次设置的飞秒激光器、平面反射镜和平凸透镜；所述平面反射镜和平凸透镜用于将所述飞秒激光器出射的一束飞秒脉冲激光聚焦至所述待测靶样品的表面，以产生等离子体羽流。
[0012]一些示例性的实施例中，所述探测单元包括依次设置的纳秒窄线宽可调谐激光器、第一分光镜和第二分光镜；所述纳秒窄线宽可调谐激光器作为共振激发光源，用于通过吸收光谱的方式探测等离子体羽流中的目标同位素原子；所述分光镜用于将所述纳秒窄线宽可调谐激光器出射的一束波长可调谐的激光分成第一束光和第二束光，所述第一束光进入高精度波长计，用于实时监测激光波长；所述第二束光到所述第二分光镜中；所述第二分光镜用于将所述第二束光再次分成第三束光和第四束光，所述第三束光经平面反射镜导入第一光敏探测器记录光强；所述第四束光穿过等离子体羽流后被第二光敏探测器记录光强。
[0013]一些示例性的实施例中，该装置还包括与第二光敏探测器、第一光敏探测器相连的数据采集卡，所述数据采集卡用于同步采集所述第二光敏探测器和第一光敏探测器的脉冲光强度。
[0014]一些示例性的实施例中，该装置还包括与数据采集卡相连的计算机；所述计算机用于同步读取与所述脉冲光强度同步的激光波长，将测得的出射激光与入射激光强度进行差分处理，获得所述待测靶样品中同位素原子的吸收强度；通过扫描激光波长，并利用波长计同时采集激光波长，将激光波长与同步测量得到的光敏探测差分信号进行关联，得到所述待测靶样品的同位素高精度吸收光谱。
[0015]一些示例性的实施例中，所述计算机还与所述电控位移台相连，以控制所述电控位移台运动。
[0016]一些示例性的实施例中，该装置还包括数字延迟信号发生器，所述光纤飞秒激光器、纳秒窄线宽可调谐激光器以及数据采集卡采集光敏探测器信号的时序受控于所述数字延迟信号发生器。
[0017]本专利技术还提供一种基于纳秒窄线宽激光探测的激光烧蚀吸收光谱测量方法，该方法包括以下步骤：出射一束飞秒脉冲激光，聚焦到待测靶样品的表面并烧蚀所述待测靶样品，以产生低温等离子体羽流；出射一束波长可调谐的激光，分成两束光，一束能量较小的光用于实时监测激光波长；另一束能量较大的光被再次分成两束，其中一束光直接记录脉冲光强度，另一束光穿过等离子体羽流后记录脉冲光强度；同步采集两个所述脉冲光强度，
并通过同步读取与两个所述脉冲光强度同步的激光波长，将测得的出射激光与入射激光强度进行差分处理，获得所述待测靶样品的原子的收强度；通过扫描激光波长，并利用波长计同时采集激光波长，将激光波长与同步测量得到的光敏探测差分信号进行关联，得到所述待测靶样品的同位素高精度吸收光谱。
[0018]本专利技术提供的技术方案至少具有以下优点：
[0019]本专利技术采用飞秒激光作为烧蚀激光，激光脉冲与样品靶表面作用时不存在等离子体屏蔽效应，靶中的热损伤和热影响区较小，可以显著提高等离子体羽流的稳定性，进而本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于纳秒窄线宽激光探测的激光烧蚀吸收光谱测量装置，其特征在于，该装置包括电控位移台(4)，以及与所述电控位移台(4)相连的烧蚀单元和探测单元；所述电控位移台(4)用于放置待测靶样品；所述烧蚀单元用于采用飞秒激光通过冷烧蚀的方式烧蚀所述待测靶样品，以形成比纳秒激光烧蚀的等离子体羽流更低的等离子体羽流温度；所述探测单元用于采用纳秒窄线宽可调谐激光作为探测光，对等离子体进行瞬态探测。2.根据权利要求1所述的基于纳秒窄线宽激光探测的激光烧蚀吸收光谱测量装置，其特征在于，所述烧蚀单元包括依次设置的飞秒激光器(1)、平面反射镜(2)和平凸透镜(3)；所述平面反射镜(2)和平凸透镜(3)用于将所述飞秒激光器(1)出射的一束飞秒脉冲激光聚焦至所述待测靶样品的表面，以产生等离子体羽流。3.根据权利要求2所述的基于纳秒窄线宽激光探测的激光烧蚀吸收光谱测量装置，其特征在于，所述探测单元包括依次设置的纳秒窄线宽可调谐激光器(5)、第一分光镜(6)和第二分光镜(7)；所述纳秒窄线宽可调谐激光器(5)作为共振激发光源，用于通过吸收光谱的方式探测等离子体羽流中的目标同位素原子；所述分光镜(6)用于将所述纳秒窄线宽可调谐激光器(5)出射的一束波长可调谐的激光分成第一束光和第二束光，所述第一束光进入高精度波长计(9)，用于实时监测激光波长；所述第二束光到所述第二分光镜(7)中；所述第二分光镜(7)用于将所述第二束光再次分成第三束光和第四束光，所述第三束光经平面反射镜(11)导入第一光敏探测器(10)记录光强；所述第四束光穿过等离子体羽流后被第二光敏探测器(8)记录光强。4.根据权利要求3所述的基于纳秒窄线宽激光探测的激光烧蚀吸收光谱测量装置，其特征在于，该装置还包括与第二光敏探测器(8)、第一光敏探测器(10)相连的数据采集卡(13)，所述数据采集卡(13)用于同步采集所述第二光敏探测...

【专利技术属性】
技术研发人员：张大成，巴雨璐，侯佳佳，余明昊，张雷，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：