本发明专利技术适用于光学探测技术领域，提供了一种用于物质成份分析的光谱探测系统及其探测方法。该光谱探测系统包括：激光器装置，先后产生至少两种波长的激光以及一同步信号；光谱信号收集组件，收集待分析样品分别被两种激光脉冲激发后产生的激光诱导击穿光谱LIBS信号和RRS光谱信号；分光组件，分别将波长不同的LIBS信号和RRS光谱信号有效分离；带有门控功能的物质成份分析装置，根据激光器装置的同步信号探测接收经分光组件分离的LIBS信号或RRS光谱信号，并比对已有的光谱信息数据分析出样品的原子成份和分子成份，从而识别物质的组成成份。因此，本发明专利技术通过使用单独一台脉冲激光器可在一套系统上实现LIBS和RRS光谱信号的激发和收集探测，从而获取物质的原子光谱和分子光谱，进而达到对含有多种物质成份或未知物质成份的待测目标进行物质成份的定量分析的目的。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于光学探测
，尤其涉及一种。
技术介绍
激光诱导击穿光谱技术(LaserInduced Breakdown Spectroscopy,LIBS)是一种常用的原子发射光谱分析技术。LIBS将激光脉冲聚焦在处于不同物质形态(固态、液态和气态)的样品表面上很小的焦点区域内，当激光脉冲的能量密度大于待测样品的击穿能量阈值时，就会在待测样品局部激发产生等离子体，即产生激光诱导等离子体。由于这种等离子体的局部能量密度及温度相当高，因而可用于开展取样、原子化、激发及离子化等工作。用光谱仪直接收集样品表面等离子体产生的发射谱线信号，不仅可以获取物质的原子组成，而且在理论上可以根据发射光谱的强度进行物质成份的定量测量。与传统的基于原子发射光谱的光谱分析技术，如电感耦合等离子体发射光谱法、电感耦合等离子体发射质谱法、火花源发射光谱法等相比，LIBS技术具有无可比拟的优势1)分析简便、快速，适用于现场快速无损成份检测和分析；2)对样品尺寸要求不严格，且样品消耗量极低，同时无需繁琐的样品预处理过程，避免了样品被污染或损伤的可能；3)适用于各种形态的固体(导体或非导体如高硬度金属材料、塑料制品、矿物等)、液体、气体和生物组织等；4)可同时进行多元素的检测和分析；5)可实现原位微区成份分析，空间分辨率可达1-100微米；6)可通过光纤传导信号，适用于在恶劣环境和条件下(如高温环境、有毒有害环境和高放射性环境)对待测样品的远程成份检测和分析。此外，实现这一技术所需的仪器设备技术成熟稳定，系统的操作简单且维护方便。目前，LIBS技术不仅在近距离(距离样品数厘米)的实验室测量中得到应用，而且在远距离(50-100m)成份检测和定量分析，如危险物品探测、工业应用检测以及文物的结构检查和清洁处理等方面得到了广泛的应用。在入射光场和物质的相互作用中，除了包括光的透射和物质对光的吸收外，还会产生光的散射过程。当入射光场被物质中的原子或分子散射时，绝大多数入射光子发生弹性散射，如瑞利散射和廷德耳散射。这些弹性散射光子具有与入射光子相同的能量(频率)和波长。然而，极少部分(约为百万分之一)光子会发生非弹性散射，其光子的频率与入射光子不同，通常低于入射光子的频率。这个产生具有新频率光谱成份的非弹性散射过程称为拉曼散射或拉曼效应，其光谱称为拉曼光谱。拉曼散射产生的光谱成份的频率、强度及偏振等特性反映了散射物质本身的性质。然而在通常情况下，由于样品中分子的拉曼散射截面很小(约10-29cm2/Sr)，当激发光频率远离其电子能级的吸收频率时，所产生的拉曼散射光谱信号强度很弱，这就要求在研究过程中使用大功率的激发光源、较大的激发体积、高灵敏度的探测器(如PMT、APD和ICCD等)和长的积分时间，这些不仅会对待测样品造成较大的损伤，而且光谱信息获取时间长，同时也引入了大量的系统背景噪声(如荧光噪声、热电噪声和光子噪声等)，大大降低了系统的探测灵敏度，限制了这一技术在非侵入式远程分子检测和分析领域的实际应用。当入射激发光的频率和分子内某一结构或基团的电子能级吸收频率接近或相同时，由于电子跃迁和分子振动的耦合，激发光在样品中会激发产生共振拉曼散射现象。基于这一现象所实现的共振拉曼光谱技术(Resonant Raman Spectroscopy,RRS)获得的共振拉曼散射信号比普通拉曼散射信号的强度高103-105倍，从而大大降低了对激发光功率和探测器灵敏度的要求。在样品浓度低至10_15g/ml的情况下，利用RRS技术依然能够获得样品中特定成份的共振拉曼光谱信号。同时，由于共振激发的振动模式仅与被激发的电子发色团有关，因而大大简化了共振拉曼光谱。因此，RRS技术不仅能够基于物质分子的拉曼光谱对样品的组成成份进行分析，而且利用紫外光谱波段激光作为激发光源实现的RRS技术，通过使用频率与物质吸收跃迁频率接近或一致的激发光激发物质中的分子振动，能够产生得到共振增强的拉曼光谱信号，这为快速检测和分析待测样品中低浓度的自由基和生物材料，以及溶液中浓度很低的溶质的成份提供了一个很好的研究手段。从上述分析可知，RRS和LIBS分别具有分子和原子光谱分析能力，在分析物质的构成成份时，前者注重物质分子构成的分析，后者则对物质的元素构成进行分析。然而，在要求同时对构成物质的分子及元素进行分析的场合，这两种技术均存在局限性，即探测物质不够全面。
技术实现思路
本专利技术所要解决的第一个技术问题在于提供一种用于物质成份分析的光谱探测系统，旨在对物质成份的分析更加全面。本专利技术是这样实现的，一种用于物质成份分析的光谱探测系统，包括一激光器装置，用于先后产生至少两种波长的激光脉冲以及一同步信号，其中第一波长的光用作LIBS激发光，第二波长的光用作RRS激发光；光谱信号收集组件，用于收集待分析样品分别被两种激光脉冲激发后产生的LIBS信号和RRS光谱信号；分光组件，分别将波长不同的LIBS信号和RRS光谱信号有效分离；带有门控功能的物质成份分析装置，用于根据所述激光器装置的同步信号接收经分光组件分离的LIBS信号或RRS光谱信号，并比对已有的光谱信息数据分析出样品的原子成份和分子成份，从而识别物质的组成成份。进一步地，激光器装置包括为纳秒激光器。进一步地，所述受激光收集组件基于一望远镜系统实现。进一步地,所述受激光收集组件包括第一反射镜，用于将所述激光器装置产生的LIBS信号或RRS光谱信号反射至待分析样品上；一凹面镜，其凹面正对待分析样品，且其中部有一通孔，用于通过其凹面将待分析样品被所述LIBS激发光照射后产生的LIBS信号，和被所述RRS激发光照射后产生的RRS光谱信号进行聚焦；第二反射镜，位于所述凹面镜的凹面的焦点位置，用于将所述凹面镜聚焦后的LIBS信号和RRS光谱信号通过所述通孔反射出去；一透镜，将所述第二反射镜反射出的LIBS信号和RRS光谱信号汇聚至一光纤，所述光纤另一端连接所述分光组件。进一步地,所述受激光收集组件还包括一滤光组件，位于所述通孔外侧、所述第二反射镜和所述透镜之间的光路上，用于滤除所述第二反射镜反射出去的LIBS信号和RRS光谱信号中掺杂的杂光。进一步地，所述分光组件为一光谱仪。进一步地，所述带有门控功能的物质成份分析装置包括一门控ICXD，其控制端连接所述激光器装置，根据所述激光器装置的同步信号采集经所述分光组件进行波长分离过的LIBS信号或RRS光谱信号的光谱图像；一分析单元，用于根据所述光谱图像以及预存的光谱信息与材料种类的对应关系，分析出样品的化学成份和分子成份。本专利技术所要解决的第二个技术问题在于提供一种如上所述的用于物质成份分析的光谱探测系统的探测方法，包括下述步骤步骤A，激光器装置产生LIBS激发光或RRS激发光并输出一同步信号；步骤B，带有门控功能的物质成份分析装置根据同步信号探测接收经分光组件分离的LIBS信号或RRS光谱信号，并比对已有的光谱信息数据分析出样品的原子成份和分子成份；其中，LIBS信号和RRS光谱信号由所述LIBS激发光和RRS激发光照射待分析样品产生。本专利技术使用同一台激光器先后产生上述两种光谱可实现分子拉曼光谱和原子发射光谱的有效探测，具体使用紫外波段的三倍频(355nm)和四倍频(266nm)激光脉冲激本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种用于物质成份分析的光谱探测系统，其特征在于，一激光器装置，用于先后产生至少两种波长的激光脉冲以及一同步信号，其中第一波长的光用作LIBS激发光，第二波长的光用作RRS激发光；光谱信号收集组件,用于收集待分析样品分别被两种激光脉冲激发后产生的LIBS信号和RRS光谱信号；分光组件，分别将波长不同的LIBS信号和RRS光谱信号有效分离；带有门控功能的物质成份分析装置，用于根据所述激光器装置的同步信号接收经分光组件分离的LIBS信号或RRS光谱信号，并比对已有的光谱信息数据分析出样品的原子成份和分子成份，从而识别物质的组成成份。
【技术特征摘要】
1.一种用于物质成份分析的光谱探测系统，其特征在于， 一激光器装置，用于先后产生至少两种波长的激光脉冲以及一同步信号，其中第一波长的光用作LIBS激发光，第二波长的光用作RRS激发光； 光谱信号收集组件，用于收集待分析样品分别被两种激光脉冲激发后产生的LIBS信号和RRS光谱信号； 分光组件，分别将波长不同的LIBS信号和RRS光谱信号有效分离； 带有门控功能的物质成份分析装置，用于根据所述激光器装置的同步信号接收经分光组件分离的LIBS信号或RRS光谱信号，并比对已有的光谱信息数据分析出样品的原子成份和分子成份，从而识别物质的组成成份。2.如权利要求1所述的光谱探测系统，其特征在于，所述激光器装置包括为纳秒激光器。3.如权利要求1所述的光谱探测系统，其特征在于，所述受激光收集组件基于一望远镜系统实现。4.如权利要求3所述的光谱探测系统，其特征在于，所述受激光收集组件包括: 第一反射镜，用于将所述激光器装置产生的LIBS信号或RRS光谱信号反射至待分析样品上; 一凹面镜，其凹面正对待分析样品，且其中部有一通孔，用于通过其凹面将待分析样品被所述LIBS激发光照射后产生的LIBS信号，和被所述RRS激发光照射后产生的RRS光谱信号进行聚焦； 第二反射镜，位于所述凹面镜的凹面的焦点位置，用于将所述凹面镜聚焦后的LIBS信号和RRS光谱信号通过所述通孔反射出去； ...
【专利技术属性】
技术研发人员：屈军乐，尹君，刘立新，余锋，亚历山大卡钦斯基，帕拉斯帕赛德，
申请(专利权)人：深圳大学，
类型：发明
国别省市：
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