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CN103323435B - 基于双脉冲散焦预烧蚀的激光诱导击穿光谱探测系统 - Google Patents

基于双脉冲散焦预烧蚀的激光诱导击穿光谱探测系统 Download PDF

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CN103323435B
CN103323435B CN201310250038.XA CN201310250038A CN103323435B CN 103323435 B CN103323435 B CN 103323435B CN 201310250038 A CN201310250038 A CN 201310250038A CN 103323435 B CN103323435 B CN 103323435B
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Abstract

本专利公开了一种基于双脉冲散焦预烧蚀的激光诱导击穿光谱探测系统。它采用比例分光镜把脉冲激光分为两路，一路经过散焦光路，另一路经过延时聚焦光路。经过散焦光路的第一路激光脉冲在样品靶材表面上预烧蚀产生一定直径的圆形平整表面，然后由经过延时聚焦光路的第二路激光脉冲在该平整表面上准确聚焦激发LIBS效应。该双脉冲散焦预烧蚀LIBS系统可有效消除传统LIBS中烧蚀孔效应的影响，从而提高LIBS探测的精度。

Description

基于双脉冲散焦预烧蚀的激光诱导击穿光谱探测系统
技术领域
本专利涉及一种激光光谱探测方法，尤其涉及一种基于双脉冲散焦预烧蚀的激光诱导击穿光谱(Laser-inducedbreakdownspectroscopy，简称LIBS)探测系统。
背景技术
激光诱导击穿光谱(LIBS)探测技术是利用脉冲激光器发出的脉冲激光，经过聚焦透镜聚焦到样品，在聚焦点上获得高能量的脉冲激光，使样品烧蚀、蒸发、激发和电离化后形成高温、高压、高电子密度的等离子体火花，辐射出包含原子和离子特征谱线的光谱，可用于探测物质的元素组成。
传统的LIBS探测方法利用低重频单脉冲激光作为激励源，该方法在脉冲与样品靶材作用时，由于高能激光脉冲的烧蚀蒸发，产生烧蚀孔，其后每次激光脉冲探测时，孔的深度增加，其内表面的粗糙度增加(称为烧蚀孔效应)，使得LIBS光谱信号重复性较差，严重影响LIBS探测精度，此外由于烧蚀孔粗糙内表面的散射，会降低LIBS探测的信噪比。
为提高LIBS探测的信噪比与探测的精度，本专利提出一种基于双脉冲散焦预烧蚀的激光诱导击穿光谱(LIBS)探测方法，可有效减少烧蚀孔效应对LIBS探测的影响。
发明内容
本专利的目的在于提供一种基于双脉冲散焦预烧蚀的激光诱导击穿光谱(LIBS)探测系统，以有效减少烧蚀孔效应对LIBS探测的影响，从而提高LIBS探测的精度与信噪比。
本专利是这样来实现的，其特征是:
固体脉冲激光器发出的脉冲激光，经过一定的比例的分光镜分成两路:
其中穿过比例分光镜的具有较多能量的第一路脉冲激光经过散焦光路。散焦光路由倍频晶体、扩束镜A、聚焦透镜A组成。第一路脉冲激光经倍频晶体倍频后，经扩束镜A扩束、聚焦透镜A会聚，通过双色镜打到样品靶材上，要求聚集透镜A焦距大于它到样品靶材表面的距离，即处于散焦状态，样品靶材表面获得一定直径的均匀激光光斑，由于获得大部分分光能量且经倍频后单光子能量加倍，因此即使处于散焦状态，光斑内的脉冲激光功率密度也很大，此时可适当提高固体脉冲激光器的供电电压，即提高单脉冲能量，使得光斑范围内的样品靶材表面被均匀烧蚀，产生一定直径的圆形平整表面;
经比例分光镜反射的具有较小能量的第二路脉冲激光经过延时聚焦光路。延时聚焦光路由多片反射镜、光学延迟线、扩束镜B及聚焦透镜B组成。第二路脉冲激光经光学延迟线延时，扩束镜B扩束，聚焦透镜B会聚，经过双色镜反射后打到样品靶材上，要求聚集透镜B的焦距等于它到样品靶材表面的距离，即处于合焦状态，在样品靶材表面形成一个聚焦点，使聚焦点上脉冲激光功率密度大于LIBS所需的功率密度阈值，可产生LIBS效应。调节光学延迟线的延时，使得在第一路激光脉冲均匀烧蚀获得平整表面后第二路激光脉冲到达。
由第二种激光脉冲激发所产生的LIBS信号经过透镜聚焦在安装在光纤支架上的光纤的端面上，由计算机控制光纤光谱仪进行光谱信号采集及分析。
接着，固体脉冲激光器发出下一束脉冲激光，仍然经过比例分光镜分成两路，其中穿过比例分光镜的第一路脉冲激光使得其散焦光斑范围内的样品靶材表面被均匀烧蚀，产生一定直径的圆形平整表面，可去除由前一次第二路激光脉冲聚焦激发产生的烧蚀孔，因此有效地减少烧蚀孔效应的影响，提高LIBS探测的精度。
附图说明
图1为本专利的原理图，图中：1——比例分光镜；2——固体脉冲激光器；3——光学延迟线；4——反射镜A；5——反射镜B；6——反射镜C；7——倍频晶体；8——扩束镜A；9——扩束镜B；10——聚焦透镜B；11——聚焦透镜A；12——反射镜D；13——双色镜；14——均匀激光光斑；15——样品靶材；16——透镜；17——光纤支架；18——光纤光谱仪；19——计算机。
具体实施方式
本专利的原理如图1所示，固体脉冲激光器2发出波长1064nm的重复频率为10Hz的纳秒级脉冲激光，经过3比7比例分光镜1分成两路:
第一路为散焦光路。散焦光路由倍频晶体7、扩束镜A8、聚焦透镜A11组成。穿过比例分光镜1的具有70%能量的第一路脉冲激光经过倍频晶体7后转变为波长为532nm的脉冲激光，经扩束镜A8扩束、聚焦透镜A11会聚，通过双色镜13打到样品靶材15上，要求聚集透镜A11的焦距大于它到样品靶材表面的距离，即处于散焦状态，样品靶材表面获得一定直径的均匀激光光斑14，由于获得大部分分光能量且经倍频后单光子能量加倍，因此即使处于散焦状态，光斑内的脉冲激光功率密度也很大，此时可适当提高固体脉冲激光器的供电电压，即提高单脉冲能量，使得光斑范围内的样品靶材表面被均匀烧蚀，产生一定直径的圆形平整表面;
第二路为延时聚焦光路。延时聚焦光路由反射镜A4、反射镜B5、反射镜C6、反射镜D12、光学延迟线3、扩束镜B9及聚焦透镜B10组成。经比例分光镜1反射的具有30%能量的第二路脉冲激光经反射镜A4反射，光学延迟线3延时，反射镜B5反射，反射镜C6反射，扩束镜B9扩束，聚焦透镜B10会聚，反射镜D12反射，经双色镜13反射后，打到样品靶材上，要求聚集透镜B10的焦距等于它到样品靶材表面的距离，即处于合焦状态，在样品靶材表面形成一个聚焦点，使聚焦点上脉冲激光功率密度大于LIBS所需的功率密度阈值，可产生LIBS效应。精确调节光学延迟线3，让第二路激光脉冲产生一定的延时，使得在第一路激光脉冲均匀烧蚀获得平整表面后第二路激光脉冲到达。
由第二种激光脉冲激发所产生的LIBS信号经过透镜16聚焦在安装在光纤支架17上的光纤的端面上，由计算机19控制光纤光谱仪18进行光谱信号采集及分析。
接着，固体脉冲激光器发出下一束脉冲激光，仍然经过比例分光镜1分成两路，其中穿过比例分光镜1的第一路脉冲激光使得其散焦光斑范围内的样品靶材表面被均匀烧蚀，产生一定直径的圆形平整表面，可去除由前一次第二路激光脉冲聚焦激发产生的烧蚀孔，因此有效地减少烧蚀孔效应的影响，提高LIBS探测的精度。

Claims (1)

1.一种基于双脉冲散焦预烧蚀的激光诱导击穿光谱探测系统，它包括比例分光镜、固体脉冲激光器、光学延迟线、反射镜、倍频晶体、扩束镜、聚焦透镜、反射镜、双色镜、透镜、光纤光谱仪和计算机，其特征在于：
固体脉冲激光器(2)发出波长1064nm的重复频率为10Hz的纳秒级脉冲激光，经过3比7比例分光镜(1)分成两路：
第一路为散焦光路，穿过比例分光镜(1)的具有70％能量的第一路脉冲激光经过倍频晶体(7)后转变为波长为532nm的脉冲激光，经扩束镜A(8)扩束、聚焦透镜A(11)会聚，通过双色镜(13)打到样品靶材(15)上，聚集透镜A(11)的焦距大于它到样品靶材表面的距离，即处于散焦状态，样品靶材(15)表面获得一定直径的均匀激光光斑(14)，在光斑范围内的样品靶材表面被均匀烧蚀，产生一定直径的圆形平整表面；
第二路为延时聚焦光路，经比例分光镜(1)反射的具有30％能量的第二路脉冲激光经反射镜A(4)反射，光学延迟线(3)延时，反射镜B(5)反射，反射镜C(6)反射，扩束镜B(9)扩束，聚焦透镜B(10)会聚，反射镜D(12)反射，经双色镜(13)反射后，打到样品靶材上，聚集透镜B(10)的焦距等于它到样品靶材表面的距离，即处于合焦状态，激光在样品靶材表面形成一个聚焦点，使聚焦点上脉冲激光功率密度大于LIBS所需的功率密度阈值，可产生LIBS效应；精确调节光学延迟线(3)，让第二路激光脉冲产生一定的延时，使得在第一路激光脉冲均匀烧蚀获得平整表面后第二路激光脉冲到达；由第二路激光脉冲激发所产生的LIBS信号经过透镜(16)聚焦在安装在光纤支架(17)上的光纤的端面上，由计算机(19)控制光纤光谱仪(18)进行光谱信号采集及分析。
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