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CN103411932B - 基于远程变焦光路复用的libs测试系统及测试方法 - Google Patents

基于远程变焦光路复用的libs测试系统及测试方法 Download PDF

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CN103411932B
CN103411932B CN201310327057.8A CN201310327057A CN103411932B CN 103411932 B CN103411932 B CN 103411932B CN 201310327057 A CN201310327057 A CN 201310327057A CN 103411932 B CN103411932 B CN 103411932B
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film
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万雄
舒嵘
王建宇
亓洪兴
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Shanghai Institute of Technical Physics of CAS
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Abstract

本发明公开了一种基于远程变焦光路复用的LIBS测试系统及测试方法。该系统主要采用一个远程变焦光路复用LIBS望远镜;该望远镜由一个扩束器、一个450放置的分束镜、一个调整镜组、一个二次扩束聚焦镜组、一个可调光纤耦合镜及一个光纤接口组成。本专利提出的方法可实现LIBS激发与LIBS光谱信号采集的光路复用，且由于镀膜的设计，实现了对于1064nm脉冲激光的高效透过及200nm-750nm范围的LIBS光谱信号的高效采集，提高了远程LIBS的信噪比。

Description

基于远程变焦光路复用的LIBS测试系统及测试方法
技术领域
本专利涉及一种激光光谱探测方法，尤其涉及一种基于远程变焦光路复用的激光诱导击穿光谱(Laser-inducedbreakdownspectroscopy，简称LIBS)探测方法。
背景技术
远程激光诱导击穿光谱(LIBS)探测技术是利用高能量、短脉宽、低重频脉冲激光器发出的脉冲激光，经过聚焦透镜聚焦到远程的目标表面，在聚焦点上获得瞬时高功率密度的激光脉冲，可使目标表面聚焦点烧蚀、蒸发和电离形成高温、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。
远程LIBS探测技术需要解决两个重要问题:第一，由于探测距离较远，脉冲激光经过系统各光学部件后会有较大的能量衰减，如何保证激光能量的高效传输非常重要。第二，由于探测系统的光学口径对应于远程目标表面聚焦点的空间立体角很小，导致由目标表面聚焦点发出的可能探测系统采集的LIBS信号非常微弱，因此需要有效提高远程LIBS信号的采集效率。
为提高远程LIBS探测脉冲激光的传输效率及LIBS信号的采集效率，最终提高远程LIBS探测信噪比，本专利提出一种基于远程变焦光路复用的LIBS探测方法，该方法可实现LIBS激发与LIBS光谱信号采集的光路复用，从而利用聚焦镜组的大口径光学系统进行LIBS回波信号采集，增大了采集信号的空间立体角，且由于镀膜的设计，实现了对于1064nm脉冲激光的高效透过及200nm-750nm范围的LIBS光谱信号的高效采集，提高了远程LIBS的信噪比。
发明内容
本专利的目的在于提供一种基于远程变焦光路复用的LIBS探测方法，利用聚焦镜组的大口径光学系统进行LIBS回波信号采集，增大了采集信号的空间立体角。利用光学系统镀膜的设计，实现了对于1064nm脉冲激光的高效透过及200nm-750nm范围的LIBS光谱信号的高效采集，提高了远程LIBS的信噪比。
本专利是这样来实现的，其方法步骤为:
由皮秒固体脉冲激光器发出一束波长为1064nm的皮秒级脉冲激光，通过镀有1064nm高透膜的扩束器进行扩束，透过与光轴成450安装的镀有1064nm高透膜及200nm-750nm高反膜的分束镜，再透过镀有1064nm及200nm-750nm高透膜的调整镜组，再经过镀有1064nm及200nm-750nm高透膜的二次扩束聚焦镜组进行扩束与聚焦，会聚到远处目标表面上的一点。在此激发过程中，脉冲激光所经过的每个光学元件都镀有1064nm高透膜，从而保证了激光的高效传输，提高了透过率，有效地减小了光能损失。
从远程目标表面激发出的LIBS信号光主要集中在200nm-750nm光谱范围，该信号光反向首先透过镀有1064nm及200nm-750nm高透膜的二次扩束聚焦镜组实现光路复用，由于聚焦镜组属于大口径光学元件，因此提高了信号光采集的立体角;然后透过镀有1064nm及200nm-750nm高透膜的调整镜组，再经过镀有1064nm高透膜及200nm-750nm高反膜的分束镜反射，最后经过镀有200nm-750nm高透膜的可调光纤耦合镜聚焦至插在光纤接口的ICCD光谱仪的光纤端面，然后由ICCD光谱仪采集及分析LIBS光谱信号。通过调节可调光纤耦合镜，可使LIBS信号光准确聚集到光纤端面。在此信号采集过程中，LIBS信号光通过的所有光学元件都镀有200nm-750nm高透膜或高反膜，从而可有效减小信号光的传输损耗，提高信号光的采集效率。
由于远程目标离探测系统距离并不固定，为提高远程LIBS探测的机动性，可通过调节调整镜组与二次扩束聚焦镜组的距离改变光路系统的焦距，从而实现变焦功能，可用于不同距离目标的LIBS探测。
该方法实现了LIBS激发与LIBS光谱信号采集的光路复用，且由于镀膜的设计，实现了对于1064nm脉冲激光的高效透过及200nm-750nm范围的LIBS光谱信号的高效采集，提高了远程LIBS的信噪比。
附图说明
图1为本专利的原理图，图中：1——皮秒固体脉冲激光器；2——远程变焦光路复用LIBS望远镜；3——扩束器；4——分束镜；5——调整镜组；6——变焦控制器；7——二次扩束聚焦镜组；8——远程目标；9——ICCD光谱仪；10——光纤；11——光纤接口；12——可调光纤耦合镜。
具体实施方式
本专利的原理如图1所示，基于远程变焦光路复用的LIBS测试系统包含皮秒固体脉冲激光器1、远程变焦光路复用LIBS望远镜2、光纤10及ICCD光谱仪9。其中远程变焦光路复用LIBS望远镜2由扩束器3、分束镜4、调整镜组5、变焦控制器6、二次扩束聚焦镜组7、可调光纤耦合镜12及光纤接口11组成
由皮秒固体脉冲激光器1发出一束波长为1064nm的皮秒级脉冲激光，通过镀有1064nm高透膜的扩束器3进行扩束，透过与光轴成450安装的镀有1064nm高透膜及200nm-750nm高反膜的分束镜4，再透过镀有1064nm及200nm-750nm高透膜的调整镜组5，再经过镀有1064nm及200nm-750nm高透膜的二次扩束聚焦镜组7进行扩束与聚焦，会聚到远程目标8表面上的一点。在此激发过程中，脉冲激光所经过的每个光学元件都镀有1064nm高透膜，从而保证了激光的高效传输，提高了透过率，有效地减小了光能损失。通过变焦控制器6可调节调整镜组5与二次扩束聚焦镜组7的距离从而改变光路系统的焦距，实现变焦功能，可用于不同距离目标的LIBS探测。
从远程目标表面激发出的LIBS信号光主要集中在200nm-750nm光谱范围，该信号光反向首先透过镀有1064nm及200nm-750nm高透膜的二次扩束聚焦镜组7实现光路复用，由于聚焦镜组属于大口径光学元件，因此提高了信号光采集的立体角;然后透过镀有1064nm及200nm-750nm高透膜的调整镜组5，再经过镀有1064nm高透膜及200nm-750nm高反膜的分束镜4反射，最后经过镀有200nm-750nm高透膜的可调光纤耦合镜12聚焦至插在光纤接口11的ICCD光谱仪9所配的光纤10的端面上，然后由ICCD光谱仪9采集及分析LIBS光谱信号。通过调节可调光纤耦合镜12，可使LIBS信号光准确聚集到光纤10的端面。在此信号采集过程中，LIBS信号光通过的所有光学元件都镀有200nm-750nm高透膜或高反膜，从而可有效减小信号光的传输损耗，提高信号光的采集效率。
由于激发光路及信号采集光路实现了复用，且所有的光学元件构成一体化封闭结构的远程变焦光路复用LIBS望远镜2，可有效克服外界杂散光的影响，从而进一步提高信噪比。

Claims (2)

1.一种基于远程变焦光路复用的激光诱导击穿光谱测试系统，它包括皮秒固体脉冲激光器(1)，远程变焦光路复用LIBS望远镜(2)，ICCD光谱仪(9)，光纤(10)，其特征在于：所述的测试系统采用一个远程变焦光路复用LIBS望远镜，该望远镜由一个扩束器、一个45°放置的分束镜、一个调整镜组、一个二次扩束聚焦镜组、一个可调光纤耦合镜及一个光纤接口组成，其中所述的扩束器镀有1064nm高透膜、所述的分束镜镀有1064nm高透膜及200nm-750nm高反膜；所述的调整镜组与二次扩束聚焦镜组镀有1064nm及200nm-750nm高透膜；所述的可调光纤耦合镜镀有200nm-750nm高透膜。
2.一种基于权利要求1所述测试系统的LIBS测试方法，其特征在于：波长1064nm脉冲激光依次通过镀有1064nm高透膜的扩束器、镀有1064nm高透膜及200nm-750nm高反膜的分束镜、镀有1064nm及200nm-750nm高透膜的调整镜组、镀有1064nm及200nm-750nm高透膜的二次扩束聚焦镜组，然后聚焦到远处目标表面上的一点，激发出的LIBS光谱信号反向依次经过镀有1064nm及200nm-750nm高透膜的二次扩束聚焦镜组、镀有1064nm及200nm-750nm高透膜的调整镜组，然后经过镀有1064nm高透膜及200nm-750nm高反膜的分束镜反射，再经过镀有200nm-750nm高透膜的可调光纤耦合镜聚焦至插在光纤接口的ICCD光谱仪的光纤端面，然后由ICCD光谱仪采集及分析LIBS光谱信号。
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