一种基于振镜扫描分析的激光诱导击穿光谱仪及其光谱检测方法与流程

1.本发明涉及光谱检测分析技术领域，具体地说是一种基于振镜扫描分析的激光诱导击穿光谱仪及其光谱检测方法。


背景技术：

2.一般的，目前传统的激光诱导击穿等离子体发射光谱仪是通过三维移动平台带动样品移动从而实现元素的定量或元素分布分析的，这种实现方式的缺点在于受电机尺寸大小的制约，装置体积及重量不能过于轻便，只能在实现室中使用。此外，这种扫描方式很难实现工业在线快速分析，不能满足目前工业在线分析的需求。
3.并且，目前libs系统通常使用体积较大、重量重的灯泵浦激光器，不便携设计成便携式libs系统。


技术实现要素：

4.本发明的技术任务是解决现有技术的不足，提供一种基于振镜扫描分析的激光诱导击穿光谱仪及其光谱检测方法。
5.本发明的技术方案是按以下方式实现的，本发明的一种基于振镜扫描分析的激光诱导击穿光谱仪，其结构包括激光器、指示红光发射器、高反反射镜、二向色镜、分光镜、振镜、场镜系统和样品台；
6.至少设置有指示红光发射器、二向色镜、高反反射镜、分光镜、以及振镜设置在同一直线光路上；
7.二向色镜、高反反射镜、分光镜三者平行设置，
8.激光器的激光光路指向高反反射镜，高反反射镜的高反反射面朝向振镜，振镜的光路和激光器的光路相对高反反射镜的法向相对称设置；
9.二向色镜的反射面朝向振镜和采集透镜，振镜和采集透镜二者的光路相对二向色镜的法向相对称设置；
10.在振镜的下游光路上设置有场镜系统，场镜的下游光路上设置有样品台；
11.采集透镜的下游聚焦光路上设置有光纤接收器，光纤接收器通过光纤连接光纤光谱仪。
12.激光器采用半导体泵浦激光器，其发射激光的中心波长为1064nm，激光脉冲宽度为10ns，激光能量稳定度小于3％，重复频率为1-10hz，激光发散角约2mrad，光束直径为7mm；
13.高反反射镜采用针对1064nm激光具有发射优势的反射透镜。
14.二向色镜对230nm～650nm波长范围具备反射优势，对输出1064nm
±
10nm激光具备透射优势。
15.振镜是由反射镜配置安装在高速电机上，实现正交x,y轴方向光束偏转。
16.通过高速电机控制振镜的反射镜的角度从而实现利用激光束对样品台上的样品进行扫描。
17.场镜系统采用f70场镜实现激光聚焦，场镜工作距离为95mm，聚焦光斑大小为60微米。
18.光纤光谱仪依据光谱信号的特征谱线位置及信号强度对样品进行定性及定量分析。
19.光纤光谱仪针对光谱信号的特征谱线信号强度设置谱线强度校正数学模型；
20.谱线强度校正数学模型：分别选取两个含量分别在校准曲线上限和下限附近的标准样品，激发求出其光强ru、r
l
，因此有：
[0021][0022][0023]
两式相减并做比值，得：
[0024][0025][0026]
式中：
[0027]
分别为原持久曲线上限和下限附近含量所对应的光强值；
[0028]
α、β为曲线的飘移系数，
[0029]
α表示曲线斜率的变化，
[0030]
β表示曲线的平移量；
[0031]
实验中为提高数据的稳定性，减少激光波动对数据的影响，采用强度比代替强度，绘制标准曲线和采集标准化数据。
[0032]
从指示红光发射器经高反反射镜、二向色镜、分光镜、振镜、场镜系统到样品台，这一光路构成指示系统；
[0033]
分光镜的反射面朝向振镜和相机，振镜和相机二者的光路相对分光镜的法向相对称设置；相机同时匹配连接在场镜系统中；
[0034]
从样品台到场镜系统到相机，以及从样品台到场镜系统、振镜、分光镜到相机，二者均构成成像系统。
[0035]
一种基于振镜扫描分析的激光诱导击穿的光谱检测方法，该方法是基于上述的一种基于振镜扫描分析的激光诱导击穿光谱仪，以配置半导体泵浦激光器、指示红光发射器、高反反射镜、二向色镜、分光镜、振镜、场镜系统和样品台，以及采集透镜、光纤接收器、光纤光谱仪、相机构成的检测系统；该检测系统中：
[0036]
从指示红光发射器经高反反射镜、二向色镜、分光镜、振镜、场镜系统到样品台，这一光路构成指示系统；
[0037]
从样品台到场镜系统到相机，以及从样品台到场镜系统、振镜、分光镜到相机，二者均构成成像系统；
[0038]
在二向色镜的上方配置有光电二极管，此光电二极管可用于实时监控激光器输出
能量的波动情况，从而实时监控数据的变化情况。
[0039]
半导体泵浦激光器输出基频1064nm的红外激光，通过高反1064nm的高反反射镜，反射后的激光直接通过一片二向色镜，再经振镜与场镜扫描后聚焦在样品表面，激光与样品物质相互作用产生高温等离子体发出光信号，利用光学可逆性，产生的等离子体光信号通过场镜及振镜扫描后再经二向色镜的反射，通过采集透镜聚焦至光纤接收器的光纤口，通过光纤传输至光纤光谱仪，在二向色镜的上方配置有光电二极管，此光电二极管可用于实时监控激光器输出能量的波动情况，从而实时监控数据的变化情况。为了精确定位激光聚焦的位置，检测系统配有成像系统及指示系统，可清晰观测样品烧蚀坑的位置及大小，依据光谱信号的特征谱线位置及信号强度对样品进行定性及定量分析。
[0040]
本发明与现有技术相比所产生的有益效果是：
[0041]
本发明的一种基于振镜扫描分析的激光诱导击穿光谱仪，基于振镜扫描的libs系统是通过电机控制反射镜从而实现激光束扫描分析的。此外，本装置采用小型轻便的半导体泵浦激光器作为激发光源，同时振镜及场镜系统尺寸很小、重量较轻，可以使libs系统便携轻便化，实现现场快速分析。最后，基于振镜扫描的libs装置还可以非常方便实现libs工业在线分析，通过快速扫描分析增加采样点数从而实现样品的准确定性及定量分析。
[0042]
本发明是通过电机控制振镜的扫描机械角度从而实现对激光束的扫描分析，这种装置优点首先在于可以实现快速扫描，而不受制于电机的步进速度。此外，本装置采用小型轻便的半导体泵浦激光器作为激发光源，同时振镜及场镜系统尺寸很小、重量较轻，可以极大使libs系统便携轻便化，实现现场快速分析。最后，基于振镜扫描的libs装置还可以非常方便实现libs工业在线分析，通过快速扫描分析增加采样点数从而实现样品的准确定性及定量分析。
[0043]
由于可以实现扫描分析功能，这样可以增加分析次数，从而提高分析精密度及准确度。
[0044]
传统上libs系统通常使用体积较大、重量重的灯泵浦激光器，不便携设计成便携式libs系统。本发明设计的装置采用小型便携式激光器，激光头尺寸：155*44*42mm3，重量600g，电源重量为425g，可以开发为便携式libs装置用于现场或在线工业分析。与传统扫描libs分析不同，传统libs扫描分析是通过电机带动样品移动从而实现扫描分析，此装置则是通过电机控制振镜的扫描角度从而实现对激光束的扫描分析，这种装置优点首先在于可以实现快速扫描，而不受制于电机的步进速度。
[0045]
本发明由于可以实现扫描分析功能，这样可以增加分析次数，从而提高分析精密度及准确度。
[0046]
本发明的一种基于振镜扫描分析的激光诱导击穿光谱仪设计合理、结构简单、安全可靠、使用方便、易于维护，具有很好的推广使用价值。
附图说明
[0047]
附图1为本发明振镜扫描激光诱导击穿光谱(libs)装置的光路图；
[0048]
附图2为振镜扫描libs检测系统的结构图；
[0049]
附图3为振镜libs扫描烧蚀坑样例；
[0050]
附图4为基于振镜扫描获得的元素分布图。
[0051]
附图中的标记分别表示：
[0052]
1、半导体泵浦激光器，2、指示红光发射器，3、高反反射镜，4、二向色镜，5、分光镜，6、振镜，7、场镜系统，8、样品台，
[0053]
9、采集透镜，10、光纤接收器，11、光纤光谱仪，12、相机；
[0054]
13、激光器电源，14、激光器风扇，15、激光能量探测器。
具体实施方式
[0055]
下面结合附图对本发明的一种基于振镜扫描分析的激光诱导击穿光谱仪及其光谱检测方法作以下详细说明。
[0056]
如附图所示，本发明的一种基于振镜扫描分析的激光诱导击穿光谱仪采用半导体泵浦激光器对样品进行激发，激光器参数为激光中心波长1064nm；激光脉冲宽度约10ns，激光能量稳定度小于3％，重复频率为1-10hz，激光发散角约2mrad，光束直径为7mm，激光头尺寸为155*44*42mm3,重量600g，电源尺寸153*56*56mm3，电源重量425g。样品烧蚀后的样品形貌见附图3。
[0057]
半导体泵浦激光器输出基频1064nm的激光，通过高反1064nm反射镜，反射后的激光直接通过一片二向色镜，二向色镜对230nm～650n波长范围进行反射，对输出1064nm
±
10nm激光透射。
[0058]
经二向色镜反射的激光经振镜与场镜扫描系统后聚焦在样品表面。
[0059]
振镜是由一片反射镜，通过高速摆动电机构建在驱动架上，组成为一个高精度、高速度伺服控制实现正交x,y轴方向光束偏转的振镜系统。
[0060]
振镜也可以采用由两片镀铝反射镜构成，反射镜安装在两高速电机上，可以实现正交x,y轴方向光束偏转。
[0061]
场镜系统采用f70场镜实现激光聚焦，场镜工作距离为95mm，聚焦光斑大小为60微米。
[0062]
激光与物质相互作用产生高温等离子体发出的光信号，由光学可逆性原理可知，产生的等离子体光信号通过场镜及振镜扫描系统后再经二向色镜的反射，通过采集透镜聚焦至光纤口，通过光纤传输至光纤光谱仪，依据光谱信号的特征谱线位置及信号强度进行定性及定量分析。
[0063]
为了精确定位激光聚焦的位置，系统配有成像系统及指示系统，可清晰观测烧蚀坑的位置及大小。
[0064]
在二向色镜的上方配置有激光能量探测器的光电二极管，可用于实时监控激光器输出能量的波动情况，了解激光器的工状态。
[0065]
本发明的一种基于振镜扫描分析的激光诱导击穿光谱仪，通过电机控制振镜旋转角度，配合一定焦距的场镜，实现对样品的激光光束扫描libs分析，系统配有成像定位装置，可以观测烧蚀坑的位置及形貌。
[0066]
本发明采集样品的后向散射信号，区别于45度信号或者90度信号采集。
[0067]
振镜扫描速度快，体积小，可实现大范围(10mm
×
10mm)扫描，通过电机带动振镜可以实现元素的分布分析。
[0068]
本发明采用小型轻便的半导体泵浦激光器，其激光头体积为：155*44*42mm3，重量
为600g，可以开发为便携式libs装置。此外，半导体泵浦激光器寿命长，无需换灯，提高仪器的稳定性及操作便利性。
[0069]
本发明场镜的镜片表面使用镀铝膜，实现激光和信号光有效传输，减弱200-800nm范围内谱线强度的衰减。
[0070]
本发明的半导体泵浦激光器的入射激光直径10mm，最大扫描机械角
±
20
°
，峰值电流5a，响应时间0.3ms。所述场镜有效焦距70mm,工作距离95mm,扫描角度
±
11
°
，扫描区域26mm*26mm，并且所述场镜镜片全部为jgs1石英镜片。
[0071]
通过usb通信控制振镜转向，根据通信协议设置激光聚焦的相对位置，在扫描过程中，首先启动光谱仪同步采样，然后启动激光器，光谱仪采样结束后，停止激光器激发，控制振镜移动至下一个位置，然后再次启动光谱仪同步采样、启动激光器，重复上述过程直至扫描结束。
[0072]
附图2中，分光镜水平方向的偏转设置，分离一部分光线到后位设置的相机中，通过相机采集信息。
[0073]
半导体泵浦激光器1向上方发射激光到高反反射镜3经反射到二向色镜4，透射二向色镜4，透射分光镜5；经过振镜6反射，透过场镜6到达样品台上的样品；
[0074]
指示红光发射器2发射指示红光透射过高反反射镜3、透射二向色镜4，透射分光镜5；经过振镜6反射，透过场镜6到达样品台上的样品；
[0075]
样品与激光相互作用产生高温等离子体发出的光信号，经过光路可逆性，等离子体光信号通过场镜、振镜发射、透过分光镜到相机，透过分光镜到二向色镜，经二向色镜反射到采集透镜(聚焦镜)，到光纤接收器信号进入光纤光谱仪进行分析。
[0076]
本发明建立了数学模型，采用标准化样品对标准曲线的漂移进行校正，可以简化操作流程，避免每次采用套标建立标准曲线。
[0077]
通过振镜扫描分析，可以提高采集数据的容量从而提高分析结果的精密度及准确性，同时，也可实现元素的分布分析。谱线强度可以通过数学模型进行校正，其校正效果见附表1。
[0078]
本发明的一种基于振镜扫描分析的激光诱导击穿光谱仪，其工作过程如下：
[0079]
1、采用半导体泵浦激光器对样品进行激发，激光器参数为激光中心波长1064nm；激光脉冲宽度约10ns，激光能量稳定度小于3％，重复频率为1-10hz，激光发散角约2mrad，光束直径为7mm，激光头尺寸为155*44*42mm3,重量600g，电源尺寸153*56*56mm3，电源重量425g。样品烧蚀后的样品形貌见附图3。
[0080]
2、半导体泵浦激光器输出基频1064nm的激光，通过高反1064nm反射镜，反射后的激光直接通过一片二向色镜，二向色镜对230nm～650n波长范围进行反射，对输出1064nm
±
10nm激光透射。
[0081]
3、经二向色镜反射的激光经振镜与场镜扫描系统后聚焦在样品表面，振镜是由一片反射镜，通过高速摆动电机构建在驱动架上，组成为一个高精度、高速度伺服控制实现正交x,y轴方向光束偏转的振镜系统。场镜系统采用f70场镜实现激光聚焦，场镜工作距离为95mm，聚焦光斑大小为60微米。
[0082]
4、激光与物质相互作用产生高温等离子体发出的光信号，由光学可逆性原理可知，产生的等离子体光信号通过场镜及振镜扫描系统后再经二向色镜的反射，通过采集透
镜聚焦至光纤口，通过光纤传输至光纤光谱仪，依据光谱信号的特征谱线位置及信号强度进行定性及定量分析。
[0083]
5、为了精确定位激光聚焦的位置，系统配有成像及指示系统，可清晰观测烧蚀坑的位置及大小。
[0084]
6、通过振镜扫描分析，可以提高采集数据的容量从而提高分析结果的精密度及准确性，同时，也可实现元素的分布分析。谱线强度可以通过数学模型进行校正：
[0085]
光纤光谱仪依据光谱信号的特征谱线位置及信号强度对样品进行定性及定量分析。
[0086]
光纤光谱仪针对光谱信号的特征谱线信号强度设置谱线强度校正数学模型；
[0087]
谱线强度校正数学模型：分别选取两个含量分别在校准曲线上限和下限附近的标准样品，激发求出其光强ru、r
l
，因此有：
[0088][0089][0090]
两式相减并做比值，得：
[0091][0092][0093]
式中：
[0094]
分别为原持久曲线上限和下限附近含量所对应的光强值；
[0095]
α、β为曲线的飘移系数，
[0096]
α表示曲线斜率的变化，
[0097]
β表示曲线的平移量；
[0098]
实验中为提高数据的稳定性，减少激光波动对数据的影响，采用强度比代替强度，绘制标准曲线和采集标准化数据。
[0099]
其校正效果见附表1。
[0100]
附表1标准化前后数据准确度比较
[0101][0102][0103]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和
原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。