一种激光诱导击穿光谱增强检测装置及其检测方法

1.本发明涉及光谱设备技术领域，具体来说是一种激光诱导击穿光谱增强检测装置及其检测方法。


背景技术：

2.当前，环境污染问题日益突出，特别是重金属污染。矿山开采、金属冶炼、工业“三废”的排放、农药和化肥的不合理施用等,使得大量重金属以各种途径进入土壤、水体环境。重金属在环境中难降解、易富集,且具有隐蔽性强、毒性大等特点,可通过食物链进入人体，对人体健康造成极大危害。对环境中重金属含量的准确检测是环境污染预防和治理的基础，然而环境中重金属污染物的组成和形态易受环境因素影响。因此，重金属污染物的现场原位快速准确分析对于环境中重金属的污染评估、污染过程分析以及保障区域环境质量安全具有重要的科学意义。
3.传统的重金属分析方法包括原子吸收、电感耦合等离子体质谱、x射线荧光、原子荧光等方法，这些方法准确性高，但存在样品预处理繁琐和操作复杂等问题，且不能现场原位分析。
4.激光诱导击穿光谱法因其制样简单、操作方便、分析速度快、可原位检测等优点在重金属污染物的现场原位快速检测方面备受关注。然而，由于激光与物质作用物理过程的复杂性，其定量分析仍面临着巨大挑战，主要原因在于：1、环境样品基体复杂，不同区域的样品可能组成存在很大差异；2、激光诱导击穿光谱检测灵敏度不够高(ppm量级)，实际重金属污染物检测需要达到亚ppm量级。
5.这些客观因素的存在，直接影响到环境中重金属污染物激光诱导击穿光谱分析的准确性及其发展。因此，如何设计出一种能够增强激光诱导击穿光谱的检测装置已经成为急需解决的技术问题。


技术实现要素：

6.本发明的目的是为了解决现有技术中激光诱导击穿光谱灵敏度低的缺陷，提供一种激光诱导击穿光谱增强检测装置及其控制方法来解决上述问题。
7.为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
8.一种激光诱导击穿光谱增强检测装置，包括激光激发系统和光谱收集系统，激光激发系统输出的光束经光束整形器整形成线光束，
9.还包括光谱增强组件，所述的光谱增强组件包括微型聚焦透镜阵列和微型腔体，线光束经微型聚焦透镜阵列分成若干个聚焦点经微型腔体后在被测样品表面形成聚焦线阵；
10.所述的微型腔体为半圆柱体，微型腔体的弧面上等分开设有前狭缝通槽、上狭缝通槽和后狭缝通槽，上狭缝通槽位于微型腔体的顶部，前狭缝通槽与后狭缝通槽分别位于上狭缝通槽的两侧，上狭缝通槽内固定安装有透明玻璃，前狭缝通槽和后狭缝通槽内均固
定安装有光谱收集透镜，聚焦点经微型腔体的透明玻璃形成聚焦线阵聚焦于被测样品上；
11.所述的光谱收集系统包括两个光谱收集透镜、光谱仪和探测器，所述的两个光谱收集透镜均通过光纤连接于光谱仪，光谱仪将收集的光束进行分光后的光信号传送给探测器。
12.还包括三维平移台a和三维平移台b，所述的微型腔体安装在三维平移台a上，所述的被测样品安装在三维平移台b上。
13.所述的激光激发系统包括激光驱动器a和激光驱动器b，激光驱动器a连接有激光器a，激光驱动器b连接有激光器b，激光器a的光束经反射镜与激光器b的光束共同经合束镜后输出光束，延时脉冲发生器、激光控制器的控制信号输出端均与激光驱动器a、激光驱动器b的控制信号输入端相连，光谱仪的控制信号输出端与延时脉冲发生器的控制信号输入端相连。
14.所述的光束整形器为柱面镜，微型聚焦透镜阵列为微型平凸透镜线阵、其聚焦点数为5、10、20、30或40，所述的探测器为ccd、iccd或scmos探测器。
15.所述的微型腔体上位于前狭缝通槽、上狭缝通槽和后狭缝通槽处均开设有惰性气体接入孔。
16.一种激光诱导击穿光谱增强检测装置的检测方法，其包括以下步骤：
17.微型腔体的冲洗：将惰性气体通过惰性气体接入孔输入微型腔体内，对微型腔体的前狭缝通槽、上狭缝通槽和后狭缝通槽进行冲洗，且使腔体保持惰性气体环境；
18.线束信号的发出：光谱仪触发延时脉冲发生器，延时脉冲发生器控制激光驱动器a和激光驱动器b间隔时间发射脉冲激光，经过光束整形器成为线脉冲光源，再经由微型聚焦透镜阵列后经微型腔体的透明玻璃聚焦于样品表面，构成线焦；
19.等离子体的收集：样品表面激发出多点由微型腔体约束产生的等离子体，微型腔体的两个光谱收集透镜收集产生的等离子体光谱；
20.三维平移台的调整：调节三维平移台a和三维平移台b改变被测样品和微型腔体的距离，使被测样品发射光谱强度最大；
21.检测数据的获得：等离子体光谱经光谱仪传送至数据处理系统处理后，得到被测样品中元素浓度。
22.有益效果
23.本发明的一种激光诱导击穿光谱增强检测装置及其检测方法，与现有技术相比采用光谱增强组件将双脉冲激发、线激发和腔约束相集成，且辅以惰性气体环境，提高了激光击穿光谱测量的准确性，提高了激光诱导击穿光谱技术的检测灵敏度和检测准确性。
24.本发明采用光束整形器将点光源变成线光源，并利用微型线阵聚焦透镜聚焦激发样品，增强了激发光源与被测样品的接触点且分点聚焦，进而激发多点产生线等离子体且激发效率高，增强了光谱信号，从而提升了激光诱导击穿光谱的测量结果准确性。
25.同时，利用微型腔体约束产生的等离子体，等离子体羽产生的冲击波被腔壁反射回到等离子体区，使等离子体再加热，能够改善被测样品的激发条件和原子化；利用两个光谱采集系统双面采集等离子体光谱，进一步提高了光谱信号，从而提高了激光击穿光谱测量的准确性。
附图说明
26.图1为本发明的结构连接原理图；
27.图2为本发明所涉及的线激发原理示意图；
28.图3为本发明所涉及的微型腔体结构示意图；
29.图4为本发明所涉及的检测方法流程图；
30.其中，1-微型腔体、2-上狭缝通槽、3-前狭缝通槽、4-后狭缝通槽。
具体实施方式
31.为使对本发明的结构特征及所达成的功效有更进一步的了解与认识，用以较佳的实施例及附图配合详细的说明，说明如下：
32.如图1所示，本发明所述的一种激光诱导击穿光谱增强检测装置，包括激光激发系统和光谱收集系统，激光激发系统输出的光束经光束整形器整形成线光束。在此为了产生光谱增强效果，特设计增加了光谱增加组件。光谱增强组件包括微型聚焦透镜阵列和微型腔体1，线光束经微型聚焦透镜阵列分成若干个聚焦点经微型腔体1后在被测样品表面形成聚焦线阵。
33.在实际应用中，最大的技术难点在于，如何提升光谱效果，在此通过实验考虑将双脉冲激发、线激发和腔约束相集成，辅以惰性气体环境，通过在发射端(激光激发系统)、聚焦端(微型腔体)和收集端(光谱收集系统)三个部件的共同协作来实现激光击穿光谱的提升，因此通过双激光器延时触发、微型腔体、双光谱收集透镜的共同协作实现了光谱信号的增强。
34.如图3所示，微型腔体1为半圆柱体，微型腔体1的弧面上等分开设有前狭缝通槽3、上狭缝通槽2和后狭缝通槽4，上狭缝通槽2位于微型腔体1的顶部，上狭缝通槽2内固定安装有透明玻璃，前狭缝通槽3和后狭缝通槽4内均固定安装有光谱收集透镜，聚焦点经微型腔体1的透明玻璃形成聚焦线阵聚焦于被测样品上。
35.光谱收集系统包括两个光谱收集透镜、光谱仪和探测器，所述的两个光谱收集透镜均通过光纤连接于光谱仪，光谱仪将收集的光束进行分光后的光信号传送给探测器。从腔体的两侧面同时收集等离子体信号可以增强收集的光谱信号。
36.为了进一步的实现激光诱导击穿光谱增强，激光激发系统包括激光驱动器a和激光驱动器b，激光驱动器a连接有激光器a，激光驱动器b连接有激光器b，激光器a的光束经反射镜与激光器b的光束共同经合束镜后输出光束，延时脉冲发生器、激光控制器的控制信号输出端均分别与激光驱动器a、激光驱动器b的控制信号输入端相连，光谱仪的控制信号输出端与延时脉冲发生器的控制信号输入端相连。两个激光器共线延时触发，前一个激光器的激光脉冲产生等离子体信号，后一个激光器的激光脉冲对等离子体信号再加热，增加等离子体信号强度。
37.为了方便实际使用，还可以设计三维平移台a和三维平移台b，所述的微型腔体1安装在三维平移台a上，所述的被测样品安装在三维平移台b上，以实现自动化控制。同时，光束整形器可以为柱面镜，微型聚焦透镜阵列可以为微型平凸透镜线阵、其聚焦点数为5、10、20、30或40，所述的探测器可以为ccd、iccd或scmos探测器。
38.为方便对微型腔体1进行清洗，可以在微型腔体1上位于前狭缝通槽3、上狭缝通槽
2和后狭缝通槽4处均开设有惰性气体接入孔，使用氩气清洁腔体和排走腔体内空气，使腔体保持惰性气体环境。
39.如图4所示，在此还提供一种激光诱导击穿光谱增强检测装置的检测方法，首先，进行惰性气体冲洗腔体且保持惰性气体环境；然后光谱仪触发延时脉冲发生器，延时脉冲发生器控制两激光器间隔一定的时间发射脉冲激光，经过光束整形器成为线脉冲光源，再经由微型线透镜阵列聚焦于样品表面，构成线焦，激发产生多点等离子体，微型腔体1约束产生的等离子体，两个光谱收集系统从两侧面收集产生的等离子体光谱；调节三维平移台a和三维平移台b改变样品和微型腔体1的距离，使样品发射光谱强度最大；最后数据经数据处理系统处理，得到被测样品中元素浓度。每检测一个样品后，惰性气体冲洗腔体，进行下一次检测。
40.其具体步骤如下：
41.第一步，微型腔体1的冲洗：将惰性气体通过惰性气体接入孔输入微型腔体1内，对微型腔体1的前狭缝通槽3、上狭缝通槽2和后狭缝通槽4进行冲洗。
42.第二步，线束信号的发出：如图2所示，光谱仪触发延时脉冲发生器，延时脉冲发生器控制激光驱动器a和激光驱动器b间隔时间发射脉冲激光，经过光束整形器成为线脉冲光源(线光束)，再经由微型线透镜阵列经微型腔体1的透明玻璃聚焦于样品表面，构成线焦(聚焦线阵)。
43.第三步，等离子体的收集：激发产生多点在微型腔体1约束产生的等离子体，微型腔体1的两个光谱收集透镜收集产生的等离子体光谱。
44.第四步，三维平移台的调整：调节三维平移台a和三维平移台b改变被测样品和微型腔体1的距离，使被测样品发射光谱强度最大。
45.第五步，检测数据的获得：等离子体光谱经光谱仪传送至数据处理系统处理后，得到被测样品中元素浓度。
46.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。