一种远距离激光诱导击穿光谱组分测试与亮斑测速系统的制作方法

1.本实用新型涉及光谱检测技术，具体涉及一种远距离激光诱导击穿光谱组分测试与亮斑测速系统。


背景技术：

2.激光诱导击穿光谱(laser-induced breakdown spectroscopy,简称libs)是一种原子发射谱线分析技术，通过一束强脉冲激光烧蚀样品激发出等离子体，通过收集等离子体冷却过程中辐射的跃迁光谱，由此可以得知待测样品的元素组成。
3.在进行激光诱导击穿光谱检测获取元素成分的同时，可以通过监测等离子体亮斑的演化与运动，计算出待测样品的运动速度情况。
4.通过椭球面反射镜光路系统，产生远距离脉冲聚焦点，在该位置击穿待测样品产生等离子体，通过光谱仪收集信号获取元素谱线强度，并同时用高速相机拍摄等离子亮斑的移动轨迹，通过拍摄间隔以及曝光时间计算运动速度以及速度的变化情况。


技术实现要素：

5.为了解决对喷射流的液体或颗粒物的组分以及速度的同步测试问题，本实用新型提出了一种远距离激光诱导击穿光谱组分测试与亮斑测速系统及检测方法。
6.本实用新型的远距离激光诱导击穿光谱组分测试与亮斑测速系统包括：脉冲激光器、二相色镜、扩束聚焦装置、椭球面反射镜、光纤收集镜头、多通道光纤光谱仪、高速相机、计算机和参照物；其中，待测样品为喷射流的液体或颗粒物，光轴垂直于待测样品的喷射流方向；椭球面反射镜、光纤收集镜头、高速相机、二相色镜和扩束聚焦装置位于光轴上；椭球面反射镜的镜面形状为部分椭球面，椭球面反射镜的面积大于高速相机、二相色镜和扩束聚焦装置的面积的四倍；椭球面反射镜具有两个焦点，距离椭球面反射镜较近的焦点为第一焦点，距离椭球面反射镜较远的焦点为第二焦点；光纤收集镜头位于椭球面反射镜的第一焦点，扩束聚焦装置的焦点位于椭球面反射镜的第二焦点，待测样品位于椭球面反射镜的第二焦点；光纤收集镜头通过光纤连接至多通道光纤光谱仪；多通道光纤光谱仪连接至计算机；在第二焦点旁且位于高速相机的拍摄范围内设置参照物。
7.脉冲激光器发射出脉冲激光；脉冲激光通过二相色镜，经扩束聚焦装置扩束并聚焦至待测样品，激发待测样品产生等离子体；等离子体发射的光谱信号入射到椭球面反射镜上，并通过椭球面反射镜反射并聚焦，收集于位于第一焦点的光纤收集镜头；光纤收集镜头将等离子体发射的光谱信号通过光纤传输至多通道光纤光谱仪中，多通道光纤光谱仪将光谱信号传输至计算机，计算机根据已经标定好的元素成分和元素含量与光谱信号的关系，计算待测样品中的元素成分和元素含量；同时，由高速相机同步拍摄激发待测样品产生的等离子体和参照物，等离子体会随着待测样品的喷射移动而同步移动，等离子体的信号反向经过扩束聚焦装置，经二相色镜由高速相机接收，高速相机获得等离子体的移动轨迹图像和参照物图像并传输至计算机；根据等离子体的移动轨迹图像和参照物图像，结合高
速相机的曝光时间，计算机进行图像处理获得待测样品的喷射流的运动速度。
8.椭球面反射镜为部分椭球面，包括椭球面的一个长顶点，并关于这个长顶点为中心对称；直径为200～400mm。高速相机、二相色镜和扩束聚焦装置的尺寸小于100mm，从而不完全遮挡等离子体发射的光谱信号传输至椭球面反射镜，遮挡的面积小于1/4。
9.扩束聚焦装置采用平凹透镜和平凸透镜的组合。
10.参照物采用标定板，标定板采用耐高温且不易变形的材料，标定板所在的平面垂直于光轴，标定板上刻有多个标定点，多个标定点呈周期性二维分布；行列数均大于5；标定点的半径小于1mm，相邻的两个标定点的间距小于3mm，精度范围小于150nm，标定板采用陶瓷或石英基底。脉冲激光器的能量大于150mj。
11.本实用新型的优点：
12.本实用新型采用脉冲激光器发射出脉冲激光激发待测样品产生等离子体，光谱信号通过椭球面反射镜反射并聚焦，收集于位于第一焦点的光纤收集镜头，通过多通道光纤光谱仪中传输至计算机，计算待测样品中的元素成分及元素含量；同时，由高速相机同步拍摄激发待测样品产生的等离子体和参照物并传输至计算机，根据等离子体的移动轨迹图像和参照物图像，结合高速相机的曝光时间，计算机进行图像处理获得待测样品的喷射流的运动速度；本实用新型实现了远距离喷射流液体或颗粒的成分以及速度测试，加快了测试时间和测试频率，节省了测试设备数量。
附图说明
13.图1为本实用新型的远距离激光诱导击穿光谱组分测试与亮斑测速系统的一个实施例的光路图。
具体实施方式
14.下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本实用新型。
15.如图1所示，本实施例的远距离激光诱导击穿光谱组分测试与亮斑测速系统包括：脉冲激光器e、二相色镜f、扩束聚焦装置、椭球面反射镜a、光纤收集镜头b、多通道光纤光谱仪c、高速相机d、计算机k和参照物j；其中，光轴垂直于待测样品的喷射流方向；椭球面反射镜a、光纤收集镜头b、高速相机d、二相色镜f和扩束聚焦装置位于光轴上；椭球面反射镜a的镜面形状为部分椭球面，椭球面反射镜a具有两个焦点，距离椭球面反射镜a较近的焦点为第一焦点，距离椭球面反射镜a较远的焦点为第二焦点；光纤收集镜头b位于椭球面反射镜a的第一焦点，扩束聚焦装置的焦点位于椭球面反射镜a的第二焦点，待测样品i位于椭球面反射镜a的第二焦点；光纤收集镜头b通过光纤连接至多通道光纤光谱仪c；多通道光纤光谱仪c连接至计算机k；在距离第二焦点5cm处设置参照物j。
16.在本实施例中，待测样品为水泥粉末，椭球面反射镜a的镜面形状为直径200mm，焦距小于50cm的椭球面，非球面公式为y＝x2/2000；二相色镜f反射1000纳米以上波长的光；高速相机d、二相色镜f和扩束聚焦装置的尺寸均为50
×
50mm，位于第一焦点和第二焦点中间，紧邻第一焦点放置，高速相机d和二相色镜f长度范围在150mm内，扩束聚焦装置长度范围在1m范围内；扩束聚焦装置采用平凹透镜g(焦距-400毫米)和平凸透镜h(焦距800毫米)的组合。参照物采用陶瓷基底的标定板，尺寸为30
×
30mm，标定点二维周期排列成网格，每
一个标定点为黑色圆点，半径为0.1mm，相邻的中心间距2mm，行列数为7
×
7，精度为150nm。
17.本实施例的远距离激光诱导击穿光谱组分测试与亮斑测速方法，包括以下步骤：
18.1)光路设置如图1所示；
19.2)标定元素成分和元素含量与光谱信号的关系：
20.i.将元素成分已知且元素含量确定的标定样品放置在椭球面反射镜a的第二焦点；
21.ii.脉冲激光器e发射出脉冲激光；
22.iii.脉冲激光通过二相色镜f，经扩束聚焦装置扩束并聚焦至标定样品，激发标定样品产生等离子体；
23.iv.等离子体发射的光谱信号入射到椭球面反射镜a上，并通过椭球面反射镜a反射并聚焦，收集于位于第一焦点的光纤收集镜头b；
24.v.光纤收集镜头b将等离子体发射的光谱信号通过光纤传输至多通道光纤光谱仪c中，多通道光纤光谱仪c将光谱信号传输至计算机k；
25.vi.计算机k得到元素含量确定的元素成分与光谱信号的关系；
26.vii.改变标定样品的元素成分，重复步骤i)～vi)，从而建立元素成分与光谱信号的关系；
27.viii.元素成分确定，改变元素含量，重复步骤i)～vii)，从而建立元素含量与光谱信号的强度关系；
28.ix.结合元素成分与光谱信号的关系和元素含量与光谱信号的强度关系得到元素成分和元素含量与光谱信号的关系；
29.x.把标定好的元素成分和元素含量与光谱信号的关系输入至计算机k中；
30.3)待测样品位于椭球面反射镜a的第二焦点；
31.4)200毫焦10赫兹yag脉冲激光器e发射出脉冲激光；
32.5)脉冲激光通过二相色镜f反射，经扩束聚焦装置扩束并聚焦至待测样品，激发待测样品产生等离子体；
33.6)等离子体发射的光谱信号入射到椭球面反射镜a上，并通过椭球面反射镜a反射并聚焦，收集于位于第一焦点的光纤收集镜头b；
34.7)光纤收集镜头b将等离子体发射的光谱信号通过光纤传输至多通道光纤光谱仪c中，多通道光纤光谱仪c将光谱信号传输至计算机k；
35.8)计算机k根据已经标定好的元素成分和元素含量与光谱信号的关系，计算待测样品中的元素成分及元素含量；
36.9)同时，由高速相机d同步拍摄激发待测样品产生的等离子体和参照物，等离子体会随着待测样品的喷射移动而同步移动，等离子体的图像信号反向经过扩束聚焦装置，经二相色镜f透射由高速相机d接收，高速相机d获得等离子体的移动轨迹图像和参照物图像并传输至计算机k；
37.10)根据等离子体的移动轨迹图像和参照物图像，结合高速相机d的曝光时间，计算机k进行图像处理获得待测样品的喷射流的运动速度；
38.11)重复步骤4)～10)，获得随时间变化的待测样品中的元素成分和元素含量以及喷射流的运动速度。
39.最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本实用新型，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本实用新型及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本实用新型不应局限于实施例所公开的内容，本实用新型要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。