[发明专利]基于激光诱导击穿光谱技术的等离子体信号采集装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于激光诱导击穿光谱技术的等离子体信号采集装置，属于原子发射光谱测量技术领域。

背景技术

激光诱导击穿光谱技术(Laser-induced breakdown spectroscopy，简称LIBS)，又称激光诱导等离子光谱技术，是二十世纪后期发展起来的一种全新的物质元素分析技术。激光诱导击穿光谱技术的工作原理是：强激光脉冲作用下，样品表面的物质被激发成为等离子体并迅速衰减，在衰减过程中辐射出特定频率的光子，产生特征谱线，其频率和强度信息包含了分析对象的元素种类和浓度信息。激光诱导击穿光谱技术运行成本低，测量速度快，具有高灵敏度、无需或者需要很少的样品预处理和实现多元素测量等优点，并且无辐射危害，在工业生产中具有极大的发展潜力。

但是，由于激光诱导击穿光谱技术的激光作用点很小，烧蚀物质的量很少，对于不均匀、各向异性的物质基体效应非常明显；同时，激光能量的波动、等离子体温度、电子密度等物理参数的不同导致激光诱导击穿光谱技术测量的重复精度较低；另外，环境参数的影响以及仪器内部元器件本身的电子噪声等都易对LIBS产生干扰；因此利用激光诱导击穿光谱技术直接测量样品的测量精度不能得到保证，限制了激光诱导击穿光谱技术在生产实际中的应用。

对样品做简单的预处理，例如通过对样品粉末压制成型可以增加激光诱导击穿光谱技术测量的重复性，对样品研磨、混合均匀可以降低基体效应的影响，但是这样仍然无法完全消除由于等离子体本身的参数变化及不均匀性导致的测量误差。

另外，由于等离子体的不均匀性，等离子体向各方向发出的光信号也变化较大，由于光纤探头的所对准的等离子体位置不同所导致的差异也是引起测量误差的重要因素。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于激光诱导击穿光谱技术的等离子体信号采集装置，具体来说，是利用凹面镜或者多个采集透镜对等离子体辐射的光信号进行收集，提高光信号的收集效率，克服等离子体辐射的光信号的不均匀性造成的测量误差。

本发明的第一种技术方案是：

一种基于激光诱导击穿光谱技术的等离子体信号采集装置，所述装置包括入射单元、光信号接收单元、样品以及数据分析单元；入射单元含有激光器和聚焦透镜；所述光信号接收单元含有一个采集透镜、光纤和光谱仪；其特征在于：光信号接收单元还包括一个中心开孔的凹面镜，该凹面镜放置在样品的表面上，凹面镜的反射面朝向采集透镜，激光经过聚焦透镜聚焦后，穿过凹面镜的中心孔击打在样品表面产生等离子体，该采集透镜设置在等离子体的正上方；等离子体位于凹面镜的焦点处；凹面镜将等离子体发出的发散的辐射光信号转化为平行光进行收集后输入光谱仪，并将光谱仪得到的光谱信号导入数据分析单元进行光谱分析。

本发明的上述技术方案中，所述的凹面镜的反射面为抛物线型，凹面镜中心孔的直径为10mm-20mm的圆孔。

本发明提供的第二种技术方案是：基于激光诱导击穿光谱技术的等离子体信号采集装置，所述装置包括入射单元、光信号接收单元、样品以及数据分析单元；入射单元含有激光器和聚焦透镜；所述光信号接收单元含有采集透镜、光纤和光谱仪；其特征在于：所述的采集透镜至少采用2个，激光经过聚焦透镜聚焦后以垂直的方向击打在样品表面产生等离子体，所述至少两个采集透镜设置在等离子体上方，并布置在以等离子体为圆心的半球形面上；多个采集透镜将等离子体发出的发散的辐射光信号进行采集，并输入各自相对应的光谱仪，每个光谱仪具有相同的波长范围，最后将每个光谱仪得到的光谱信号导入数据分析单元进行叠加，再对叠加后的光谱信号进行光谱分析。

本发明的第二种技术方案中，所述至少两个采集透镜均匀布置在以等离子体为圆心，半径为50mm-100mm的半球形面上。

本发明具有以下优点及突出性效果：等离子体辐射的光信号经过凹面镜收集并反射后，原来不均匀的光信号中包括的信息基本上都能够进入光纤并被光谱仪所接收，从而避免了光信号各向异性所导致的测量误差。采用多个采集透镜进行收集，并把各个方向收集到的信号进行加和，也能够有效克服等离子体辐射的不均匀性，从而大大提高了信号采集的效率和稳定性，提高测量系统的灵敏度，降低待测元素的检出限。

附图说明

图1是本发明提供的基于激光诱导击穿光谱技术的等离子体信号采集装置的第一种技术方案实施例的结构原理示意图。

图2是本发明提供的基于激光诱导击穿光谱技术的等离子体信号采集装置的第二种技术方案实施例的结构原理示意图。