[发明专利]一种基于复合约束增强光谱的多模光纤LIBS探测器

说明书

本发明公开了一种基于复合约束增强光谱的多模光纤LIBS探测器，包括LIBS探头，耦合收集系统，控制检测系统三个部分，其中，LIBS探头由光纤耦合头和聚焦腔组成；耦合收集系统包括二向色镜、光纤聚焦器、光纤收集器；控制检测系统包括纳秒激光器、光谱仪、可编程脉冲延迟发生器、ICCD、计算机。本发明采用多模光纤作为传输介质，根据凸透镜成像规律将激光聚焦到待测样品表面击穿诱导等离子体，使用了复合约束增强等离子体辐射的方法提高了元素光谱强度。本发明可实现多种元素的同时分析，操作安全可靠，灵敏度高，测量精度高，光谱信噪比高，元素检出限低，分析速度快，效率高，能够进行远程在线监测，有效满足了传统的光纤LIBS检测装置的不足。

技术领域

本发明属于激光诊断技术领域，涉及一种基于复合约束增强光谱的多模光纤LIBS探测器。

背景技术

针对应用于磷矿和煤灰的采矿作业，不同地质条件下铀的探测，水中的环境污染物检测，爆炸残余物分析，名画的真伪鉴别，电厂废气检测等工业领域的设备关键结构的状态检测、维修及评价是社会工业生产安全性和经济性的重要支撑。为了保障检测设备在制造后和运行中结构不存在危害性缺陷和损伤，要求对检测设备关键部件进行在役和役前无损检测、评价以及运行中的有效监测。然而针对矿石开采、能源发电、环境污染等高放射性、高温、高压、高毒性等恶劣运行环境，常规的检测手段，如X射线照相技术、超声技术、涡流技术，只能应用于停机和非操作阶段，不能实现远距离的在线测量，不能完全满足恶劣工况下关键设备检测的需求。

激光诱导击穿光谱技术(Laser Induced Breakdown Spectroscopy,以下简称LIBS技术)受到人们广泛关注，LIBS是基于高功率脉冲激光聚焦于致密介质表面产生瞬态等离子体，通过探测并分析等离子体发射出的原子或离子特征谱线，实现对样本定性或定量分析的一种新型光谱测量技术。该技术在聚变能源、国防、工业等领域内具有巨大的潜在应用价值，可以通过LIBS技术检测高温、高压、高辐射的生产线中蒸汽过热弯管等人工难以到达的地方。与其他检测手段相比，LIBS技术具有明显的优势：远程在线原位检测，样本微损甚至无损，无须样本预处理，可实现多种元素同时分析等。

然而，传统的光纤LIBS系统也存在如下不足之处。首先，传统的便携式光纤LIBS探测系统也无法适应高放射性、高温、高压等恶劣运行环境(例如，华中科技大学，曾晓雁等，基于光纤激光器的便携式激光探针成分分析仪,[P]，中国，2013107403189.20151104)。其次，传统的光纤LIBS系统在聚焦击穿时需要将光纤发射出的激光通过平凸透镜变成平行光再经过平凸透镜聚焦到待测样品表面；这种准直聚焦的方式复杂，不易控制，且聚焦形成的光斑较大，击穿的效果差。再者，传统光纤LIBS系统的传输激光功率小，传输效率低，光谱信噪比低，导致测量精度较差，检测结果的可信度低。目前还没有一种在线监测的装置或者探测设备可以有效满足恶劣工况下关键设备检测的需求。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种基于复合约束增强光谱的多模光纤LIBS探测器，利用成像方式聚焦激光诱导击穿光谱，主要用于定性与定量分析测定物质中的元素成分。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种基于复合约束增强光谱的多模光纤LIBS探测器，包括LIBS探头、耦合收集系统以及控制检测系统；其中，LIBS探头包括聚焦腔，以及安装在聚焦腔前端的光纤耦合头，聚焦腔内设置有第一平凸透镜；耦合收集系统包括光纤聚焦器、二向色镜以及光纤收集器；控制检测系统包括光谱仪、ICCD、纳秒激光器、计算机以及可编程脉冲延迟发生器；光纤聚焦器通过传输光纤与聚焦腔相连，并与第一平凸透镜设置在同一光路上；光纤收集器通过收集光纤与光谱仪相连。

本发明进一步的改进在于：