[发明专利]一种基于多级共振激发的激光探针增强方法和系统

说明书

本发明公开了一种基于多级共振激发的激光探针增强方法和系统，其中，方法的实现包括：利用激光束烧蚀待测样品，待测样品表面产生等离子体；对等离子体中待测元素的电子进行多级共振激发，使得等离子体中待测元素的电子逐级完成标识能级的跃迁过程，然后退激跃迁回基态，从而得到荧光信号，利用荧光信号得到待测样品的元素种类。本发明提高了电子的跃迁几率，使得等离子体中待测元素的电子能够退激辐射出更多的光子数目，增强了等离子体中待测元素的荧光信号。同时，以多级共振激发的方式，对波长可调谐激光器所要求的能量低，偏红外，成本较低，将大大降低检测的成本。

技术领域

本发明属于激光诱导击穿光谱技术领域，更具体地，涉及一种基于多级共振激发的激光探针增强方法和系统。

背景技术

激光探针，又称激光诱导击穿光谱(Laser-induced breakdown spectroscopy，简称LIBS)，是一种物质成分分析技术。它采用高能量密度的激光，聚焦在待测样品表面烧蚀产生等离子体，等离子体发射出具有一定频率的特征光谱，通过收集和分析该等离子体发射的特征光谱，从而实现对物质成分的检测。它具有快速、实时、原位、无损、制样简单甚至无需制样等诸多优点。

在物理学中，无论是原子、分子还是离子，都具有特定的能级结构，电子在特定的能级之间跃迁时会吸收或者辐射出具有一定频率的光子，这种频率的光子直接反映了该种原子、分子和离子的种类。因此，该原理常被用来进行物质成分的分析。从本质上讲，在激光探针中，实现对样品中待测元素种类和含量准确测定的关键在于，等离子体中待测元素特征光谱信号的强度要大。然而，由于等离子体在演化的过程中温度不断降低，大多数原子、分子和离子的电子均趋于能量最低的基态，使得等离子体中待测元素的原子、分子和离子向外辐射出的光子数目较少，特征光谱信号较弱，不利于检测。

为了增强等离子体中待测元素的特征光谱信号，目前本领域内常用的增强方法主要有两种：一是采用约束的手段，包括空间约束、磁约束等方式，它是将等离子体约束在一定的空间内，通过等离子体的多次反射激发或者在磁空间中选择性取向，使得其中电子的跃迁几率变大，向外辐射出的特征光子数目变多，从而实现待测元素发射光谱信号的增强，如中国专利1(公开号：206497044U)所描述的技术方案就是关于等离子体空间约束的，但是其不足在于，空间结构的构建难度很大；二是采用共振激发的手段，利用等离子体中待测元素的原子、分子和离子自身特定的能级结构，通过外界辅助，以能量匹配的方式使得待测元素的特征光谱加以共振激发增强，如中国专利2-4(公开号：105067592A，103712962A，107014804A)所描述的技术方案，就是基于外界能量辅助待测元素能级共振激发以增强特征光谱信号强度的，但是所述的技术方案局限性在于，改善光谱强度的能力有限。因为常规的直接共振激发所用的激发波长为紫外区，而目前面世的可调谐激光器基频皆不能覆盖紫外，因此，获得紫外可调谐波长激光需要经过紫外宽带非线性晶体进行倍频。该类晶体不仅转换效率较低，导致共振激发能量较小，也极易受环境(温度、湿度等)影响，而且紫外波段的可调谐激光器(如OPO激光器)价格昂贵，极大地限制了其在工业上的应用。

由此可见，现有技术存在等离子体待测元素特征光谱信号强度较弱，以直接共振激发所需仪器成本较高的技术问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于多级共振激发的激光探针增强方法和系统，由此解决现有技术存在等离子体待测元素特征光谱信号强度较弱，以直接共振激发所需仪器成本较高的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于多级共振激发的激光探针增强方法，包括：

(1)利用激光束烧蚀待测样品，待测样品表面产生等离子体；

(2)对等离子体中待测元素的电子进行多级共振激发，使得等离子体中待测元素的电子逐级完成标识能级的跃迁过程，然后退激跃迁回基态，从而得到荧光信号，利用荧光信号得到待测样品的元素种类。