[发明专利]混合激光诱导击穿光谱系统

说明书

提出了一种LIBS系统，该系统从由样品的辐照产生的等离子体光中检测该样品中感兴趣的组成元素。LIBS系统具有混合配置，可提供覆盖宽光谱范围的等离子体光的低分辨率光谱，以及提供相同的等离子体光在窄光谱范围内的高分辨率光谱，该窄光谱范围集中在样品感兴趣的组成元素的光谱线或特征上。在一些实施方式中，LIBS系统具有便携式设计并且可以执行现场样本分析。

技术领域

技术领域通常涉及材料分析，并且更具体地涉及混合LIBS系统。

背景技术

激光诱导击穿光谱(LIBS)是一种从给定样品中检索元素信息的众所周知的技术。典型的LIBS测量执行如下：发送短激光脉冲并将其聚焦到样品表面上；表面被激光脉冲迅速加热，部分材料汽化，气体转化成等离子体，等离子体组成代表样品的元素含量；当等离子体冷却时，等离子体中被激发的电子最终返回到其相关原子的基态，并且辐射电子复合发射出具有与其相关原子能级所允许的离散能量的光子。发射的光子被收集并发送到光谱仪中以产生光发射光谱。光谱的光谱分布(强度与波长)与等离子体的元素组成有关，因此与样品的元素组成有关。例如，参见美国专利6,008,897及其中引用的参考文献。

本领域已知的LIBS系统通常属于以下三种类型之一：

1-实验室LIBS系统：这种类型的系统在激光能量、高分辨率和灵敏度方面具有最佳性能。通常，这涉及将庞大的组件用于激光源、光谱仪和检测器。从样品到聚焦透镜的工作距离(或LIBS技术中称为透镜到样品的距离LSD)通常在25-50cm到2m之间变化。

2-工业LIBS系统：在此类别中，性能也是满足工业要求的关键，并且也可以使用体积大的组件，因为体积不是关键问题。附加要求是整个系统的健壮性和较低的拥有成本。工作距离或LSD从30-50cm到2m不等，通常大于50cm。

3-手持式系统(小于2千克)：与前述的类型相比，这种类型的系统需要使用的体积较小的组件。但是，诸如激光器、光谱仪和检测器之类的组件的性能通常与其体积有关。例如，减小激光尺寸的代价是每个脉冲的能量更少，而较小的光谱仪则意味着较低的分辨率功率并使用了灵敏度较低的检测器。此外，工作距离或LSD约为几厘米(通常小于10cm)。

在该领域中仍然需要一种LIBS系统，其可以将与实验室或工业系统相比更高的灵敏度与手持系统的便携性相结合。

发明内容

根据一个方面，提供了一种激光诱导击穿光谱(LIBS)系统，以检测样品中感兴趣的组成元素。

LIBS系统包括脉冲激光源，该脉冲激光源在照射所述样品时产生易于产生等离子体的光脉冲。LIBS系统还包括元素检测组件和宽带检测组件。元素检测组件包括具有覆盖感兴趣的组成元素的光谱特征的窄带光谱范围的高分辨率光谱仪，而宽带检测组件包括具有宽带光谱范围的低分辨率光谱仪。

LIBS系统还包括探针头，该探针头可由用户运输到样品部位，并具有被配置为用光脉冲照射样品并收集所产生的等离子体光的探测接口。还提供了探针光学器件，其将探测接口与脉冲激光源、低分辨率光谱仪和高分辨率光谱仪光学耦接。探针光学器件定义了第一输出光路和第二输出光路，该第一输出光路将包含感兴趣的组成元素的所述光谱特征的等离子体光的窄带光谱部分导向高分辨率光谱仪，第二输出光路将所述等离子体光的宽带光谱部分导向低分辨率光谱仪。

在一些实施方式中，探针光学器件包括以光脉冲的波长为中心的上游二向色滤光器，该上游二向色滤光器被定位成分别引导：

-从激光源向探测接口发出的光脉冲；和

-从探测接口射向元素检测组件和宽带检测组件的等离子体光。

在一些实施方式中，探针光学器件还包括设置在上游二向色滤光器和探测接口之间的扫描镜组件。

在一些实施方式中，探测接口包括透明窗口。