[发明专利]基于激光等离子体自约束的液体样品光谱测量方法与装置

说明书

本发明提供了一种基于激光等离子体自约束的液体样品光谱测量方法与装置，包括液体样品形成射流；对称分布的多束等能量激光脉冲沿射流流柱径向聚焦于液体样品射流上进行烧蚀，形成空间对称分布的激光自约束等离子体；采集并测量激光自约束等离子体的光谱。本发明利用多束激光脉冲同时作用于液体射流所形成的对称分布的等离子体，还可以抑制液体的溅射，减少测量过程中的样品损耗并避免光学器件污染，保持测量条件的一致性。该方法可以显著提高液体中元素的激光诱导击穿光谱信号强度以及多次测量的稳定性，进而达到提高测量的精度和灵敏度的目的。

技术领域

本发明涉及激光光谱技术领域，具体涉及一种基于激光等离子体自约束的液体样品激光诱导击穿光谱测量方法与装置。

背景技术

水体中重金属污染是目前环境治理面临的重要问题之一，水体重金属污染愈来愈严重致使生态环境和人类的生命健康受到了严重的威胁。常用的对水体中重金属元素检测的方法有电感耦合等离子体光谱法(ICP)、电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)、原子荧光光谱法(AFS)、原子吸收光谱法(AAS) 和X射线荧光光谱法(XRF)等。这些方法在用于水体中重金属元素含量分析时，需要使用化学试剂对样品进行预处理，且操作过程复杂，一方面对环境和仪器操作维护人员存在较大的安全隐患，另一方面造成检测时效性不强，做不到原位检测，因此，亟需发展一种快速、实时、多元素检测的分析技术。

激光诱导击穿光谱(LIBS)技术是一种将高能量激光脉冲聚焦于样品表面，产生激光诱导等离子体，通过测量等离子体发射的线状光谱来对样品进行定性和定量分析的技术。由于该技术具有快速、实时、无需样品制备等诸多优势，已被广泛应用于不同形态样品的检测。然而，当LIBS直接用于液体检测时，由于高能量激光脉冲作用于液体表面，会在液面表面产生严重的溅射，污染光学元件，从而导致作用在液体上的激光脉冲能量下降；同时，激光作用产生的冲击波会导致液面的剧烈波动，使得耦合在液体上的激光功率密度大幅变化，因此也会导致所产生的激光等离子体非常不稳定，这些因素均会导致利用激光诱导击穿光谱技术测量液体样品时的光谱信号的强度低、稳定性差，无法得到高精度和高灵敏度的定量测量结果，甚至无法实现长时间持续测量，液体等离子体冷却时间短也会导致检测信号低，探测灵敏度差等问题，这就极大地限制了LIBS技术在液体样品检测分析领域的应用。

因此，如何提供一种避免当脉冲激光直接作用于液体样品测量时，防止液体溅射、液体表面起伏造成的激光功率密度变化、光谱信号稳定性差的基于激光等离子体自约束的液体样品激光诱导击穿光谱测量方法与装置是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于激光等离子体自约束的液体样品光谱测量方法与装置，能够避免当脉冲激光直接作用于液体样品测量时，遇到的液体溅射、液体表面起伏造成的激光功率密度变化、光谱信号稳定性差、激光等离子体空间分布不均匀、等离子体冷却较快等技术性困难。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明一方面提供了一种基于激光等离子体自约束的液体样品激光诱导击穿光谱测量方法，包括如下步骤：液体样品形成射流；对称分布的多束等能量激光脉冲沿射流流柱径向聚焦于液体样品射流上进行烧蚀，形成空间对称分布的激光自约束等离子体；采集并测量激光自约束等离子体的光谱。

优选的，对多束等能量激光脉冲形成的激光自约束等离子体膨胀过程进行纹影成像。

优选的，将液体样品从样品池抽出并产生射流落回至样品池，形成循环液体流。

本发明另一方面提供了一种基于激光等离子体自约束的液体样品激光诱导击穿光谱测量装置，包括激光脉冲发射装置、激光传输与调制光路、液体射流装置以及光谱分析装置；其中，

液体射流装置用于使液体样品形成射流；

所述激光脉冲发射装置包括作为等离子体激发光源的纳秒脉冲激光器，并产生脉冲激光束；