[发明专利]一种基于光束整形改善激光诱导击穿光谱可重复性的方法

说明书

本发明公开了一种基于光束整形改善激光诱导击穿光谱可重复性的方法。该方法包含如下步骤：由激光器产生脉冲激光；由光束整形器将光束能量密度分布变为中心稍低、外围稍高的凹形；凹形光束聚焦烧蚀样品表面物质，产生等离子体；采集等离子体放射光，得到激光诱导击穿光谱。该方法与激光诱导击穿光谱领域的常规光束整形方法的主要区别在于，结合关于光谱信号不确定性来源以及等离子体空间演化过程的研究成果，针对性地设计了凹形光束形貌，以减小等离子体中心处的温度和电子密度，显著提高等离子体的空间稳定性，改善光谱可重复性。

技术领域

本发明涉及一种基于光束整形改善激光诱导击穿光谱可重复性的方法，属于激光诱导击穿光谱技术领域。

背景技术

激光诱导击穿光谱(Laser-induced Breakdown Spectroscopy,LIBS)可用于快速测定元素含量，是一种新型原子发射光谱技术。LIBS的工作原理为：将一束脉冲激光聚焦至待测物质表面，使其被烧蚀、激发成为等离子体；等离子体在迅速衰减的过程中辐射出光子，光子的频率和数量包含了待测物质的元素种类和浓度信息。LIBS技术的测量速度快、适用范围广，且对样品预处理的要求低，在流程工业监测、环境监测、外太空勘探等领域具有较高的发展潜力。

然而，目前LIBS信号的可重复性过低，难以实现高精度的定量分析，限制了这一技术的发展和应用。近期的研究工作表明(Investigation of intrinsic origins of thesignal uncertainty for laser-induced breakdown spectroscopy,SpectrochimicaActa Part B:Atomic Spectroscopy,2019,155:67-78)，在常用的信号采集时间段，LIBS信号不确定性的主要来源是等离子体空间形状的不稳定性。因此，通过提高等离子体空间形状的稳定性，可以有效地改善LIBS信号可重复性，有助于提高定量分析精度，此类方法被称为等离子体空间调制方法。

为实现空间调制，提高等离子体空间形状的稳定性，一些研究人员提出采用光束整形技术(如申请号201711079175.6专利文献；申请号201811156791.1专利文献)改变激光与物质的相互作用过程。这些方法引入了激光加工领域最为常见的平顶形光束，使等离子体变得均匀，减弱了空间形状的振荡。

根据现有专利(如申请号0125669.7专利文献；申请号201911021030.X专利文献)，目前技术人员已经可以通过光束整形器实现任意的激光束能量密度分布，因此自然可以根据光谱反馈结果对激光束的能量密度分布进行优化，以取得更优的测量性能。但是，由于激光束能量密度分布的待定参数极多、参数空间维度极大，目前仍未出现可以依循的设计准则。因此，该类方法停留于简单应用平顶形光束这一成熟技术，难以在此基础上进一步获得有效改善。