[发明专利]一种基于光斑改善激光诱导击穿光谱长期稳定性的方法

说明书

一种基于光斑改善激光诱导击穿光谱长期稳定性的方法，该方法包含如下步骤：在进行激光诱导击穿光谱测量时，使用光束质量分析仪记录激光光斑图像，获得不同天数的光斑图像和光谱；利用光斑图像和相对应的光谱建立一个光谱强度修正模型，然后利用该模型对不同天数的光谱进行修正，从而提高光谱的长期稳定性。该方法与常规的激光诱导击穿光谱测量的区别在于，本发明考虑到激光光斑会随着测量环境的变化发生自然改变，进而引起光谱的强度变化，故在实验装置中加入光束质量分析仪，额外获得了激光光斑的信息，通过建立机器学习模型获得光斑对光谱强度的影响规律，利用模型去修正光斑变化对光谱强度的影响，从而提高激光诱导击穿光谱的长期稳定性。

技术领域

本发明涉及一种基于光斑改善激光诱导击穿光谱长期稳定性的方法，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信号的长期稳定性较差：在不人为改变实验条件的情况下，使用同一套实验设备和实验参数、同一个样品，在不同时间测量的光谱再现性差，难以实现高精度的定量分析，其中对“长期”指代的具体时间缺少明确的定义，但一般认为连续两天的光谱即可发现差异(J.Anal.At.Spectrom.,2018,33,1564)。目前认为激光诱导击穿光谱长期不稳定的原因主要是环境条件改变以及测量仪器随时间的漂移。现有针对激光诱导击穿光谱长期稳定性的专门研究较少，主要原因在于长期稳定性的影响因素较多且不完全清楚，在实验过程中研究人员很难严格控制变量。

中国专利文献“一种带有光束稳定性分析的激光诱导击穿光谱探测系统”(CN201811432198.5)中描述了一种使用分光镜、能量计、光束质量分析仪来同时监测激光能量和光束质量的探测系统，使用光束质量分析仪来提高光谱的稳定性。但该技术仅使用了光束质量因子M2这一个参数，没有充分利用光斑图像这一有效信息，相比于光斑图像，M2不能充分描述光斑形貌；该专利通过剔除能量和光束质量因子M2波动较大的光谱实现提高光谱稳定性，剔除具有一定的随机性，且不能有效利用所有光谱信息。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于光斑改善激光诱导击穿光谱长期稳定性的方法，旨在解决由于环境变化、仪器漂移等原因，引起激光诱导击穿光谱的强度随时间发生变化，造成长期稳定性差，从而严重制约了定量分析的准确性的问题。

本发明的技术方案如下：

一种基于光斑改善激光诱导击穿光谱长期稳定性的方法，其特征在于包括以下步骤：

1)由激光器发出一束脉冲激光，激光通过出口处的分光镜分为两束，一束进入光束质量分析仪，另一束通过聚焦透镜聚焦在样品表面；

2)由光束质量分析仪拍摄激光光斑图像，由放置在样品表面附近的收光装置收集等离子体辐射，等离子体辐射经过光纤传导到光谱仪，光谱仪将复合辐射进行色散产生光谱；

3)光束质量分析仪和光谱仪分别将光斑图像和光谱传输到计算机，光斑图形和光谱数量相等且一一对应；

4)不人为改变实验条件，每天获得至少30幅的光斑图像和30个光谱，测量天数至少为10天，共获得n幅光斑图像P_i和n个谱线强度I_i；

5)将n幅光斑图像和n个光谱随机划分为训练集和测试集，定义标准光谱强度为训练集内任一天的光谱平均强度或所有训练集光谱的平均强度I_标；