一種便攜式激光探針成分分析儀的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種便攜式激光探針成分分析儀，它包括探測頭和主機系統兩部分，探測頭包括外殼、光纖準直鏡和透鏡；主機系統包括微控制器、便攜式PC機、激光器電源、光譜儀、光收集器、二向色鏡、光纖耦合器，光闌和激光器發射頭；采用將激光脈沖和采集光都通過同一根光纖來傳輸的方式，避免了復雜的光路系統，縮小了激光探針成分分析儀的探測頭的體積，提高了系統的抗干擾性和可重復性；采用雙脈沖激發，能夠很好的降低探測極限，提高信背比和等離子體光譜的穩定性；同時，采用脈沖能量為10-20mJ的小能量激光脈沖來激發樣品提高分析的準確性，同時避免對樣品表面較大的破壞；采用上位機軟件控制小型位移平臺實現自動化聚焦和采集。
【專利說明】一種便攜式激光探針成分分析儀
【技術領域】
[0001]本發明屬于激光精密檢測【技術領域】，具體為一種便攜式激光探針成分分析儀(簡稱激光探針儀)，主要用于物質元素成分的定性與定量分析。
【背景技術】
[0002]在冶金、機械、能源、化工、環保、食品安全、生物制藥等領域中，常常需要對物質成分進行定性或定量分析。目前應用較為成熟的分析方法有:紫外可分光光度法(UV)、原子吸收法(AAS)、原子熒光法(AFS)、電感耦合等離子體法(ICP)、X熒光光譜(XRF)、電感耦合等離子質譜法(ICP-MS)等。但由于這些方法制樣比較繁瑣，分析周期長，一般需要對樣品進行預處理，且儀器成本過高，使用條件苛刻，不能在野外等惡劣環境下或工業現場進行檢測，無法實現在線檢測的目的。激光誘導擊穿光譜(Laser Induced BreakdownSpectroscopy,簡稱LIBS),是一種新型的物質成分分析技術,它是通過將脈沖激光束聚焦到樣品表面燒蝕形成等離子體而發射出光譜，通過采集等離子體光譜來分析其元素的成分及其含量。與傳統分析儀相比，LIBS技術具有無需樣品制備，分析迅速，可同時檢測多種元素、探測極限低、成本低等優點，可用于固體、液體和氣體等物質的檢測，特別適合物質的原位分析。
[0003]與其它物質成分分析方法相比，LIBS技術有著顯著的優勢，然而，現有的LIBS系統還存在著一些不足之處。
[0004]中國專利文獻《一種激光探針微區成分分析儀》(申請號為200910062846，
【公開日】為2009年11月25日)公開了一種基于微區成分探測分析的激光探針儀，該激光探針儀主要是由LIBS、工業CCD、工作臺和控制系統組成，主要是針對物質微區成分的分析探測，因其采用了機械約束機構，從而有效地降低了 LIBS的探測極限。但儀器復雜、體積龐大，主要適用于實驗室內檢測分析，不便于在野外或工業現場實時檢測。
[0005]中國專利文獻《激光誘導放電增強等離子光譜檢測裝置》(申請號為200910154015.2，
【公開日】為2010年4月21日)公開了一種激光誘導放電增強等離子光譜檢測裝置。該裝置包括由YAG激光器和透鏡組成的入射單元，由探頭、光纖和光譜儀組成的信號接收單元，載物臺和數據分析單元。該裝置設有一個高壓快放電回路組成的信號增強單元，能在一定程度上增強信號強度，具有較低的檢出限和較高的穩定性等特點。然而，高壓放電回路的引入使整個系統更加復雜，體積更大，同樣不便于在野外或工業現場檢測。此夕卜，由于電火花放電的不均勻性，可能會影響測量結果的穩定性，也可能會對樣品造成較大的燒蝕，其探測極限也沒有雙激光脈沖的低。
[0006]中國專利文獻《一種基于雙激光光源的激光探針微區成分分析儀》(申請號為201010114115.5，
【公開日】為2010年7月21日)公開了一種基于雙激光光源的激光探針微區成分分析儀，該激光探針儀器主要是采用雙激光光源，固定波長激光器和波長可調諧激光器可上下或平行放置，且通過數字延時發生器控制其開啟順序及延時。這種雙激光光源激發的激光探針儀探測極限低，元素分析精度高。可用于各種物質微區的微量、痕量元素的準確定性和精確定量分析，但由于儀器體積龐大，其主要是針對實驗室內做精確測量，不便于在野外或工業現場實時檢測。
[0007]現有的LIBS系統的不足之處主要表現在:
[0008]首先，傳統的LIBS系統大多采用Nd =YAG激光器在光學平臺上搭建復雜的光路系統，設備體積龐大，對設備放置的環境要求高，如需要專門的光學平臺等，有些激光器需要恒溫、干燥環境等，因此無法將儀器搬到野外惡劣環境或工業現場進行分析；
[0009]其次，目前的可移動式的LIBS系統一般是將整個激光器發射頭裝進探測頭里面，使得探測頭的體積依然比較龐大，這給野外探測和工業現場分析帶來不便。同時，由于采用單脈沖，探測極限和精度受到了很大的限制，很難探測痕量元素。
[0010]第三，目前的有些LIBS系統為了增強等離子體光譜強度，往往采用一些輔助的增強措施，例如充保護氣、抽成真空，電火花或微波加熱等等，這些輔助裝置的加入，往往需要做一個專門的樣品室，樣品室的大小使得目標樣品的尺寸受到很大限制，無法完成大尺寸試樣的成分分析，無法在工業現場進行實時監測。
[0011]第四，目前常見的LIBS系統一般采用30_100mJ的單脈沖能量。例如清華大學，馬曉紅等，檢測時間及位置可控的激光誘導擊穿光譜檢測轉置，[P]，中國，201010569401.0，20101126。然而，較大的激光脈沖能量對樣品的表面燒蝕比較嚴重，對樣品的損傷較大。
[0012]可見，現有的LIBS系統由于種種原因，還存在著很多的缺陷:如設備體積較為龐大，對環境要求高，分析精度、探測極限、穩定性和可重復性有待進一步提高，不適合在環境惡劣的野外環境或工業現場實時監測。

【發明內容】

[0013]為了克服現有LIBS技術存在的缺陷和為了適應野外作業及工業現場實時檢測的需要，本發明提供了一種便攜式激光探針成分分析儀(以下簡稱激光探針儀)，該激光探針儀體積小、重量輕，攜帶方便，操作簡單，分析迅速，可用于野外環境或工業現場實時檢測，不需要真空環境，無需對樣品進行預處理；對所分析樣品的尺寸大小和導電性無限制，分析效率高。
[0014]本發明提供的一種便攜式激光探針成分分析儀，包括探測頭和主機系統兩部分，其特征在于，探測頭包括外殼、第一光纖準直鏡和透鏡；主機系統包括微控制器、便攜式PC機、激光器電源、光譜儀、光收集器、二向色鏡、第一光纖稱合器，光闌和激光器發射頭；
[0015]外殼的一端開有探針出光口，透鏡安裝在第一位移平臺上，第一光纖準直鏡安裝在第二位移平臺上，且第一光纖準直鏡、透鏡和探針出光口依次位于第一光路上；
[0016]光闌和二向色鏡在激光器發射頭的第二光路上，二向色鏡與激光器發射頭所發射的激光束成45度角；光收集器、二向色鏡和第一光纖耦合器依次位于第三光路上，所述第三光路與第二光路垂直；
[0017]第一光纖準直鏡與第一光纖耦合器通過傳輸光纖連接，用于將主機系統中激光脈沖傳輸到探測頭中，并將探測頭中收集到的等離子體光譜傳輸到主機系統中；
[0018]微控制器分別與第一、第二位移平臺電信號連接，用于控制位移平臺的位置，微控制器與便攜式PC機通信連接；
[0019]光譜儀與光收集器通過光纖連接，用于采集光譜信號；便攜式PC機與光譜儀通過數據線連接，用于實時顯示光譜儀采集到的光譜信號；
[0020]微控制器與激光器電源箱電信號連接，用于觸發激光器發射頭工作；
[0021]激光器的電源箱或者微控制器與光譜儀電信號連接，以觸發光譜儀工作。
[0022]本發明提供了一種便攜式的激光探針成分分析儀，采用將激光脈沖和采集光都通過同一根光纖來傳輸的方式，避免了復雜的光路系統，縮小了激光探針成分分析儀的探測頭的體積，提高了系統的抗干擾性和可重復性；采用分束器、合束器和光纖延時的方法將單脈沖激光變成雙脈沖激光，采用雙脈沖激發，能夠很好的降低探測極限，提高信背比和等離子體光譜的穩定性；采用脈沖能量為10_20mJ的小能量激光脈沖來激發樣品提高分析的精度，同時避免對樣品表面較大的破壞；采用上位機軟件控制小型位移平臺實現自動化聚焦和采集。與現有的元素成分分析儀相比，本發明的優點是:
[0023]1.小巧便捷，高度集成化、自動化，整個檢測過程能迅速完成，無需對樣品預處理，適合野外或惡劣環境下檢測，適合場地狹窄的特殊環境下作業，能對工業現場進行實時監測。
[0024]2.采用脈沖能量為10_20mJ的小能量激光脈沖來激發樣品產生等離子體，提高分析的精度；同時避免了對樣品的較大破壞，真正做到了無損或微損檢測。
[0025]3.通過將激光脈沖和采集光都耦合進同一根光纖來傳輸的方法避免了復雜的光路系統，避免了外界環境對光路系統的影響，大大提高了系統的集成度、穩定性和可重復性；同時，采用光纖傳輸又使得激光探針成分分析儀的手持式探測頭體積做的更小。
[0026]4.采用雙脈沖激發的方法，增強檢測效果，使得元素的探測極限、分析精度和穩定性大大的改善。本發明的第二種實施例中采用分束、合束和延時的方法，將單脈沖激光變成雙脈沖激光，采用雙脈沖激發使得檢測效果明顯提升，如探測極限(limit of detection,L0D)下降，信背比提高，穩定性增強等。所謂的雙脈沖激發是指在第一個激光脈沖在樣品表面激發出等離子體后，經適當的延時后，第二個激光脈沖再次照射到第一個脈沖產生的等離子體上，對等離子體進行再次激發，使得光譜信號明顯增強，探測極限降低，穩定性提高。
[0027]5.通過位移平臺自動化控制，精確控制透鏡的聚焦點位置和精確調節光收集器的位置，進一步提聞了激光探針儀的精確度，且省時省力。
[0028]6.將物質成分分析儀做成手持式探測頭和手提箱式的探測儀主機的形式，配合緊湊型的Nd =YAG激光器和高度集成化的光譜檢測系統，以及自動調節聚焦等功能，使得整個激光探針分析儀具有體積小，重量輕，小巧便攜，穩定可靠，方便實用等特點，特別適合野外或工業現場在線檢測。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0029]圖1為本發明實例提供的第一種【具體實施方式】的結構示意圖；
[0030]圖2為本發明實例提供的第二種【具體實施方式】的結構示意圖。
[0031]圖中符號分別表示:A為整個便攜式激光探針儀的探測頭，B為便攜式激光探針儀的主機系統；1為第一光纖準直鏡，2為透鏡,3為外殼,4為探針出光口，5為樣品,6為第一位移平臺，7為手柄，8為第二位移平臺，9為控制信號線，10,23均為光纖(為區分，分別稱之為傳輸光纖和延時光纖)，11為套管，12為微控制器,13為便攜式PC機,14為激光器電源，15為光譜儀,16為光收集器,17為二向色鏡，18為第一光纖I禹合器,19為光闌,20為激光器發射頭，21為光分束器,22為第二光纖稱合器,24為光合束器,25為第二光纖準直鏡。【具體實施方式】
[0032]下面結合附圖對本發明的【具體實施方式】作進一步說明。在此需要說明的是，對于這些實施方式的說明用于幫助理解本發明，但并不構成對本發明的限定。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。
[0033]如圖1所示，本發明實例提供的第一種便攜式激光探針成分分析儀主要包括探測頭A和主機系統B兩部分,其中,探測頭A包括外殼3,第一光纖準直鏡I,透鏡2,第一位移平臺6，第二位移平臺8，手柄7等；主機系統B包括微控制器12，便攜式PC機13，激光器電源14,光譜儀15,光收集器16, 二向色鏡17,第一光纖f禹合器18,光闌19,激光器發射頭20等。
[0034]如圖1所示，探測頭A中的第一光纖準直鏡I與主機系統B中的第一光纖耦合器18通過傳輸光纖10連接，用于將主機系統B中激光脈沖傳輸到探測頭A中；同時，探測頭A中收集到的等離子體光譜也是通過傳輸光纖10傳輸到主機系統B中。
[0035]第一位移平臺6和第二位移平臺8均安裝在探測頭A的外殼3內，透鏡2安裝在第一位移平臺6上，第一光纖準直鏡I安裝在第二位移平臺8上。
[0036]本發明所使用的位移平臺是體積小的微型二維位移臺，能向X軸和y軸兩個方向運動，優選定位精度可達?ο μ m,真直度可達10 μ m的二維位移臺。
[0037]第一光纖準直鏡1、透鏡2和探針出光口 4依次安裝在同一直線上，以便使激光照射到樣品上產生的等離子體光譜經透鏡2后入射到第一光纖準直鏡I中。
[0038]如圖1所不,在主機系統B中,光收集器16、二向色鏡17和第一光纖I禹合器18在一直線上，用以采集等離子體光譜；光闌19和二向色鏡17在激光器發射頭20的激光束所在的直線上，二向色鏡17與激光器發射頭20所發射的激光束成45度角；激光器發射頭20、光闌19和二向色鏡17所在的直線與光收集器16、二向色鏡17和第一光纖耦合器18所在的直線垂直。
[0039]如圖1所示，微控制器12上的接口分別與第一、第二位移平臺6、8連接，用于精確控制位移平臺的位置，微控制器12上的USB接口與便攜式PC機13連接，用于與PC機之間的通信，從而實現在PC機上精確控制位移平臺的運動。微控制器12的I / O端口還分別與光譜儀15和激光器電源箱14的外觸發輸入端連接，用于觸發光譜儀和激光器工作；
[0040]同時，也可將激光器的電源箱14的外觸發輸出端和光譜儀15的外觸發輸入端通過信號線連接，這樣，可以不通過微控制器12而直接由激光器觸發光譜儀。
[0041]光譜儀15與光收集器16通過光纖連接，用于采集光譜信號。便攜式PC機13與光譜儀15通過數據線連接，用于實時顯示光譜儀采集到的光譜信號。
[0042]通過位移平臺6可以精確控制透鏡2的位置，通過PC機13可以控制位移平臺6，實現高精度的聚焦，精度可達10 μ m,避免手動調焦帶來的費時費力且誤差大等情況，一般將焦點調節在探針出光口 4之外的2-4mm處，以保證激光焦點與樣品表面有一個離焦量，使激光打到樣品上產生的等離子體產生的光譜最強烈。當激光焦點的離焦量需要變換時，可以通過控制位移平臺6來精確的調整。
[0043]通過位移平臺8可以精確控制第一光纖準直鏡I的空間位置，以實現精確的對準等離子體羽，可通過PC機上的軟件來精確控制位移平臺8，精度可達10 μ m,避免因手動調焦帶來的費時費力且誤差大等情況。
[0044]透鏡2和第一光纖準直鏡I的調節可以通過軟件控制調節，也可以通過手動旋轉位移平臺的旋鈕來調節。
[0045]所說的探針出光口 4為探測頭與樣品接觸的部分，采用耐高溫的合金材料制成，其頂端圓口的內徑大約2-5mm，用于激光從該口發射出來，同時，激光激發出的等離子體光譜也是從探針出光口 4入射到探測頭A中。
[0046]所說的二向色鏡17是表面鍍有一層對應于激光波長的介質全反射膜，對激光的反射率達到98%以上，而對其他波長的光則是透射，且透過率達到98%以上。
[0047]所說的光收集器16用來收集光譜，然后通過光纖傳輸到光譜儀15中。
[0048]所說的激光器為緊湊型的固體激光器，其包括激光器發射頭20和激光器電源14兩部分，將其脈沖能量大小設置為10_20mJ，一方面為了提高分析精度和穩定性，另一方面避免能量過大造成樣品表面受到較大的破壞。
[0049]激光器電源14和光譜儀15上帶有外觸發功能，可在發射激光脈沖的同時給出一個觸發信號來觸發光譜儀開始采集，以實現激光器與光譜儀之間按照一個預設的時序來工作。可以通過在光譜儀軟件上設置一個預定的延時時間，由激光器電源14上產生的觸發信號直接觸發光譜儀工作。
[0050]激光器與光譜儀之間的時序，也可以通過微控制器12來控制，具體過程如下:微控制器12產生兩路矩形脈沖信號分別控制激光器和光譜儀，其中這兩路矩形脈沖信號的上升沿之間的延時時間根據需要由用戶自定義設置，一般為0.5 μ S-1O μ S。
[0051]本發明的第一個實施例的具體工作過程是:
[0052]激光器發射頭20產生一個激光脈沖，同時輸出一個觸發信號給光譜儀15 ;激光脈沖經光闌19整形，然后入射到二向色鏡17上，經過二向色鏡17的反射后，入射到第一光纖率禹合器18中,然后通過傳輸光纖10傳輸到第一光纖準直鏡I中，經過第一光纖準直鏡I后變成平行光，再經過透鏡2聚焦后，經探針出光口 4照射到樣品5的表面。在樣品5的表面產生等離子體，由于光路的可逆性，等離子體光譜再經過上述路徑返回，然后經二向色鏡17的透射，再入射到光收集器16中被收集，再通過光纖傳輸到光譜儀15中。
[0053]另一方面，光譜儀15接收到了激光器電源14發送的觸發信號后，經過一個設定的時間延時后，光譜儀15開始采集光譜，光譜儀15將采集到的光信號轉換為電信號，然后通過數據線傳輸到便攜式PC機13，在PC機上得到光譜信息，并通過與數據庫中的光譜信息進行對比分析，確定出樣品所含的元素種類及其含量并顯示給用戶。
[0054]本發明實例也可以將圖1中的BI部分換成圖2中所示的結構。與第一種【具體實施方式】不同的是，第二種【具體實施方式】采用雙脈沖激發的方式，能夠有效的降低探測極限，提高等離子體光譜的信背比和穩定性，適合在一些對探測極限，穩定性和信背比要求較高的情況下使用。
[0055]如圖2所示，第二種實施方式中的BI部分主要增加了分束器21，第二光纖耦合器22，合束器24，第二光纖準直鏡25等。
[0056]如圖2所示，激光器發射頭20與光闌19、分束器21、合束器24依次安裝在一條直線上；第二光纖耦合器22安裝在分束器21的一個輸出端；第二光纖準直鏡25安裝在合束器24的一個輸入端；第二光纖稱合器22和第二光纖準直鏡25通過一根延時光纖23相連，延時光纖23起到光學延時的作用。
[0057]激光束經過分束、延時、合束之后產生的雙脈沖中的第二個激光脈沖與第一個激光脈沖的時間間隔tl是可以根據延時光纖23的長度來計算:tl = L / V，其中L為光纖長度，V為激光在空氣中傳播的速度，一般延遲時間根據用戶需要可設為0.5-10 μ s不等，也可以根據預先設定的時間tl來選擇光纖23的長度，光譜儀設置為在雙脈沖中的第二個脈沖照射到樣品之后開始采集。
[0058]激光器與光譜儀之間的時序，可以通過微控制器12來控制，具體方法是:微控制器12產生2路矩形脈沖信號分別來觸發激光器和光譜儀，其中這2路矩形脈沖信號的上升沿之間的延時時間tdelay = tjtfh，其中A1是激光在延時光纖23中傳輸所用的時間，&是為了避免采集到等離子體光譜中的軔致輻射連續背景光譜而延時的一個時間，t3為光譜儀系統本身的反應時間。
[0059]激光器與光譜儀之間的時序，也可以不通過控制器12來控制，直接在光譜儀軟件上設置一個合適的延時時間tdelay，來確保光譜儀正好采集到第二個激光脈沖之后的等離子體光譜，tdelay如上文所述。
[0060]本發明的第二種【具體實施方式】的工作過程是:
[0061]如圖2所示，激光器發射頭20產生一個激光脈沖，同時輸出一個觸發信號給光譜儀15 ;激光脈沖經光闌19整形，然后到分束器21的輸入端，經分束器21分成兩路光束輸出，其中一路光束直接輸入到光合束器24的一個輸入端，另一路光脈沖經第二光纖耦合器22耦合進延時光纖23，經過延時光纖23的光學延時后，通過第二光纖準直鏡25變成平行光輸入到合束器24的另一輸入端。這樣，兩路光脈沖經合束器24合束后，變成了一個在時間上分隔的雙脈沖激光。
[0062]其余工作過程與第一種【具體實施方式】中的相同，其中，激光器發射激光的時間和光譜儀開始采集之間的延時時間tdelay如上文第二種實施方式中所述。
[0063]以上所述為本發明的較佳實施例而已，但本發明不應該局限于該實施例和附圖所公開的內容。所以，凡是在不脫離本發明所公開的精神下完成的等效或修改，都落入本發明保護的范圍。
【權利要求】
1.一種便攜式激光探針成分分析儀，包括探測頭和主機系統兩部分，其特征在于，所述探測頭包括外殼(3)、第一光纖準直鏡(I)和透鏡(2);所述主機系統包括微控制器(12)、便攜式PC機(13)、激光器電源(14)、光譜儀(15)、光收集器(16)、二向色鏡(17)、第一光纖耦合器(18 )，光闌(19 )和激光器發射頭(20 ); 外殼(3)的一端開有探針出光口(4)，透鏡(2)安裝在第一位移平臺(6)上，第一光纖準直鏡(I)安裝在第二位移平臺(8 )上，且第一光纖準直鏡(I)、透鏡(2 )和探針出光口( 4 )依次位于第一光路上； 光闌(19)和二向色鏡(17)在激光器發射頭(20)的第二光路上，二向色鏡(17)與激光器發射頭(20)所發射的激光束成(45)度角；光收集器(16)、二向色鏡(17)和第一光纖率禹合器(18)依次位于第三光路上，所述第三光路與第二光路垂直； 第一光纖準直鏡(I)與第一光纖稱合器(18)通過傳輸光纖(10)連接,用于將主機系統B中激光脈沖傳輸到探測頭A中，并將探測頭A中收集到的等離子體光譜傳輸到主機系統B中； 微控制器(12)分別與第一、第二位移平臺(6、8)電信號連接，用于控制位移平臺的位置，微控制器(12)與便攜式PC機(13)通信連接； 光譜儀(15)與光收集器(16)通過光纖連接，用于采集光譜信號；便攜式PC機(13)與光譜儀(15)通過數據線連接，用于實時顯示光譜儀采集到的光譜信號； 微控制器(12)與激光器電源箱(14)電信號連接，用于觸發激光器發射頭(20)工作； 激光器的電源箱(14)或者微控制器(12)與光譜儀(15)電信號連接，以觸發光譜儀工作(15)。
2.根據權利要求1所述的便攜式激光探針成分分析儀，其特征在于，所述主機系統還包括設置在激光器發射頭(20)與二向色鏡(17)之間的分束器(21),第二光纖稱合器(22),合束器(24)和第二光纖準直鏡(25 );激光器發射頭(20 )與光闌(19 )、分束器(21)和合束器(24)依次位于所述第一光路上,第二光纖稱合器(22)安裝在分束器(21)的一個輸出端；第二光纖準直鏡(25)安裝在合束器的一個輸入端；第二光纖稱合器(22)和準直鏡(25)通過延時光纖(23)相連。
3.根據權利要求1所述的便攜式激光探針成分分析儀，其特征在于，透鏡(2)的焦點用于探針出光口(4)之外的2mm-4 mm處。
4.根據權利要求1所述的便攜式激光探針成分分析儀，其特征在于，探針出光口(4)的頂端圓口的內徑大約2mm_5 mm。
5.根據權利要求1至4中任一所述的便攜式激光探針成分分析儀，其特征在于，所述光譜儀和激光器發射頭(20)之間的觸發延時為0.5 μ s—10 μ S。
【文檔編號】G01N21/63GK103558191SQ201310450489
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年9月27日 優先權日:2013年9月27日
【發明者】曾曉雁, 曾慶棟, 李祥友, 郭連波, 段軍, 沈萌, 郝中騏, 賀超, 于洋, 任昭, 呂金萍 申請人:武漢新瑞達激光工程有限責任公司, 華中科技大學