结合预烧蚀和再加热的三脉冲libs探测系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种结合预烧蚀和再加热的三脉冲LIBS探测系统。探测系统通过两个激光器产生三个激光脉冲先后从不同角度打到目标表面，第一个脉冲对目标点预烧蚀，第二个脉冲产生等离子体，第三个脉冲则对等离子体再加热。基于这种探测系统的探测方法能够有效的提高光谱强度，对一些比较弱的谱线增强程度更明显，同时第三个脉冲对等离子体的再加热还增强了发射光谱信号强度，提高了信噪比和信号的稳定性，降低了测量的相对标准偏差。
【专利说明】结合预烧蚀和再加热的三脉冲LIBS探测系统
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种激光光谱探测系统，尤其涉及一种结合预烧蚀技术和再加热技术 的三脉冲激光诱导击穿光谱（Triple-Pulse Laser-Induced Breakdown Spectroscopy，简 称TP-LIBS)探测系统。
【背景技术】
[0002] 激光诱导击穿光谱（LIBS(探测技术是利用高能量短脉宽的脉冲激光，经过聚焦 照射到被测物体表面，在焦点上获得极高能量密度的激光脉冲，使照射目标表面烧蚀、蒸 发、电离，形成高温、高压、高电子密度的等离子体火花，辐射出包括特征原子和离子谱线的 光谱，可以用于探测物质组成。
[0003] 单脉冲LIBS容易受到被测物体表面附着物和被测物体的基体效应的影响，测量 结果有一定的随机性，重复性差，检测限高。
[0004] 现有的公开文献中，改进的方法是采用双脉冲LIBS，包括预烧蚀双脉冲LIBS和再 加热双脉冲LIBS。预烧蚀是指先利用脉冲激光击穿样品表面附近的空气，然后用激光对样 品进行烧蚀，产生等离子体。采用预烧蚀双脉冲LIBS，可以去除被测物表面杂质对探测的影 响，增强特征光强度，降低检测限，提高信噪比。再加热是指先到达样品表面的脉冲激光对 直接对样品烧蚀产生等离子体，后达到的脉冲激光对等离子继续加热。再加热双脉冲LIBS 使得等离子体更加接近局部热平衡状态，可增强发射光谱信号强度，提高了信号的稳定性， 降低了测量的相对偏差。
[0005] 为了进一步提高LIBS探测的准确性，本文提出了一种结合预烧蚀和再加热技术 的三脉冲激光诱导击穿光谱探测方法，可同时有效降低被测物表面杂质对探测结果影响和 提高发射光谱信号强度和稳定性，更有效的提高信噪比和测量的准确性。
【发明内容】
[0006] 本专利的目的在于提供一种结合预烧蚀和再加热技术的三脉冲激光诱导击穿光 谱探测系统，以同时解决被测物表面杂质及空气等对探测准确性的影响、发射光谱信号强 度微弱和不稳定的问题，进一步提高LIBS探测的信噪比和精度。
[0007] 结合预烧蚀和再加热技术的三脉冲LIBS探测系统包括主发射部分、辅助发射部 分和光辐射收集部分。主发射部分由固体脉冲激光器B12、反射镜11、扩束镜B10和聚焦透 镜B9组成，用于生成等离子体，产生LIBS效应；辅助发射部分由固体脉冲激光器A1、分束 镜3、光学延迟线2、合束镜4、扩束镜A5和聚焦透镜A6组成，起预烧蚀和对等离子体再加热 的作用；光辐射收集部分由收集透镜17、光纤支架16、光纤15、光纤光谱仪13组成，用于接 收LIBS信号。
[0008] 本专利是这样来实现的，其特征如下：
[0009] 计算机14控制固体脉冲激光器A1产生一束水平方向的脉冲激光，经分束镜3分 成两路，第一路脉冲激光沿原方向，直接通过合束镜4、扩束镜A5和聚焦透镜A6把激光能量 聚焦到载物平台7上的样品8表面上方1mm处，脉冲激光击穿表面的空气，改变样品8表面 的环境以及对样品8表面预烧蚀；第二路脉冲激光经分束镜3反射后进入光学延迟线2。 [0010] 计算机14控制固体脉冲激光器B12发出的脉冲激光经反射镜11反射后，依次通 过扩束镜B10和聚焦透镜B9后会聚到样品8表面下方3mm处，灼烧样品8,生成等离子体， 产生LIBS效应。
[0011] 光学延迟线2输出的激光进入合束镜4后，和第一路脉冲激光同用一个光路，通过 扩束镜A5和聚焦透镜A6水平聚焦到样品8表面上方，对已产生的等离子体后续加热。
[0012] LIBS信号经过收集透镜17聚焦在安装在光纤支架16上的光纤15的端面上，由 计算机14控制光纤光谱仪13进行光谱信号采集及分析。
[0013] 本发明的优点在于：该方法实现了将预烧蚀双脉冲LIBS技术和再加热双脉冲 LIBS技术相结合，在降低被测物表面杂质对探测结果影响的同时，提高发射光谱信号强度 和稳定性，从而更有效的提高信噪比和LIBS探测的准确性，降低了物质元素的检测限。
【专利附图】
【附图说明】
[0014] 图1为本专利的原理图，图中：1-固体脉冲激光器A ;2--光学延迟线3--分 束镜；4--合束镜；5--扩束镜A ;6--聚焦透镜A ;7--载物平台；8--样品；9-- 聚焦透镜B ; 10--扩束镜B ;11--反射镜；12--固体脉冲激光器B ; 13--光纤光谱 仪；14--计算机；15--光纤；16--光纤支架；17--收集透镜。
【具体实施方式】
[0015] 本专利的原理如图1所示，结合预烧蚀和再加热技术的三脉冲激光诱导击穿光谱 (LIBS)探测系统包括主发射部分、辅助发射部分和光辐射收集部分。主发射部分由固体脉 冲激光器B12、反射镜11、扩束镜B10和聚焦透镜B9组成，辅助发射部分由固体脉冲激光器 A1、分束镜3、光学延迟线2、合束镜4、扩束镜A5和聚焦透镜A6组成，光辐射收集部分由收 集透镜17、用光纤支架16固定的光纤15、光纤光谱仪13组成，通过计算机14控制固体脉 冲激光器A1和固体脉冲激光器B12发射激光脉冲的时间和光纤光谱仪13的光谱信号采集 分析。
[0016] 先由固体脉冲激光器A1产生一束水平方向的脉冲激光，经分束镜3分成两路，第 一路脉冲激光沿原方向，直接通过合束镜4、扩束镜A5和聚焦透镜A6把激光能量聚焦到载 物平台7上的样品8表面上方1mm处，脉冲激光击穿表面的空气，改变样品8表面的环境以 及对样品8表面预烧蚀，称其为第一个激光脉冲。第二路脉冲激光经分束镜反射后进入光 学延迟线2。
[0017] 固体脉冲激光器B12发出脉冲激光经反射镜11反射后，依次通过扩束镜B10和聚 焦透镜B9后会聚到样品8表面下方3mm处，灼烧样品8产生等离子体，称其为第二个激光 脉冲。
[0018] 光学延迟线2输出的激光进入合束镜4,和第一路脉冲激光同用一个光路，通过扩 束镜A5和聚焦透镜A6水平聚焦到样品8表面上方，对已产生的等离子体后续加热，称其为 第三个激光脉冲。
[0019] 计算机14严格控制固体脉冲激光器A1和固体脉冲激光器B12发出激光脉冲的时 间，使第一个激光脉冲和第二个激光脉冲到达样品8的时间间隔为ns级，选择合适的光学 延迟线使得第二个激光脉冲和第三个激光脉冲的时间间隔也为ns级。对不同探测目标可 通过计算机14和光学延迟线2的选择改变激光脉冲到达样品8的间隔时间以获得最佳探 测精度。
[0020] LIBS信号经过收集透镜17聚焦在安装在光纤支架16上的光纤15的端面上，由 计算机14控制光纤光谱仪13进行光谱信号采集及分析。
【权利要求】
1. 一种结合预烧蚀和再加热的三脉冲LIBS探测系统，它包括主发射部分、辅助发射部 分和光辐射收集部分，主发射部分由固体脉冲激光器B(12)、反射镜（11)、扩束镜B(10)和 聚焦透镜B(9)组成；辅助发射部分由固体脉冲激光器A(l)、分束镜（3)、光学延迟线（2)、 合束镜⑷、扩束镜A(5)和聚焦透镜A(6)组成；光辐射收集部分由收集透镜（17)、用光纤 支架（16)固定的光纤（15)、光纤光谱仪（13)组成，其特征在于： 由固体脉冲激光器A (1)产生一束水平方向的脉冲激光，经分束镜（3)分成两路，第一 路脉冲激光沿原方向，依次通过合束镜（4)、扩束镜A(5)和聚焦透镜A(6)把激光能量聚焦 到样品（8)表面上方1mm处，脉冲激光击穿表面的空气，改变样品（8)表面的环境以及对样 品（8)表面预烧蚀；第二路脉冲激光进入光学延迟线（2); 由固体脉冲激光器B(12)发出的脉冲激光经过反射镜（11)反射后，依次通过扩束镜 B (10)和聚焦透镜B (9)后会聚到样品（8)表面下方3mm处，产生等离子体； 光学延迟线（2)输出的激光进入合束镜（4)、通过扩束镜A(5)和聚焦透镜A(6)水平聚 焦到样品（8)表面上方，对已产生的等离子体后续加热。
【文档编号】G01N21/63GK104142316SQ201410403469
【公开日】2014年11月12日 申请日期:2014年8月15日 优先权日:2014年8月15日
【发明者】万雄, 章婷婷, 刘鹏希, 舒嵘, 王建宇 申请人:中国科学院上海技术物理研究所