一种高效的多路激光探针分析系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种高效的多路激光探针分析系统。该分析系统可将激光光源分成多路通过光纤分别传送至多个待测点，激发产生激光等离子体后，将相应的光谱信号传回检测系统，最终实现一台激光探针仪的多点同时在线检测，使用光纤传输激光和光谱信号，不仅可以提高恶劣环境中激光探针的抗干扰能力，而且还可以大幅降低激光探针仪的应用成本。该实用新型特别适用于包含多条生产线的大型工业过程，具备对生产线上的产品的多种元素同时进行在线监测的能力，可以大幅降低激光探针仪器的应用成本，将有助于激光探针技术的推广和普及。
【专利说明】
一种高效的多路激光探针分析系统
技术领域
[0001]本实用新型涉及光谱分析和在线成分检测领域，具体涉及一种多路激光探针分析系统，该实用新型特别适用于矿山、大型工业过程的多点同时在线检测，可以显著降低成本，提高检测效率，具有广泛的应用前景和市场。
【背景技术】
[0002]近些年，一种新型的物质成分探测技术一一激光探针技术，也称激光诱导击穿光谱(Laser-1nduced Breakdown Spectroscopy，LIBS)技术引起了科研人员的极大兴趣。与传统的化学分析方法相比，激光探针技术不仅具有多元素同时检测，检测速度快，可用于实时在线检测，样品损伤小及预处理简单等优点，而且可以对气体、液体、固体和气溶胶几乎所有状态的样品进行检测。正因如此，目前激光探针技术被广泛运用于材料分析、生物医疗、环境监测、食品安全、农林业和深空探测等领域，并且其应用范围还在不断扩大。此外，激光探针检测方法特别适用于一些特殊和恶劣的场合，比如高温，强辐射，剧毒和易爆等环境。
[0003]在一些重要和特殊的领域里，激光探针技术展现出巨大的优势和良好的应用前景。例如采矿工业，以铁矿石的开采和加工过程为例，首先需要从矿井开采出具有较高品位的铁矿石，该过程中需要对粗铁矿中的铁元素含量进行实时在线监测来指导矿井的开采方向，进而节省人力和物力，提高开采的效率，并在一定程度上降低环境污染。然后通过采矿车将挖掘的粗铁矿运出矿井，对矿石进行破碎和筛选，以获得合适而均匀的粒度，该过程也需要对破碎和筛选后的矿石中铁元素含量进行测定。最后，还需对贫铁矿进行细磨和精选，采用研磨机器对矿石进行细磨需要反复多次，经过精选后需要对成分进行再次准确测量。从上述过程可以看出，铁矿石从粗铁矿到精铁矿的多道加工工序都需要对矿石中铁元素含量进行快速准确检测。采用常规的化学分析方法和光谱分析方法，不仅取样过程复杂耗时，检测速度慢，无法实现多元素同时检测，且只能对工业过程进行离线检测，而无法达到实时在线监测的要求。对采矿工业而言，节能和高效的生产是优先考虑的方向，如果无法在这两个方面取得突破，将不利于采矿工业长足发展。目前，激光探针技术已经可以初步满足采矿工业的成分在线检测要求，但是目前单台激光探针分析设备只能实现单点检测，经实地调研发现，铁矿石的开采和加工过程约包含20?30个点需要对矿石中的铁元素进行测定。因此，要实现多点、多对象的同时在线检测，需要购置20?30台激光探针检测设备分别对各个对象进行检测，这样便会成倍增加成本，导致企业利润大幅降低。此外，工矿现场环境恶劣，信号干扰强，对检测设备提出了更高的要求。
【实用新型内容】
[0004]本实用新型的目的是为大型工业过程提供一种低成本、高效的多点同时在线检测的激光探针检测系统，解决多点在线检测成本高，检测速度慢和抗干扰差的问题，提高激光探针技术的检测效率和精度。
[0005]本实用新型提供的一种多路激光探针检测系统，该系统包括脉冲激光器、光栅光谱仪、ICCD探测器、数字延迟脉冲发生器和计算机，其特征在于，该系统还包括分光耦合装置A、光信号合路装置和多台探测装置B;
[0006]所述脉冲激光器通过传导光纤与分光耦合装置A的输入端相连，分光耦合装置A的输出端通过多路传导光纤将脉冲激光信号分别传输到各探测装置B中，分光耦合装置A用于将脉冲激光器发出的脉冲信号按时序或者能量分路耦合到多芯光纤，以实现一束激光对多个待测点的激发；
[0007]各探测装置B均包括扫描振镜系统D、第二会聚透镜和光纤耦合器;所述的扫描振镜系统D用于对激光束进行聚焦对检测点进行面扫描，使各检测点表面形成等离子体;第二会聚透镜用于从激光束侧向采集所述等离子体发射的光信号，采集到的光信号被光纤耦合器耦合后通过传导光纤传输至光信号合路装置C;
[0008]光信号合路装置C用于将多路光信号合并为一路光信号，合路后的等离子体光信号按照传输的时序分别被传导光纤传送至光栅光谱仪，光栅光谱仪按照时序对等离子体光信号分光后传输至IC⑶探测器；
[0009]ICCD探测器依次对分光后的信号进行检测，经过光电转换后，各个检测点光谱信息由计算机输出；
[0010]所述的数字延迟脉冲发生器连接脉冲激光器的Q-SWitch信号输出端和ICXD探测器的触发信号输入端，用于控制激光脉冲信号与ICCD探测的延迟时间；
[0011]所述计算机用于控制脉冲激光器发出脉冲激光信号与ICCD开始采集信号的时间间隔，并接收来自ICCD探测器的光谱数据，其内置的光谱分析软件是多窗口界面，每个窗口对应显示一处探测点的等离子体光谱信号，用于对光谱数据进行分析和处理。
[0012]作为上述技术方案的改进，所述扫描振镜系统D包括变焦装置，第一会聚透镜，X轴振镜和Y轴振镜;变焦装置用于控制激光束的聚焦位置，脉冲激光首先进入变焦装置，在变焦装置的控制下激光束的焦距发生变化，并进入第二会聚透镜，第二会聚透镜用于聚焦激光光束来提高激光束的功率密度，对被测对象进行有效激发，X轴振镜和Y轴振镜的旋转轴分别沿竖直方向和水平方向，其作用是控制由第二会聚透镜射出的激光束的方向以实现对检测点的面扫描。
[0013]本实用新型提供的激光探针分析系统与常规的检测仪器相比，不仅可以实时在线，快速，准确对物质成分和质量进行监测，而且还可以对多点实现同时检测，极大地降低了成本，提高了激光探针分析仪的检测效率。具体来说，本实用新型具有以下技术特点:
[0014](I)常规的激光探针分析设备只能实现单点检测，要对多点或多对象实现同时在线检测则需在每个检测点分别安置一台激光探针分析仪，通过多台激光探针分析仪联用才能达到检测要求。本实用新型最突出的技术特点是利用一套激光探针检测设备实现了多点的同时在线检测，多路光信号在光信号合并系统的作用下合并为一路，以便利用一台光栅光谱仪和一台ICCD探测器对多路等离子体光谱信号进行探测。提高了激光探针的检测效率，大幅降低了多点在线检测的激光探针分析仪的成本。
[0015](2)工矿企业环境复杂而恶劣，对激光探针检测设备的使用寿命危害大，干扰强，本实用新型采用一分多路的光纤进行激光的传导和等离子信号的采集，不仅可以有效避免恶劣环境的信号干扰，还可以降低恶劣环境对激光探针设备的损害。此外，还采用光开关技术将一台脉冲激光器发出的脉冲信号按规定的时序耦合到多路通道，或者采用分束器将一台脉冲激光器发出的脉冲按能量平均传送至多路通道，实现对多个探测点的被测对象的激发。
[0016](3)常规的激光探针分析仪只配备了一套等离子体发生装置和等离子体信号收集装置，无法根据探测对象的数目进行灵活配置。本实用新型所述的激光探针分析系统可以根据探测点的个数进行配置。主要包括光开关的时间，传导光纤的路数，采集信号装置的数目和光信号合并系统的通道数目，以满足不同应用场合的要求。
[0017](4)本实用新型还采用扫描振镜对被测对象表面进行扫面激发，实现对不同位置的被测对象成分的实时在线分析。
【附图说明】
[0018]图1为本实用新型所述的多路激光探针检测系统的结构示意图。
[0019]图2A为一种分光耦合装置中多芯光缆的结构示意图，图2B为一种分光耦合装置的结构示意图。图3是一种MEMS控制的光开关分光耦合装置结构示意图。
[0020]图4为探测装置的结构示意图。
[0021 ]图5为光信号合路装置的结构示意图。
[0022]其中，I为脉冲激光器，2、3、4、17和27为分别为第一至第五传导光纤，5为光栅光谱仪，6为增强型电耦合器件(S卩ICCD探测器)，7数字延迟脉冲发生器，8为计算机，A为光信号分光耦合装置，B为探测装置，C为光信号合路装置，9为激光输出端口，10为激光接收端口，11为光纤保护套，12为旋转轴，13为球面反射镜，14为脉冲激光，15为反射镜组，16和26为第一、第二光纤親合器，D为扫描振镜系统，18为激光束，19为变焦装置，20和25分别为第一、第二会聚透镜，21为X轴振镜，22为Y轴振镜，23为铁矿石，24为传送装置，28为光信号输入通道，29光信号输出通道。
【具体实施方式】
[0023]针对常规激光探针多路检测的缺点，本实用新型提出了一种高效的多路激光探针检测系统。该检测系统可将激光光源分成多路通过光纤分别传送至多个待测点，激发产生激光等离子体后，将相应的光谱信号传回检测系统，最终实现一台激光探针仪的多点同时在线检测，使用光纤传输激光和光谱信号，不仅可以提高恶劣环境中激光探针的抗干扰能力，而且还可以大幅降低激光探针仪的应用成本。该实用新型特别适用于包含多条生产线的大型工业过程，具备对生产线上的产品的多种元素同时进行在线监测的能力，可以大幅降低激光探针仪器的应用成本，将有助于激光探针技术的推广和普及。
[0024]下面结合附图对本实用新型的【具体实施方式】作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本实用新型，但并不构成对本实用新型的限定。此夕卜，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0025]针对常规激光探针无法实现多点同时在线检测的问题，本实用新型设计了一种多路激光探针检测系统。如图1所示，该检测系统包括脉冲激光器I，传导光纤2、3和4，分光耦合装置A，探测装置B，光信号合路装置C，光栅光谱仪5，ICCD探测器6，数字延迟脉冲发生器7，以及计算机8。
[0026]所述的脉冲激光器I 一般为纳秒级激光器，也可以采用皮秒级或飞秒级激光器。激光输出波长从紫外到近红外范围，例如1064、532、355或266nm。根据不同的检测对象，激光单脉冲能量可在O?SOOmJ范围进行灵活调节，激光器输出端口与传导光纤2—端相连，传导光纤2的另一端连接分光耦合装置A。
[0027]所述的分光耦合装置A是常规的光开关或微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)控制的多路光开关，或者分束器，其作用是将一台脉冲激光器I发出的脉冲信号按时序或者能量分路耦合到多芯光纤，实现一束激光对多个待测点的激发，分光耦合装置A的信号输入端与连接激光器的传导光纤2的一端相连，输出端与多路传导光纤3连接，传导光纤3分别将脉冲激光信号传输到探测装置B。
[0028]所述的全部传导光纤的工作波段为200nm?llOOnm，且能够承受脉冲激光的作用长期稳定工作。
[0029]图2A、2B所示是分光耦合装置A的一种实例，它包括激光输出端口9，激光接收端口10，光纤保护套11和球面反射镜13，其中激光的输入信号和接收信号采用一根带光纤保护套11的多芯光缆传输，球面反射镜13是内表面镀膜的反射镜，球心朝向激光输出端口 9和激光接收端口 10。光开关工作时，通过绕旋转轴12匀速转动球面反射镜13将从激光输出端口 9输出的激光束按照预定时序耦合到激光接收端口 10，旋转轴12与球面反射镜13牢固连接在一起，并且旋转轴12所在直线经过球面对反射镜13的球心，旋转轴12由精密电机控制按照设定转速匀速旋转。激光接收端口 10分别接受到一个激光脉冲信号，从而确保每个激光脉冲进入不同的激光接收端口 10，随后第四传导光纤17将激光脉冲信号传送至对应的探测点。
[0030]对于探测点数目较多(如多于10)的情况，则需要使用MEMS控制的多路光开关，其结构如图3所示，它包括与MEMS控制反射镜组15和光信号传输通道，MEMS控制反射镜组15中反射镜的数量与检测点数目相等，每个光信号传输通道对应一个反射镜，通过MEMS控制反射镜组15的不同升降组合来将脉冲激光按照要求时序分别耦合到不同的激光信号传输通，实现对全部探测点依次激发。
[0031]所述的光信号传输通道由第一光纤耦合器16和第四传导光纤17组成，激光脉冲信号14在反射镜组15的作用下进入光纤耦合器，并被第一光纤耦合器16耦合到第四传导光纤17中进行传输，第四传导光纤17将激光脉冲信号14传递至探测装置B。
[0032]探测装置B分别安装在各个检测点，用于对各检测点的被测物23进行激发，并通过第二会聚透镜25和第二光纤耦合器26组成光信号采集装置收集等离子体的光谱信号。
[0033]如图4所示，每个探测装置B均包括扫描振镜系统D、第二会聚透镜25和第二光纤耦合器26。所述的扫描振镜系统D是根据脉冲激光器I的输出波长而设计制造的，它对该波长激光束具有很高的反射率，扫描振镜系统D包含变焦装置19，第一会聚透镜20，X轴振镜21和Y轴振镜22。变焦装置19用于控制激光束的聚焦位置，脉冲激光首先进入变焦装置19，在变焦装置19的控制下激光束的焦距发生变化，并进入第一会聚透镜20，第一会聚透镜20用于聚焦激光光束来提高激光束的功率密度，对被测对象进行有效激发，会聚透镜20和25对200nm?IlOOnm波段的光信号具有很高的透射率。X轴振镜21和Y轴振镜22的旋转轴分别沿竖直方向和水平方向，其作用是控制由第一会聚透镜20射出的激光束的方向来实现对检测点的面扫描。
[0034]第二会聚透镜25用于从激光束侧向采集被测对象表面不同位置形成等离子体发射的光信号，采集到的光信号被第二光纤耦合器26耦合到传导光纤27并被传输至光信号合路装置C。
[0035]光信号合路装置C用于将多路光信号被合并为一路光信号并由一路传导光纤4传输到一台光栅光谱仪5，其目的是充分利用一台光栅光谱仪5对多路等离子体光谱信号进行探测，所得到的探测信号被传送至IC⑶探测器6。
[0036]ICXD探测器6的增益可在O?4095范围调节，并且其门宽时间可以在1ns?10ms之间选择，通过设置ICCD探测器6的增益大小和门宽时间来获得最佳光谱数据，并提供给计算机8。
[0037]所述的数字延迟脉冲发生器7连接脉冲激光器I的Q-switch信号输出端和ICXD探测器6的触发信号输入端，用于控制激光脉冲信号与ICCD探测的延迟时间，可以通过调控其延迟时间来避开轫致辐射等带来的连续光谱噪声干扰。
[0038]计算机8分别与脉冲激光器I和ICCD探测器6连接，它控制脉冲激光器I发出脉冲激光信号与ICCD开始采集信号的时间间隔，并接收来自ICCD探测器6的光谱数据，其内置的光谱分析软件是多窗口界面，每个窗口对应显示一处探测点的等离子体光谱信号，并且可以对光谱数据进行分析和处理。
[0039]本实用新型提供的一种高效的激光探针检测系统为多点在线检测的操作过程为:
(I)一台脉冲激光器I发出的激光脉冲在可控的分光装置和耦合器件的作用下，按照预定时序分别进入到多条不同的光信号传输通道，实现对一台脉冲激光脉冲信号的分路，提高脉冲激光器I的利用率。随后，传导光纤3将每路激光脉冲信号分别传输到对应的检测点，实现由一台脉冲激光器I发出的激光脉冲对多处检测对象的激发。
[0040](2)脉冲激光到达检测点后，激光束在扫描振镜系统D的控制下作用于被测对象表面，并且由扫描振镜系统D控制激光束18对被测对象表面进行主动扫描激发，为了保持振镜在扫描过程中焦点始终处于被测对象表面同一位置，采用变焦装置19调节激光束的聚焦位置，在被测对象表面不同位置形成等离子体，通过振镜扫描激发来确定被测对象表面元素分布，从而获得被测对象更加全面和详细的成分信息。
[0041](3)由会聚透镜25和第二光纤耦合器26组成的光信号收集装置从激光束侧向对等离子体发射的光信号进行采集，采集到的光信号被第二光纤耦合器26耦合到传导光纤27并被传输至光信号合路装置C，在光信号合路装置C的作用下，多路光信号被合并为一路光信号并由一路传导光纤4传输到信号探测装置，其目的是充分利用一台光谱仪和一台ICCD探测器对多路等离子体光谱信号进行探测。
[0042](4)合路后的等离子体光信号按照传输的时序分别被传导光纤传送至光栅光谱仪5，光栅按照时序对等离子体光信号分光后传输至ICCD探测器6，然后由ICCD探测器6依次对分光后的信号进行检测，检测过程中，根据采集的激光等离子体光谱信号的优劣对脉冲激光能的大小，数字延迟脉冲发生器7的延迟时间和光学参数进行调整，获得最佳的实验参数。
[0043](5)各个检测点光谱信息由计算机8和配套光谱分析软件输出，不同检测点的检测结果同时显示在光谱分析软件中，实现对待测物质的在线定性和定量元素分析。
[0044]实例:
[0045]以图1所示结构的激光探针系统进行铁矿石的开采和加工过程中矿石成分在线检测为例来说明本实用新型。经实地调研发现，铁矿石的开采和加工过程约包含20?30个点需要对矿石中的铁元素进行测定。
[0046]本实施例采用1064nm波长的Nd:YAG脉冲激光作为烧蚀矿石的光源，激光器的单脉冲能量在O?800mJ范围可调，脉宽约为10ns，脉冲的重复频率为20Hz。本实施例中所使用的光栅光谱仪5的波长分析范围覆盖200nm至980nm，且配备三块不同分辨率的光栅，它们的光栅刻线数分别为3001 ines/mm，1800 lines/mm和24001 ines/mm。与光栅光谱仪5配套使用的ICXD探测器6的门宽大小可以在1ns?10ms范围内调节。脉冲激光经传导光纤2到达分光耦合装置A，分光耦合装置A的作用是将脉冲激光信号14按照预设的时序耦合到不同的传导端口，从而实现单台激光器对多条生产线的铁矿石23充分烧蚀和激发。
[0047]为了利用一台脉冲激光器发出的脉冲激光信号分别对多个探测点进行激发，采用如图2(或图3)所示的分光耦合装置对脉冲激光信号进行分光和耦合。以5个探测点分析检测过程来说明分光耦合系统的作用和使用方法，此时采用常规的光开关(图2A、2B)，将光开关Al的转速设置为4转/秒，激光脉冲的重复频率为20Hz，那么球面反射镜11每转动一周，激光信号接收端口 10分别接受到一个激光脉冲信号，从而确保每个激光脉冲进入不同的传输端口 10，随后传导光纤3将激光脉冲信号传送至对应的探测点，所使用的传导光纤3是专门针对高能脉冲信号的传能光纤，不仅可以传输高能量激光脉冲，而且可以避免外界环境强烈干扰。利用该激光探针分析系统对矿石成分进行在线监测时，需根据生产线的数目在每个检测点安装一套如图4所示探测装置B。激光束18保持水平方向进入扫描振镜装置D，随后在X轴振镜21和Y轴振镜22的协同控制作用下向下照射于铁矿石23表面，其中X轴振镜21的旋转轴保持竖直方向，Y轴振镜22的旋转轴保持水平方向，并且在自动控制系统的控制下对铁矿石23表面来回扫描激发。为了确保扫描激发过程中激光束18—直聚焦于铁矿石23表面，利用变焦装置19和第一会聚透镜20对激光束18进行调节，不断改变光学系统的焦距。铁矿石23被激发后产生等离子体，等离子体的光信号随后被第二会聚透镜25和第二光纤耦合器26组成的光信号收集装置收集并耦合至传导光纤27，检测过程中为了配合振镜系统D的扫描激发，有效地采集等离子体的光信号，采用旁轴方式从侧面对等离子体信号进行收集。另外，采用传送装置24匀速传送铁矿石23来确保激光脉冲作用在不同位置，以便获得更加稳定的等离子体光谱信号。
[0048]利用本实用新型设计的激光探针分析系统对铁矿石开采和加工过程中的成分分析流程如下:
[0049](I)检测前的准备。检查每个检测点安装的等离子体信号探测装置B是否正常，光学系统是否正常，保证激光脉冲准确聚焦于被铁矿石23表面。
[0050](2)开启激光探针分析仪。依次开启光栅光谱仪5，ICCD探测器6，数字延迟脉冲发生器7，计算机8，光谱分析软件，脉冲激光器I和扫描振镜D，给激光探针分析仪预留5分钟左右的预热时间。
[0051](3)设置激光探针分析仪及附件的参数。改变脉冲激光器I的Q延迟时间来调节激光脉冲能量，针对不同的元素选择光栅光谱仪5的分光光栅，对ICCD探测器6的增益和门宽时间进行设置。此外，还需要根据系统配置对数字延迟脉冲发生器7的延迟时间，扫描振镜D的扫描速度和传送装置24的传输速度进行设置，保证扫描振镜扫描的均匀性。
[0052](4)采集光谱。激光束18在扫描振镜D的控制下向下照射于铁矿石23表面，并且对铁矿石23进行来回扫描激发，伴随生成了等离子体。光信号收集装置从侧边采集等离子体的光信号并被第二光纤耦合器26耦合至传导光纤27，随后传导光纤27将光信号传输到光栅光谱仪5中，ICCD探测器6将采集到的光信号转换为电信号，最后通过数据线将电信号传输至计算机8并由光谱分析软件显示光谱信息。
[0053](5)优化仪器参数。使用光谱分析软件对光谱信号强度号与背景比值(简称信背比)进行分析，根据信背比的大小对激光脉冲能量，ICCD探测门宽和数字延迟脉冲发生器7的延迟时间进行优化，确定最佳的仪器参数，然后在最佳的参数下对铁矿石23的成分进行检测和分析。
[0054](6)定性和定量分析。利用具有不同元素浓度的铁矿石标准样品来建立标准曲，并将标准曲线保存在光谱分析软件中。然后根据定标曲线对矿石23的主成分和微量元素元素开展定性和定量分析。
[0055](7)指导铁矿石的加工过程。将铁矿石的成分信息反馈到各个工序的负责部门，让各个部门根据产品的要求改进加工工艺。根据铁矿石中铁元素含量来调整矿井的开采方向，根据微量元素和铁元素含量对破碎，筛选，细磨和精选等过程进行微调，以便获得高品位的铁矿粉。
[0056](8)关闭激光探针分析系统。完成铁矿石成分的在线检测分析后，依次关闭传送装置24，脉冲激光器I，光开关分光系统A，扫描振镜D，光栅光谱仪5，ICCD探测器6，数字延迟脉冲发生器7，光谱分析软件和计算机8。将仪器各个部分归位，恢复各仪器的默认参数。
[0057]以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型的结构作任何形式上的限制。凡是依据本实用新型的技术实质上对以上实施例所作的任何简单修饰、等同变化和修饰，均属于本实用新型的技术方案范围。
【主权项】
1.一种高效的多路激光探针分析系统，该系统包括脉冲激光器(I)、光栅光谱仪(5)、ICCD探测器(6)、数字延迟脉冲发生器(7)和计算机(8)，其特征在于，该系统还包括分光耦合装置A、光信号合路装置C和多台探测装置B; 所述脉冲激光器(I)通过传导光纤与分光耦合装置A的输入端相连，分光耦合装置A的输出端通过多路传导光纤将脉冲激光信号分别传输到各探测装置B中，分光耦合装置A用于将脉冲激光器(I)发出的脉冲信号按时序或者能量分路耦合到多芯光纤，以实现一束激光对多个待测点的激发； 各探测装置B均包括扫描振镜系统D、第二会聚透镜(25)和第二光纤耦合器(26);所述的扫描振镜系统D用于对激光束进行聚焦对检测点进行面扫描，使各检测点表面形成等离子体;第二会聚透镜(25)用于从激光束侧向采集所述等离子体发射的光信号，采集到的光信号被第二光纤耦合器(26)耦合后通过传导光纤传输至光信号合路装置C; 光信号合路装置C用于将多路光信号合并为一路光信号，合路后的等离子体光信号按照传输的时序分别被传导光纤传送至光栅光谱仪(5)，光栅光谱仪(5)按照时序对等离子体光信号分光后传输至IC⑶探测器(6)； ICCD探测器(6)依次对分光后的信号进行检测，经过光电转换后，各个检测点光谱信息由计算机(8)； 所述的数字延迟脉冲发生器(7)连接脉冲激光器(I)的Q-switch信号输出端和ICXD探测器(6)的触发信号输入端，用于控制激光脉冲信号与ICCD探测的延迟时间； 所述计算机(8)用于控制脉冲激光器(I)发出脉冲激光信号与ICCD开始采集信号的时间间隔，并接收来自ICCD探测器(6)的光谱数据。2.根据权利要求1所述的多路激光探针分析系统，其特征在于，所述扫描振镜系统D包括变焦装置(19)，第一会聚透镜(20)，X轴振镜(21)和Y轴振镜(22);变焦装置(19)用于控制激光束的聚焦位置，脉冲激光首先进入变焦装置(19)，在变焦装置(19)的控制下激光束的焦距发生变化，并进入第一会聚透镜(20)，第一会聚透镜(20)用于聚焦激光光束来提高激光束的功率密度，对被测对象进行有效激发，X轴振镜(21)和Y轴振镜(22)的旋转轴分别沿竖直方向和水平方向，其作用是控制由第一会聚透镜(20)射出的激光束的方向以实现对检测点的面扫描。3.根据权利要求1或2所述的多路激光探针分析系统，其特征在于，所述分光耦合装置A为由光开关或微机电系统控制的多路光开关，或者分束器。4.根据权利要求1或2所述的多路激光探针分析系统，其特征在于，所述分光耦合装置A包括激光输出端口(9)、激光接收端口(10)和球面反射镜(13)，球面反射镜(13)为内表面镀膜的反射镜，球心朝向激光输出端口(9)和激光接收端口(10);光开关工作时，通过绕旋转轴(12)匀速转动球面反射镜(13)将从激光输出端口( 9)输出的激光束按照预定时序耦合到激光接收端口(10)，旋转轴(12)与球面反射镜(13)固定连接，并且旋转轴(12)所在直线经过球面对反射镜(13)的球心;激光接收端口(10)分别接受到一个激光脉冲信号，从而确保每个激光脉冲进入不同的激光接收端口(10)，随后传导光纤将激光脉冲信号传送至对应的探测点。5.根据权利要求1或2所述的多路激光探针分析系统，其特征在于，所述分光耦合装置A包括由MEMS控制反射镜组(15)，多个由第一光纤耦合器(16)和第四传导光纤(17)组成的光信号传输通道，MEMS控制反射镜组(15)中反射镜的数量与检测点数目相等，每个光信号传输通道对应一个反射镜，通过MEMS控制反射镜组(15)的不同升降组合来将脉冲激光按照要求时序分别通过不同的第一光纤耦合器(16)耦合到第四传导光纤(17)中进行传输，实现对全部探测点依次激发。6.根据权利要求1或2所述的多路激光探针分析系统，其特征在于，所述ICCD探测器(6)的增益在O?4095范围调节，并且其门宽时间在1ns?10ms之间选择，通过设置ICXD探测器(6)的增益大小和门宽时间以获得最佳光谱数据。7.根据权利要求1或2所述的多路激光探针分析系统，其特征在于，所述的传导光纤的工作波段为200nm?llOOnm，且能够承受脉冲激光的作用长期稳定工作。
【文档编号】G01N21/71GK205607863SQ201620088372
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年1月29日
【发明人】郭连波, 刘红弟, 曾晓雁, 李祥友, 陆永枫, 李嘉铭, 朱志豪, 唐云
【申请人】华中科技大学