一种可调再加热双脉冲激光诱导击穿光谱装置的制作方法

本发明涉及激光光谱技术领域，特别涉及一种可调再加热双脉冲激光诱导击穿光谱装置。

背景技术：
LIBS是Laser-InducedBreakdownSpectroscopy(激光诱导击穿光谱仪)的简称，该技术利用脉冲激光产生的等离子体烧蚀并激发样品(通常为固体)中的物质，并通过光谱仪获取被激发等离子体原子所发射的光谱，以此来识别样品中的元素组成成分，进而可以进行材料的识别、分类、定性以及定量分析。该技术无需对样品进行预处理，能够快速实现远程、微损对样品元素(尤其是金属元素)进行检测，可用于固体、气体、液体样品的检测。激光诱导击穿光谱的应用领域也十分广泛，如生物医学、考古学、环境监测、水中重金属检测和爆炸物探测等。比起单脉冲激光诱导击穿光谱，双脉冲激光诱导击穿光谱能够大大增强信号。如公开号CN102854172A的专利申请提供了一种双脉冲激光诱导击穿光谱仪系统及其光谱分析的方法，所述光谱仪系统包括脉冲激光器、全反射镜、聚焦透镜、样品台、椭圆球面镜、光辐射的光收集系统、光谱仪、计算机、高压脉冲电源；所述脉冲激光器用以产生激光，激光经全反射镜后通过聚焦透镜聚焦作用在位于样品台的样品上；样品经脉冲激光器和高压脉冲电源放电作用后产生的光辐射通过椭圆球面镜反射后再经光收集系统进入光谱仪；所述计算机与脉冲激光器、高压脉冲电源和光谱仪相连，用以负责通信和总调度指挥。再加热是双脉冲激光诱导击穿光谱的一种垂直工作方式，指对第一束激光激发的等离子体用第二束激光进行再次加热达到增强信号的作用。再加热工作方式比较适合于较脆弱样本信号的增强，如植物叶片、动物组织等。然而，再加热LIBS系统调节参数多、难度大，调节复杂，目前国内尚无相关专利。

技术实现要素：
为实现在同一装置上实现激光诱导击穿光谱再加热工作方式，本发明公开了一种可调再加热双脉冲激光诱导击穿光谱装置，克服了该工作方式调节困难的问题，可快速、精确地对工作参数进行调节，提高了检测的可重复性，能够在不同的工作参数下获得最佳信噪比。本发明所采用的具体技术方案如下：一种可调再加热双脉冲激光诱导击穿光谱装置，包括第一激光器、第二激光器、延时发生器和样品台；所述第一激光器的光路上布置有光路爬高系统，该光路爬高系统用于升高第一激光的光路，使得第一激光由样品台正上方聚焦到样品表面，产生等离子体；所述的延时发生器用于控制第一激光器和第二激光器的触发时序；所述第二激光器的光路上布置有倍频发生器，穿过倍频发生器的第二激光用于再加热所述的等离子体；还包括信号采集和处理系统，根据等离子体冷却发出的特征谱线和第一激光击打样品的空间信息，显示元素在样品表面的分布信息。其中，所述的第一激光器和第二激光器的光路上均设有能量衰减器和用于实时检测记录激光能量的激光能量实时监测系统；所述的第一激光经激光能量实时监测系统出射后进入光路爬高系统；所述的第二激光经激光能量实时监测系统出射后聚焦至等离子体。当应用激光诱导击穿光谱进行检测时，待检测样本性质不同，其所需的激光能量也不同。为实现如植物叶片、动物组织等脆弱样本的检测或减小激光对样品的损伤，通常需要对激光的能量进行衰减。然而，通过调节激光器电压对能量进行衰减会导致激光能量不稳定，进而影响检测结果。本发明采用能量衰减器对激光能量进行衰减，其衰减范围为1％～99％。激光能量实时检测系统主要用于实时检测记录激光的能量，用于判断激光器能量的波动是否出现异常，并进行后序数据分析。当后续进行数据分析时，可根据能量变化，对获得的谱线强度进行补偿。其中，所述的信号采集和处理系统包括：光纤收集系统，用于收集等离子体冷却发出的特征谱线；分光系统，用于对特征谱线进行分光；探测器，用于将分光系统的光信号转换为电信号；样本表面成像系统，用于监控第一激光击打样品位置，得到采样点的空间信息；计算机，根据所述的电信号和采样点的空间信息，显示元素在样品表面的分布信息。第一激光器发出脉冲激光，经过光学系统，击打到样本上，当能量密度高于激发的阈值时形成等离子体，第二激光器产生的激光对等离子进行再次加热，等离子体冷却发出不同波长的特征谱线，经由光纤收集系统收集，经过分光系统，由探测器探测，并在计算机上显示处理。优选的，所述的分光系统为中阶梯光栅光谱仪。中阶梯光栅光谱仪是以中阶梯光栅作为色散元件的光谱仪，无需光栅扫描即可一次性得到全谱数据，能避免普通光谱仪多通道首尾段拼接问题。中阶梯光栅光谱仪内部无机械部分，稳定性更高，分辨率能达到0.08nm，能满足谱线分光要求。其中，所述的样本表面成像系统包括：用于从正方向照明样品的照明LED光源，位于照明LED光源光轴上的分束镜，CCD相机和成像镜头，用于采集分束镜反射的样品表面图像信息。优选的，所述的光路爬高系统由第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜组成，所述第二反射镜位于第一反射镜的正上方，第三反射镜位于样品台的正上方；所述的第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜均为Nd：YAG双频激光反射镜。光路爬高系统主要用于抬升光路，并将沿水平方向激光转化为沿垂直方向传播。应用光路爬高系统能有效避免升高激光器位置导致激光不稳定的因素。激光从样品正上方击打样品表面，有利于等离子体的有效激发，保证等离子体均匀对称分布。优选的，所述的延时发生器控制第一激光器和第二激光器调Q触发时间和氙灯开启触发时间，第一激光器和第二激光器调Q信号的触发时间在氙灯信号触发之后150±20μs。该时序的设置能最大程度保证双脉冲固体激光器的能量稳定性。优选的，所述第一激光器和第二激光器的光路上的聚焦用透镜安装在沿光轴滑动配合的透镜安装架上，用于调节样本与透镜的距离，从而控制击打到样品上的激光参数。透镜与样本的距离是激光诱导击穿光谱的重要参数，直接影响激光在待激发对象的激光参数。通常来说，透镜与样本的距离应小于透镜的焦距。当透镜与样本距离减小时，击打点的直径将会增大，辐射度以及积分通量均会减小。因此，将透镜安装在沿光轴滑动配合的透镜安装架能根据样本性质和实际需求精确调节透镜与样本的距离。优选的，所述的样品台包括具有四自由度的电移台、活动安装在电移台上的升降板和滑动配合在电移台上的载物台；所述升降板上设有透明的约束窗口，激光透过约束窗口后击打样品；所述升降板的下方设有约束板，该约束板置于样品的正上方，约束板上分布有约束腔，该约束腔用于约束样品激发的等离子体。样品台通过空间限制增强谱线强度，能对等离子体横向以及纵向进行约束，并根据不同的样本需求调节约束空间大小调节谱线强度，谱线强度增强范围为2-10倍。约束窗口主要用于对等离子体纵向进行约束，并对入射激光与等离子体产生的特征谱线具有较好的透射率。约束板主要用于对等离子体的横向进行约束，并使特征谱线进行约束传播，提高谱线收集效率和谱线强度。优选的，所述的升降板上设有透光口，该透光口处覆盖有透光板，所述透光口与透光板组成所述的约束窗口。其中，透光板为有机玻璃板，选用材料为N-BK7，厚度为1-5mm，为保证激光有效激发和特征谱线的有效收集，透光板对激光波长和特征谱线的透过率应大于90％，同时，为防止激光对有机玻璃板造成损害，其能量阈值应大于10J/cm2。谱线增强效果受到约束窗口离样品距离的影响。由于样品性质和所要检测的元素谱线强度不同，本发明的约束窗口能在垂直方向进行移动，根据需要调节谱线强度。约束板为镀铬的铝板，厚度为1～3mm。在铝板的约束腔内进行镀铬，使内腔具有较高的反射率，使特征谱线约束传播，提高谱线收集效率。本发明具有的有益效果是：(1)实现了双脉冲激光诱导击穿光谱再加热工作模式，为脆弱样本(如生物样本)元素含量检测信号增强提供了条件。(2)实现了对激光能量的实时监测，有利于提高检测技术的重复性。(3)可根据不同的样品，调节透镜与物体的距离以及激光能量，获得最佳的信噪比。(4)具有可调参数多，调节简单、精确、快速。(5)样品台通过空间限制增强谱线强度，能对等离子体横向以及纵向进行约束，提高谱线收集效率和谱线强度，能避免激发颗粒重新覆盖到样品表面，并平整样品表面(特别如新鲜叶片等不平整样品)，使样品到聚焦透镜的距离保持不变从而提高检测重复性。附图说明图1为可调再加热双脉冲激光诱导击穿光谱装置的光路图；图2为样品台的结构图；图3为图2中样品台的俯视图；图4为样品台上样品受击打的示意图。具体实施方式如图1所示，一种可调再加热双脉冲激光诱导击穿光谱装置，包括第一激光器1，第二激光器2，倍频发生器3，延时发生器4，能量衰减器5，激光能量实时监测系统6，光路爬高系统7，探测器8，分光系统9，样品台11，第一聚焦透镜12，第二聚焦透镜10，光纤收集系统13，样本表面成像系统14。第一激光器1发出脉冲激光，经过光学系统，击打到样本上，当能量密度高于激发的阈值时形成等离子体，第二激光器2产生的激光对等离子进行再次加热，等离子体冷却发出不同波长的特征谱线，经由光纤收集系统13收集，经过分光系统9，由探测器8探测，并在计算机15上显示处理。光路爬高系统7由第一反射镜72、第二反射镜71和第三反射镜73组成，第一反射镜72、第二反射镜71和第三反射镜73选用1英寸基频Nd：YAG激光反射镜，1064nm处的反射率在98％以上。光纤收集系统13由光收集器和光纤组成。样本表面成像系统14包括CCD相机144、成像镜头143、第二分束镜142、照明LED光源141。可变能量衰减器5具有多种实现方式，(1)1/2波片和分束镜，(2)通过调节光束取样镜的角度，(3)利用中性密度滤波片对能量进行衰减。样品台11由3个单自由度脉冲电动位移台和电动旋转台组合实现。如图2、图3和图4所示，样品台11包括齿条升降杆901，齿轮滑块902，直角转接板903，等离子体约束窗口904，圆柱导轨905，等离子体约束板906，V型滑块907，组合电移台909，拉杆910，约束腔911。组合电移台909采用四自由度(x,y,z,w)组合电移台，包括三个单自由度(x、y和z)脉冲电动位移台和一个旋转自由度(w)电动旋转台。齿条升降杆901竖直安装在组合电移台909上，齿轮滑块902与齿条升降杆901啮合，可沿垂直方向上下移动。直角转接板903通过螺栓固定于齿轮滑块902上，平面设有矩形的透光口，透光口边缘设有支撑台阶，透光口内设有透光板，形成等离子体约束窗口904。圆柱导轨905固定在组合电移台909，等离子体约束板906可沿圆柱导轨905上下滑动。圆柱导轨905和齿条升降杆901均通过螺栓联接于组合电移台909上。组合电移台909开有V型槽，V型滑块907在拉杆910作用下可沿V型槽左右滑动，拉杆910通过螺纹固定于V型滑块907内。样品908放置V型滑块907(相当于载物台)上，激光从上方向下击打，通过等离子体约束窗口904，并经过等离子体约束板906，击打到样品表面，激发等离子体，冷却发出特征谱线由光纤收集系统13收集。等离子体约束窗口904的材料为N-BK7，厚度为1-5mm，透过率大于90％，能量阈值大于10J/cm2。等离子体约束窗口904主要用于对等离子体纵向进行约束，并对入射激光与等离子体产生的特征谱线具有较好的透射率。N-BK7是一种常见的光学玻璃，能够透过350nm-2000nm波段的光，其激光的透射率大于90％，能量阈值大于10J/cm2。因此等离子体约束窗口904选用材料为N-BK7，厚度为1-5m。等离子体约束窗口904可在齿轮滑块902作用下沿垂直方向进行移动。谱线增强效果受到约束窗口离样品距离的影响。由于样品性质和所要检测的元素谱线强度不同，本发明的等离子体约束窗口904能在垂直方向进行移动，根据需要调节谱线强度。在本实施例中，等离子体约束板906的材料为镀铬的铝板，厚度为1mm，其中间均匀布有圆锥形约束腔911，上锥面直径和下锥面直径分别是2mm和3mm。约束腔911之间距离应与组合电移台909规划位移相一致。等离子体约束板906主要用于对等离子体的横向进行约束，并使特征谱线进行约束传播，提高谱线收集效率和谱线强度，谱线强度增强范围为2-10倍。在铝板的约束腔911内进行镀铬，使内腔具有较高的反射率，使特征谱线约束传播，提高谱线收集效率。约束腔采用圆锥形结构，由于其上小下大的结构，比起圆柱型的结构能更好得对等离子体进行约束。另外，当等离子体从圆锥形约束腔射出时，由于其空间约束加大，其电子密度与运动速度均会得到增强，因此更加有利于谱线信号的增强。本发明的等离子体约束板906的约束腔之间距离与组合电移台909规划位移相一致，能适用于激光诱导击穿光谱面扫描的工作方式。本发明采用等离子体约束板906覆盖样品表面，有利于平整样品表面提高重复性，避免激发颗粒污染其它待测区域。当待测样品为新鲜叶片等表面不平整样品时，其待测区域与透镜距离存在差异，进而影响激光到达样品的激光参数。激光诱导击穿光谱的检测稳定性与待检测区域的激光参数息息相关，因此平整样品表面有利于固定激光参数提高检测的重复性。此外，等离子体约束板906的上小下大圆锥形结构有利于最大程度地避免由上一个检测区域激发颗粒污染，保证所检测对象为待检测区域的元素。V型滑块907在拉杆910作用下可沿V型槽移动，采用此V型滑块导轨结构，避免升高等离子约束窗口和等离子约束板等繁琐操作。等离子体约束板906与圆柱导轨905之间的连接为紧连接，在重力作用下等离子体约束板906不能自由下滑。控制组合电移台909使等离子体约束板906的圆锥型约束腔911与上方激光的位置相对应，设置组合电移台909的工作步长是圆锥形约束腔相邻距离或倍数。第一束激光B经过光路系统，经聚焦透镜从上方向下传播，穿过等离子体约束窗口904，并经过圆锥形约束腔击打样品。等离子体约束窗口904的其激光透过率大于90％，能量阈值大于10J/cm2。第二束激光A沿垂直方向通过聚焦透镜聚焦击打到激发出的等离子体上，增强谱线信号。等离子体冷却发出特征谱线C由上方的光纤收集系统13收集。每个位置可根据实际要求选择所需击打的次数，当完成一个位置之后通过组合电移台909移动进行多个位置光谱采集。当无等离子体约束窗口904和等离子体约束板906时，激发出的等离子体为自由激发状态；当对激发的等离子体进行限制后，等离子体的密度增加，等离子体温度升高，增强了激发原子的谱线强度。分光系统9为中阶梯光栅光谱仪。延时发生器4控制第一激光器1和第二激光器2调Q触发时间、氙灯开启触发时间和ICCD探测器8的门控时间。延时发生器4设置第一激光器1和第二激光器2调Q信号的触发时间在氙灯信号触发之后150±20μs。探测器门控开关开启时间为第二激光器2调Q开关触发之后1μs。激光能量实时监测反馈系统6由热电脉冲探头61、第一分束镜62、USB连接线以及计算机15组成。所要监测的激光通过3：7分束镜分出30％的激光能量，由热电脉冲探头接收，通过USB连接线连接到计算机，在专用软件上实时显示记录激光的能量，用于后序数据分析。第一聚焦透镜12和第二聚焦透镜10安装于沿光轴方向具有自由度的透镜安装架中，用于调节样本与透镜的距离，从而控制击打到样品上的激光参数。第一聚焦透镜12和第二聚焦透镜10选用N-BK7。本发明工作时，控制延时发生器4时序控制第一激光器1和第二激光器2灯信号和调Q信号触发时间以及探测器8门控时间。第一激光器1和第二激光器2调Q信号的触发在氙灯信号触发之后150±20μs，探测器门控开关开启时间为第二激光器2调Q开关触发之后1μs。第一激光(1064nm)经能量衰减器5对激光能量进行衰减，依次经过第一反射镜72和第二反射镜71，提升激光的光路；调节第二反射镜71的反射镜架使激光位于样品上方，经第三反射镜73改变光路，向下传播。激光经由第一聚焦透镜12聚焦到样品表面，当激光能量密度高于激发的阈值时，样品产生等离子体。第二激光经过能量衰减器5衰减，通过倍频发生器3，激光频率变为532nm。调节样品台11高度使第二激光(532nm)出光口高于等离子体约束板906表面1±0.5mm。样品台11可根据样品特性是否选用旋转自由度。第二激光(532nm)经过第二聚焦透镜10聚焦，聚焦到激发出来的等离子体上，增强谱线信号。谱线通过光纤收集系统13收集，经由分光系统9(中阶梯光栅光谱仪)分光，由探测器8转化为电信号，通过USB连接到计算机15中，在计算机15进行数据统计与分析，确定样品中某种物质的含量。