一种全反射式同轴LIBS激发收集系统及其收集方法与流程

本发明涉及光学设计技术领域，尤其涉及一种全反射式同轴libs激发收集系统及其收集方法。

背景技术：

激光诱导击穿光谱简称libs技术，是一种利用聚焦脉冲激光激发样品表面产生等离子体，并收集等离子体发光中的原子或离子谱线，进而分析样品中元素含量的光谱分析技术。由于其操作简单，测量快速，可同时测量多种元素，且无需样品制备，易实现远程测量，十分适用于物质成分的原位、在线分析。

目前libs技术已经逐渐应用于工业生产、航空航天、核能技术等多个领域，方法也由定性分析发展到半定量甚至定量分析，构成形式也因应用场景的需求发生了诸多演化。

在某些震动场景下的多元素原位测量，如聚变装置内部材料的测量，需要在有限空间内布置libs系统，系统在震动条件下需要相对稳定的输出信号，且信号收集系统需覆盖较宽的光谱范围。目前libs技术所采用的激发和收集系统多为旁轴分布，即激发光线与收集光线之间有一定的夹角，这样的系统虽然简单，但是系统构造松散，且易造成激发点与收集点的错位，在实际应用中使信号丧失稳定性；采用分光镜配合聚焦镜等透射式光学单元虽然也能够实现同轴采集系统，但是分光镜本身有限的工作范围不仅对激发光源波长具有选择性，还会严重限制信号的有效波段；聚焦透镜产生的色差会造成激发点与收集点的失配，从而降低信号的收集效率。

技术实现要素：

本发明为了解决上述技术问题提供了一种全反射式同轴libs激发收集系统，同轴设置libs的激发和收集光路，提高系统集成度的同时有效保证收集信号的稳定性。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种全反射式同轴libs激发收集系统，包括全反射分束单元、全反射聚焦单元和光纤耦合器；所述全反射分束单元与所述全反射聚焦单元同轴设置且入射的激光通过所述全反射分数单元射入所述全反射聚焦单元；所述光纤耦合器位于所述全反射分束单元的旁路，所述全反向聚焦单元收集到的反向信号光通过所述全反射分光单元聚焦于光纤耦合器的端面。

上述技术方案将全反射聚焦单元与全反射分束单元同轴设置，并通过全反射分束单元入射激光和将全反射聚焦单元收集的反向信号光汇集聚焦到光纤耦合器的端面，实现libs的激发和收集光路同轴，提高系统集成度；同时，libs的激发和收集光路同轴传输，可以保证信号采集点和激发点实时同步，提高信号稳定性。

进一步地，所述全反射分束单元包括轴向中心设置有通孔的离轴抛物镜，入射激光通过离轴抛物镜的通孔入射，使入射的激光通过通孔射入所述全反射聚焦单元；而经过全反射聚焦单元激发、收集到的反向信号光又经由所述离轴抛物镜镜面汇集到所述光纤耦合器端面，实现光纤传输。

上述技术方案中，入射的激光和激发收集的反向信号光均只经过反射传输，形成全反射光路，没有透射、折射设计，可消除因透射、折射造成的反向信号光的色散及吸收，提高反向信号光的收集效率，提高测量准确性。

进一步，入射激光的光束直径与通孔直径一致。

进一步，所述离轴抛物镜的反射镜面镀有紫外-可见-近红外全谱段反射膜，实现反向信号光在紫外-可见-近红外（200~900nm）区域的全谱段反射。

进一步地，所述全反射分束单元可沿垂直光轴方向横向、纵向移动，实现全反射分束单元在横向和纵向上的微调。

进一步，所述全反射聚焦单元包括与所述离轴抛物镜的通孔同轴的主镜和副镜。

进一步，所述主镜为中心穿孔的非球凹面反射镜；所述副镜为非球凸面反射镜；所述主镜的中心穿孔与所述通孔同轴设置；所述全反射分束单元的出射激光通过所述非球凹面反射镜的中心穿孔入射所述全反射聚焦单元。

进一步地，所述非球凸面反射镜的中心穿孔直径大于所述离轴抛物镜的通孔直径。

进一步地，所述非球凹面反射镜可沿光轴方向移动，实现主镜在光轴方向上的微调。

本发明还公开可一种全反射式同轴libs激发收集方法，采用上述任一技术方案中公开的系统形成全反射光路，收集被测物表面因入射激光激发而产生的反向信号光，其全反射光路为：入射的激光经非球凸面反射镜反射至非球凹面反射镜上，然后再经过非球凹面反射镜聚焦在待侧物表面，进而产生反向信号光；产生的反向信号光经非球凹面反射镜反射至非球凸面反射镜上，再进过非球凸面反射镜反射成穿过所述非球凹面反射镜的中心穿孔的平行反向信号光；平行的反向信号光通过离轴抛物镜的镜面反射后汇集到光纤耦合器端面。

本发明的有益效果：（1）本发明公开的一种全反射式同轴libs激发收集系统将全反射聚焦单元与全反射分束单元同轴设置，并通过全反射分束单元入射激光和将全反射聚焦单元收集的反向信号光汇集聚焦到光纤耦合器的端面，实现libs的激发和收集光路同轴，提高系统集成度；同时，libs的激发和收集光路同轴传输，可以保证信号采集点和激发点实时同步，提高信号稳定性。

（2）本发明公开的一种全反射式同轴libs激发收集系统入射的激光和激发收集的反向信号光均只经过反射传输，形成全反射光路，没有透射、折射设计，可消除因透射、折射造成的反向信号光的色散及吸收，提高反向信号光的收集效率，提高测量准确性。

（3）本发明公开的一种全反射式同轴libs激发收集系统在离轴抛物镜表面镀有紫外-可见-近红外全谱段反射膜，实现反向信号光在紫外-可见-近红外（200~900nm）区域的全谱段反射。

附图说明

图1为本发明一种全反射式同轴libs激发收集系统的光路示意图；

图2为本发明一种全反射式同轴libs激发收集系统的结构示意图；

图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、全反射分束单元，11、离轴抛物镜，2、全反射聚焦单元，21、非球凹面反射镜，22、非球凸面反射镜，3、光纤耦合器，4、夹持调节装置，5、滑动装置。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示，本实施例提供的一种全反射式同轴libs激发收集系统，包括全反射分束单元1、全反射聚焦单元2和光纤耦合器3；所述全反射分束单元1与所述全反射聚焦单元2同轴设置且入射的激光通过所述全反射分数单元1射入所述全反射聚焦单元2；所述光纤耦合器3位于所述全反射分束单元1的旁路，所述全反向聚焦单元2收集到的反向信号光通过所述全反射分光单元1聚焦于光纤耦合器3的端面。

需要说明的是：所述全反射分束单元1设置于激光入射方向，用于将经过扩束、整形、准直后入射的激光导入所述全反射聚焦单元2；

所述全反射聚焦单元2同轴设置于所述全放射分束单元1的激光出射方向一侧，用于对激光进行扩束聚焦，并收集激光聚焦到被测物表面产生的反向信号光；

所述光纤耦合器3位于所述全反射分束单元1的旁路，并在光纤耦合器3的聚焦焦点处设置光纤，用于将所述全反射聚焦单元2收集的反向信号光通过光纤传输出去；所述全反向聚焦单元2收集到的反向信号光通过所述全反射分光单元汇聚到光纤耦合器端面的聚焦焦点处。

需要说明的是，本申请文件中所述的反向信号光为被测物体在激光聚焦于其表面是激发产生的等离子体。

在一些实施例中，激光发生器发射的激光经过的扩束、整形、准直等光路采用现有的libs系统常用的扩束、整形、准直系统实现，因此在本申请文件中不再一一详述。

其中，所述全反射分束单元1包括轴向中心设置有通孔的离轴抛物镜11，入射激光通过离轴抛物镜11的通孔入射。所述全反射聚焦单元2包括与所述离轴抛物镜11的通孔同轴的主镜和副镜。所述主镜为中心穿孔的非球凹面反射镜21；所述副镜为非球凸面反射镜22；所述主镜的中心穿孔与所述通孔同轴设置；所述全反射分束单元1的出射激光通过所述非球凹面反射镜21的中心穿孔入射所述全反射聚焦单元2。

在一些实施例中，离轴抛物镜的通孔为2~4.00mm；离轴抛物镜的柱体投影直径为0.8~2.0英寸；非球凹面反射镜的中心穿孔直径为6.00~10.00mm，非球凸面反射镜的直径尺寸大于非球凹面反射镜的尺寸，其具体为10.00~20.00mm。

在一些实施例中，离轴抛物镜的通孔为3.00mm；离轴抛物镜的柱体投影直径为1.00英寸；非球凹面反射镜的中心穿孔直径为8.00mm，非球凸面反射镜的直径尺寸大于非球凹面反射镜的尺寸，其具体为15.00mm。

在一些实施例中，离轴抛物镜的离轴角为90°；离轴抛物镜与光纤聚焦焦点的距离为2.00英寸。

在一些实施例中，光纤耦合器包含光纤转接头。光纤转接头接口将光纤一端固定，接口的规格根据光纤端口的规格设置，可以设定但不限于sm905，9.5mm，12mm等多种光纤接头；光纤耦合器的位置可调，以匹配全反射分束单元传输过来的信号光耦合至光纤端面。

本申请文件中公开的收集系统的光路为：激光从离轴抛物镜11同轴的通孔入射，然后经过非球凹面反射镜21中心穿孔入射到非球凸面反射镜22上，并经非球凸面反射镜22反射至非球凹面反射镜21上，然后再经过非球凹面反射镜21聚焦在待侧物表面，进而产生反向信号光；产生的反向信号光经非球凹面反射镜21反射至非球凸面反射镜22上，再进过非球凸面反射镜22反射成穿过所述非球凹面反射镜21的中心穿孔的平行的反向信号光；平行的反向信号光通过离轴抛物镜11的镜面反射后汇集到光纤耦合器3端面。

上述光路入射的激光采用全反射光路，没有经过折射、投射，避免了被测物体表面激发的反向信号光经过折射、投射造成光信号损失，出现色差，影响检测结果。

需要说明的，入射全反射分束单元1的激光的光束直径略小于通孔直径或者与通孔直径一致；非球凹面反射镜21的中心穿孔与通孔同轴，且中心穿孔的直径大于通孔的直径，使反向信号光通过中心穿孔射入离轴抛物镜11镜面上。

在一些实施例中，所述离轴抛物镜11的反射镜面镀有紫外-可见-近红外全谱段反射膜，实现反向信号光在紫外-可见-近红外（200~900nm）区域的全谱段反射。

在一些实施例中，如图2所示，所述全反射分束单元1可沿垂直光轴方向横向、纵向移动，实现全反射分束单元1在横向和纵向上的微调。全反射分束单元1的移动通过夹持调节装置4实现，其结构具体如下：

夹持调节装置4包括第一支撑板、固定座、横向调节螺杆和纵向调节螺杆；离轴抛物镜11安装在固定座上；第一支撑板竖直设置，固定座滑动安装在第一支撑板上；第一支撑板靠近离轴抛物镜11的一侧设置有至少两个安装板，分别为第一安装板和第二安装板；横向调节螺杆穿过第一安装板铰接固定座，横向调节螺杆与第一安装板螺纹连接；通过转动横行调节螺杆推动固定座在第一支撑板上横向移动；纵向调节螺杆穿过第二安装板与固定座铰接；纵向调节螺杆与第二安装板螺纹连接，通过转动纵向调节螺杆推动固定座在第一支撑板纵向移动。横向调节螺杆和纵向调节螺杆与固定座的铰接均通过嵌入固定座内且可自由转动的t字型端头实现。

在一些实施例中，所述非球凹面反射镜21沿光轴方向移动通过滑动装置5实现，其结构具体如下：

滑动装置5包括滑动板、推杆、第三安装板、分别位于非球凹面反射镜21两侧的第一滑轨和第二滑轨；非球凹面反射镜21安装在滑动板上，滑动板上对应中心穿孔也设置有直径大于中心穿孔的贯穿孔；滑动板两端分别滑动连接第一滑轨和第二滑轨；第三安装板安装在第一滑轨的一端；推杆穿过第三安装板与滑动板连接。

在一些实施例中，推杆一端与滑动板铰接，推杆与第三安装板螺纹连接；推杆与滑动板的铰接也通过嵌入滑动板内且可自由转动的t字型端头实现。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。