基于光纤激光器的便携式激光探针成分分析仪的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于光纤激光器的便携式LIBS分析仪，包括激光探测头和主机系统两部分，其中，探测头包括激光输出头、光阑、反射镜、二向色镜、透镜、第一微型位移台、第二微型位移台和光收集器；主机系统包括光谱仪、微控制器、便携式PC机和光纤激光器主机。本发明采用光纤激光器作为激光光源，并提供一种新的光谱采集方式，提高了探测灵敏度和降低了检测极限。当本发明增设偏振器时，还可以抑制等离子体光谱中的连续背景的干扰，进一步提高探测灵敏度。本发明体积小、重量轻，携带方便，操作简单，分析迅速，可用于野外环境或工业现场实时检测，不需要真空环境，无需对样品进行预处理；对所分析样品的尺寸大小和导电性无限制，分析效率高。
【专利说明】基于光纤激光器的便携式激光探针成分分析仪
【技术领域】
[0001]本发明属于激光精密检测【技术领域】，具体为一种基于光纤激光器的便携式激光探针成分分析仪(简称便携式LIBS激光探针仪)，主要用于物质元素成分的定性与定量分析。
【背景技术】
[0002]激光诱导击穿光谱(LaserInduced Breakdown Spectroscopy,简称 LIBS)是一种新型的物质成分分析技术，它是将脉冲激光束聚焦到样品表面烧蚀形成等离子体而发射出光谱，通过采集等离子体光谱来分析其元素的成分及其含量。与传统的分析仪器相比，LIBS技术有着显著的技术优势，例如无需样品制备，分析迅速，可同时检测多种元素、探测极限低、成本低等优点，可用于检测固体、液体和气体物质等。
[0003]然而，现有的LIBS系统还存在一些不足之处:
[0004]首先，传统的LIBS系统大多采用Nd =YAG固体激光器在光学平台上搭建复杂的光路系统，设备体积庞大，对设备放置的环境要求高，如需要专门的光学平台等(例如，华南理工大学，李润华等，光电双脉冲激光诱导击穿光谱仪及光谱分析方法，[P]，中国，200910041442,20100106 ;清华大学，马晓红等，检测时间及位置可控的激光诱导击穿光谱检测装置，[P]，中国，201010569401，20110720)。有些激光器需要恒温、干燥环境等，因此无法将庞大的仪器搬到野外恶劣环境或工业现场进行检测和分析；同时，由于Nd =YAG激光器能量的波动一般比较大，造成测量结果误差比较大，影响了 LIBS系统的探测精度和稳定性。
[0005]其次，目前的有些LIBS系统为了增强等离子体光谱强度，往往采用一些辅助措施，例如充保护气、抽成真空，电火花或微波加热等等，这些辅助装置的加入，往往需要做一个专门的样品室，样品室的大小使得目标样品的尺寸受到很大限制，特别是无法完成大尺寸试样的成分分析，也无法在工业现场进行实时监测。
【发明内容】
[0006]为了克服现有LIBS技术存在的一些缺陷和为了适应野外作业及工业现场实时检测的需要，本发明提供了一种基于光纤激光器的便携式LIBS分析仪，该便携式LIBS分析仪体积小、重量轻，携带方便，操作简单，分析迅速，可用于野外环境或工业现场实时检测，不需要真空环境，无需对样品进行预处理；对所分析样品的尺寸大小和导电性无限制，分析效率高。
[0007]本发明提供的一种便携式激光探针成分分析仪，其特征在于，它包括激光探测头和主机系统两部分，其中，探测头包括激光输出头、光阑、反射镜、二向色镜、透镜、第一微型位移台、第二微型位移台和光收集器；主机系统包括光谱仪、微控制器、便携式PC机和光纤激光器主机；
[0008]第一微型位移台、第二微型位移台均安装在激光探测头的壳体内，透镜安装在第一微型位移台上，光收集器安装在第二微型位移台上；激光输出头、光阑和反射镜均位于同一光路上，且反射镜与激光输出头的光轴成45度夹角；二向色镜安装在反射镜的反射光路上，且主平面与反射镜的主平面平行；光收集器、二相色镜、透镜和探测头的出光口依次在另一光路上，且与激光输出头、光阑和反射镜所在的光路平行；光收集器与光谱仪通过光纤相连；
[0009]所述第一微型位移台和第二微型位移台均与微控制器电信号连接，微控制器与便携式PC机电信号连接，使得在便携式PC机上能够实现控制第一微型位移台和第二微型位移台的运动；便携式PC机分别与光谱仪和光纤激光器控制卡电信号信号，用于控制光谱仪和激光器的工作,并使光谱仪同步采集的数据传送到便携式PC机。
[0010]本发明提供的另一种便携式激光探针成分分析仪，其特征在于，它包括激光探测头和主机系统两部分，其中，激光探测头包括激光输出头、光阑、透镜、光收集器和第一至第三微型位移台，主机系统包括光谱仪、微控制器、便携式PC机和和光纤激光器主机；
[0011]第一微型位移台和第三微型位移台安装在激光探测头的壳体内，透镜安装在第一微型位移台上；激光输出头、光阑、透镜和探测头的出光口位于同一光路上，激光输出头安装在第三微型位移台上，光收集器安装在第二微型位移台上，且为旁轴采集，光收集器通过光纤与光谱仪相连；
[0012]所述第一微型位移台至第三微型位移台均与微控制器电信号连接，微控制器与便携式PC机电信号连接，使得在便携式PC机上能够实现控制第一至第三微型位移台的运动；便携式PC机分别与光谱仪和光纤激光器控制卡电信号信号，用于控制光谱仪和与激光器同时工作，并使光谱仪同步采集的数据传送到便携式PC机。
[0013]作为上述二个技术方案的改进，该便携式激光探针成分分析仪还可以设置偏振器和微型旋转台。
[0014]本发明采用光纤激光器作为激光光源，并提供一种新的光谱采集方式，提高了探测灵敏度和降低了检测极限。由于新型的光纤激光器具有成本低、小型化、转换效率高、功率高、光束质量好、损耗低、散热快、激光阈值低、高稳定性等优点，能胜任恶劣的工作环境，对灰尘、震荡、冲击、湿度、温度具有很高的容忍度，不需热电制冷和水冷，只需简单的风冷，特别适合做便携式LIBS。同时，本发明通过巧妙的结构设计，使本发明结构方便实用，小巧便捷，稳定可靠。
[0015]当本发明增设偏振器时，还可以抑制等离子体光谱中的连续背景的干扰，进一步提高探测灵敏度和降低检测极限。
[0016]总之，本发明提供的便携式激光探针仪分析迅速、探测极限低、灵敏度高、能够在野外或恶劣环境及工业现场实时监测，很好的弥补现有的LIBS方案的缺点和不足。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1为本发明的第一种【具体实施方式】的结构示意图；
[0018]图中符号分别表示:A为便携式LIBS分析仪的探测头部分，B为便携式LIBS分析仪的主机系统，I为光纤激光器的激光输出头，2为光阑,3为反射镜,4为壳体,5为透镜,6为探测头出光口，7为等离子体羽，8为样品，9、13和26为微型位移台，10为二向色镜，11和14为手柄，12为光收集器,15为控制信号线，16为光纤，17为光纤，18为套管，19为光谱仪，20为光纤激光器控制卡,21为微控制器,22为便携式PC机,23为光纤激光器主机,24为偏振器，25为微型旋转台。
[0019]图2为便携激光探针分析仪的工作过程示意图；
[0020]图3为本发明的第二种【具体实施方式】的结构示意图。
【具体实施方式】
[0021]下面结合附图对本发明的【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发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明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。
[0022]如图1所示，本发明实施例提供的一种便携式LIBS分析仪，包括激光探测头A和王机系统B两部分，其中，探测头A包括:激光输出头I，光阑2，反射镜3，二向色镜10，透镜5，第一、第二微型位移台9、13，偏振器24，微型旋转台25，以及光收集器12等。主机系统B包括光谱仪19,光纤激光器控制卡20,微控制器21,以及便携式PC机22,主机系统B可以自带或外配光纤激光器主机23等。
[0023]探测头A中，激光输出头1、光阑2和反射镜3安装在同一直线上，且反射镜3与激光束成45度夹角；二向色镜10安装在反射镜3的正下方，且主平面与反射镜3的主平面平行；光收集器12、偏振器24、二相色镜10、透镜5和探测头出光口 6依次在另一直线上，且与激光输出头1、光阑2和反射镜3所在的直线平行；光收集器12与光谱仪19通过光纤16相连,激光输出头I通过光纤与光纤激光器主机23连接。
[0024]第一微型位移台9、第二微型位移台13和微型旋转台25均安装在探测头A的壳体4内，其中，透镜5安装在微型位移台9上，偏振器24安装在微型旋转台25上，光收集器12安装在微型位移台13上。微型旋转台25、微型位移台9和13均通过控制信号线与微控制器21相连。
[0025]在主机系统B中，微控制器21与`便携式PC机22通过数据线连接，用于PC机22与微控制器21之间的通信，从而在PC机上控制微型旋转台25、微型位移台9和13的运动。光谱仪19与便携式PC机22之间通过数据线相连，用于光谱仪19和PC机22间的通信，将光谱仪19采集的数据传送到PC机22上显示出来。
[0026]光纤激光器主机23配置有光纤激光器控制卡20，便携式PC机22与光纤激光器控制卡20电信号连接，便携式PC机22可以控制光纤激光器主机23和光谱仪19同步工作。
[0027]本发明所使用的微型位移台是体积小的微型二维位移台，能向X轴和y轴两个方向运动，优选定位精度可达10 μ m,真直度可达10 μ m的二维位移台。
[0028]本发明所使用的微型旋转台是体积小的电动旋转台，旋转角度范围为O至360度，优选重复定位精度可达0.1度以下的微型电动旋转台。
[0029]可以通过PC机上的软件通过微控制器21来控制微型位移台9，以调节透镜5的空间位置，实现高精度的聚焦，精度可达IOym,避免手动调焦带来的费时费力且误差大等情况，一般将焦点调节在探针出光口 6之外的2-4mm处，以保证激光焦点与样品表面有一个离焦量，使激光打到样品上产生的等离子体光谱最强烈。当离焦量需要变换时，可以通过微型位移台9来精确调整。
[0030]可以通过PC机上的软件通过微控制器21来控制微型旋转台25，以调节偏振器24的角度，达到抑制等离子体光谱中的连续背景和提高探测极限的目的。图1所示结构可以不设置偏振器24和微型旋转台25。
[0031]可以通过PC机上的软件通过微控制器21来控制微型位移台13，以调整光收集器12的空间位置，使其正好对准欲采集的等离子体羽，控制精度达到10 μ m。
[0032]光收集器12用来收集等离子体光谱，然后通过光纤16传输到光谱仪19。
[0033]透镜5、偏振器24和光收集器12的调节可以通过软件控制调节，也可以手动调节。
[0034]所说的光阑2是内径可调的，其直径一般调为l-10mm。
[0035]反射镜3为表面镀膜的针对特定波长的平面反射镜，反射率达到98%以上。
[0036]二向色镜10是表面镀有一层对应于工作波长的介质全反射膜，对特定波长的光是反射，且反射率达到98%以上，而对其他波长的光则是透射，且通过率达到98%以上。
[0037]探测头出光口 6为探测头与样品接触部分，采用耐高温的合金材料制成，其顶端圆口的直径为2-5mm，用于激光从该口发射出来，同时，激光激发出的等离子体光谱也是从该圆口进入光收集器12中。
[0038]所说的激光器是小体积的波长为1064nm的光纤激光器，优选功率为20w，单脉冲能量约为0.5mJ，脉冲重复频率为10-400kHz可调，脉宽为10_200ns可调的小型化光纤激光器，可满足不同的探测需求。
[0039]光路调整方法:
[0040]激光器发射红光指示光，照射到样品上的相应位置，通过上位机软件控制微型位移台9和13的运动，通过调整透镜5的位置，使指示光聚焦在样品表面的相应位置，通过自动调整光收集器12的位置，使光谱仪采集到该指示光，则说明光路系统已经调整好。
[0041]光谱采集方法:
[0042]与传统的LIBS系统不一样的是，不是通过时间延时的方法去除等离子体光谱中的连续背景，而是通过偏振器来抑制等离子体光谱中的连续背景，同时也降低了检测极限和增强了探测灵敏度。所以该便携式LIBS分析仪的光谱采集方法是，在软件上设置采集次数和光谱仪一次采集的积分时间及平均次数，软件设置激光器和光谱仪同时工作，光谱仪19的每次采集和每个激光脉冲之间不设置延时时间，在光谱仪的一个积分时间里(例如20ms)，采集到的是多个脉冲累加作用的结果。
[0043]如图2所示，本发明的具体工作过程如下:
[0044]1.初始化
[0045]初始化时完成微型位移台、光纤激光器、光谱仪的连接及相关参数默认值的设置，然后激光器发红光指示光，照射到样品上的相应位置，利用PC机控制微型位移台，调整透镜和光收集器的位置，使指示光聚焦在样品表面，同时使光谱仪采集到该指示光，则说明光路系统已经调整好。
[0046]2.光谱采集
[0047]激光输出头I发射的激光束经过光阑2整形后，入射到反射镜3，且与反射镜3成45度夹角；经反射镜3反射后，再经二相色镜10反射后，入射到透镜5上，经过透镜5聚焦，然后照射到样品8的表面产生等离子体羽，等离子体辐射出的光从出光口 6进入探测头A，经透镜5后变成平行光，再透射过二向色镜10后，被光收集器12采集，然后通过光纤16传输到光谱仪19里，光谱仪19将采集到的光信号转换为电信号，然后通过USB接口传输给便携式PC机22。[0048]3.数据分析
[0049]PC机接收光谱信号，对其进行预处理(包括去噪声、去背景、重叠峰分离及自吸收补偿等)，将得到的光谱数据与数据库中的光谱信息进行对比分析，确定出样品所含的元素种类及其含量并显示给用户。
[0050]本发明也可以采用如图3所示的第二种【具体实施方式】，与第一种【具体实施方式】不同的是:第二种【具体实施方式】采用旁轴采集等离子体光谱的方式。激光输出头I安装在第三微型位移台26上，透镜5安装在第一微型位移台9上，激光输出头1、光阑2、透镜5和出光口 6在一条直线上，将光收集器12安装在微型位移台13上，，偏振器24安装在微型旋转台25上，且正好位于光收集器12的正前方，为旁轴采集方式，从等离子体羽的侧面来采集激光等离子体光谱。采用旁轴采集方式，微型位移台13和微型旋转台25可以安装在壳体4夕卜，如果空间允许，也可以将其安装在壳体4内。
[0051]为操作方便，可以在壳体4上安装二个手柄11、14。还可以采用套管18将光纤16、17，以及控制信号线15等各种线路套在里面。
[0052]同样，图3所示结构也可以不设置偏振器24和微型旋转台25。
[0053]以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以，凡是在不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。
【权利要求】
1.一种便携式激光探针成分分析仪，其特征在于，它包括激光探测头和主机系统两部分，其中，探测头包括激光输出头、光阑、反射镜、二向色镜、透镜、第一微型位移台、第二微型位移台和光收集器；主机系统包括光谱仪、微控制器、便携式PC机和光纤激光器主机； 第一微型位移台、第二微型位移台均安装在激光探测头的壳体内，透镜安装在第一微型位移台上，光收集器安装在第二微型位移台上；激光输出头、光阑和反射镜均位于同一光路上，且反射镜与激光输出头的光轴成45度夹角；二向色镜安装在反射镜的反射光路上，且主平面与反射镜的主平面平行；光收集器、二相色镜、透镜和探测头的出光口依次在另一光路上，且与激光输出头、光阑和反射镜所在的光路平行；光收集器与光谱仪通过光纤相连； 所述第一微型位移台和第二微型位移台均与微控制器电信号连接，微控制器与便携式PC机电信号连接，使得在便携式PC机上能够实现控制第一微型位移台和第二微型位移台的运动；便携式PC机分别与光谱仪和光纤激光器控制卡电信号信号，用于控制光谱仪和激光器的工作，并使光谱仪同步采集的数据传送到便携式PC机。
2.根据权利要求1所述的便携式激光探针成分分析仪，其特征在于，它还包括偏振器和微型旋转台，微型旋转台也安装在激光探测头的壳体内，偏振器安装在微型旋转台上，且正好位于光收集器的正前方，且偏振器位于光收集器和二相色镜之间，微型旋转台与微控制器电信号连接，使得在便携式PC机上能够实现控制微型旋转台的运动。
3.另一种便携式激光探针成分分析仪，其特征在于，它包括激光探测头和主机系统两部分，其中，激光探测头包括激光输出头、光阑、透镜、光收集器和第一至第三微型位移台，主机系统包括光谱仪、微控制器、便携式PC机和和光纤激光器主机； 第一微型位移台和第三微型位移台安装在激光探测头的壳体内，透镜安装在第一微型位移台上；激光输出头、光阑、透镜和探测头的出光口位于同一光路上，激光输出头安装在第三微型位移台上，光收集器安装在第二微型位移台上，且为旁轴采集，光收集器通过光纤与光谱仪相连； 所述第一微型位移台至第三微型位移台均与微控制器电信号连接，微控制器与便携式PC机电信号连接，使得在便携式PC机上能够实现控制第一至第三微型位移台的运动；便携式PC机分别与光谱仪和光纤激光器控制卡电信号信号，用于控制光谱仪和与激光器同时工作，并使光谱仪同步采集的数据传送到便携式PC机。
4.根据权利要求3所述便携式激光探针成分分析仪，其特征在于，它还包括偏振器和微型旋转台，偏振器安装在微型旋转台上，且正好位于光收集器的正前方，微型旋转台与微控制器电信号连接，使得在便携式PC机上能够实现控制微型旋转台的运动。
5.根据权利要求1至4中任一所述便携式激光探针成分分析仪，其特征在于，所述壳体上安装有二个手柄。
【文档编号】G01N21/63GK103743710SQ201310740318
【公开日】2014年4月23日 申请日期:2013年12月28日 优先权日:2013年12月28日
【发明者】曾晓雁, 曾庆栋, 李祥友, 郭连波, 段军, 贺超, 沈萌, 李阔湖, 郝中骐, 陆永枫 申请人:华中科技大学