精确靶点定位的激光诱导击穿光谱元素分析仪的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及元素分析仪，特别涉及激光诱导击穿光谱法的元素分析仪。一种精确靶点定位的激光诱导击穿光谱元素分析仪，其主要特点在于包括有脉冲激光器通过激光传输系统将激光束传导到样品室内的分析样品上，靶点精确定位系统设在样品室上，靶样品发射光谱通过固定在靶点精确定位系统的传输光纤与光谱仪连接。本实用新型的优点是整套LIBS分析仪由独立的激光系统、导光系统、定位系统以及样品室组成，既可以作为一台设备使用，也可以方便的更换不同参数的激光源使用，或不使用样品室直接对原位样品分析，扩展该分析仪的应用范围，促进仪器的实用化、商业化。靶点精确定位系统可实现三维空间的微米量级定位，以及靶点的自动修正，提高分析仪器测量分析结果的准确性，提升仪器分析元素的灵敏度。
【专利说明】精确靶点定位的激光诱导击穿光谱元素分析仪
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及元素分析仪，特别涉及激光诱导击穿光谱法的元素分析仪。
【背景技术】
[0002]元素分析在冶金、食品安全、环境监测、空间探测等各个领域具有广泛的应用需求。常用的元素分析手段包括X射线荧光分析仪、电感耦合等离子体光谱仪、电感耦合等离子体质谱仪、原子吸收分光光度计、激光烧蚀感应耦合等离子体质谱等。但是传统的元素分析仪器多需要进行采样，并对样品进行预处理后才可以分析，有些分析方法对样品形态、所分析元素种类等都具有较大限制。
[0003]激光诱导击穿光谱(LIBS)技术是利用强激光聚焦于样品表面形成等离子体，通过测量等离子体发射光谱中的特征谱线来分析样品中元素成分的分析手段。该方法已经在金属、液体、气体等样品中的痕量元素的定性、定量分析应用研究方面开展了大量工作。与传统分析方法相比，尚在发展中的LIBS技术最大的特点是几乎不需要制备，对样品破坏小，灵敏度高等特点，并且由于该分析方法仅有光束与目标靶材的接触，因而可实现多元素、原位分析。
[0004]由于LIBS技术是以激光烧蚀分析样品形成等离子体为基础，而激光等离子体参数、发射光谱强度以及激光烧蚀靶材料后其组分的分馏效果等均与激光功率密度密切相关。对于特定的激光源，其脉冲宽度、激光波长均已固定，而现在的激光技术已经可以实现激光脉冲能量的高稳定性(抖动〈3%)，因此，对激光聚焦后功率密度影响最大的因素则是精确控制聚焦透镜至样品表面的距离；对于表面不平整或者非规则样品，如果能及时修正透镜至分析点的距离，则可以大幅度提高LIBS技术元素分析精度，进一步降低元素的检测限。
[0005]目前，国际上可以提供商业化LIBS设备的主要厂商有法国IVEA、英国AppliedPhotonics等公司。其中在IVEA公司的EasyLIBS等产品上已经采用了两束半导体激光进行靶点定位，并通过摄像头采集光斑，由肉眼判断靶点的设计。对于手持式LIBS设备进行快速分析而言，这种设计已经可以满足快速分析需求。但是对于不规则样品的靶点精确定位，提高样品中元素含量分析精度以及重复测量等，该装置还具有一定的局限性。在AppliedPhotonics公司的多款LIBS产品中，尽管已经应用了一些锥形面光学元件布局的设计，但在其设计中，脉冲激光沿中轴线传输，这样设计减少了激光传输结构，但是也减少激光传输的可调节性，并且对于激光器与LIBS装置的尺寸提出了严格要求，不利于更换不同参数的激光源。在其光学元件只是按照锥形结构分布，并没有固定在锥面上，稳固性减弱。该设计中摄像头并不在中轴线安装，并且也未采用三束激光定位，因此，该设计对于开展不规则样品的靶点精确定位以及元素分布测量尚有局限性。并且该LIBS设备中，也未有环境气体喷嘴设计，也限制了其在基础研究以及特殊环境气体下元素分析的应用。
【发明内容】
[0006]本实用新型的目的在于，为避免现有技术的不足，提供一种可精确靶点定位，易于操作和推广，具有较高分析精度的激光诱导击穿光谱分析装置。本实用新型的目的是将半导体激光定位、CCD图像分析以及电控精密平移台等技术设备相结合，建立可实现靶点精确定位的激光诱导击穿光谱元素分析仪器。
[0007]为实现上述目的，本实用新型采取的技术方案为:一种精确靶点定位的激光诱导击穿光谱元素分析仪，其主要特点在于包括有脉冲激光器通过激光传输系统将激光束传导到样品室内的分析样品上，靶点精确定位系统设在样品室上，靶样品发射光谱通过固定在靶点精确定位系统的传输光纤与光谱仪连接。
[0008]所述的精确靶点定位的激光诱导击穿光谱元素分析仪，所述的激光传输系统包括有在脉冲激光束传输的通道上设有第一激光扩束准直透镜组中的凹透镜、紫外石英直角棱镜及第二激光扩束准直透镜组中的凸透镜，在聚焦透镜安置腔内设有激光聚焦紫外石英透镜，在聚焦透镜安置腔外还设有特征波长全反射镜，脉冲激光束依次通过第一激光扩束准直透镜组中的凹透镜、紫外石英直角棱镜及第二激光扩束准直透镜组中的凸透镜及激光聚焦紫外石英透镜由特征波长全反射镜反射后照射在分析样品上。
[0009]所述的精确靶点定位的激光诱导击穿光谱元素分析仪，所述的靶点精确定位系统包括有内部为锥形、外部为圆柱形的金属底座，在金属底座的中心设有摄像装置CCD，并在金属底座的锥面上设有三台带调焦的半导体准直激光器，发射准直激光束聚焦于分析样品表面同一点，并且该点在放置分析样品的定位台的轴线上，且距离脉冲激光束聚焦透镜距离为焦距；等离子体光谱收集透镜组设置在光纤耦合器安置腔内，等离子体光谱收集透镜组的透镜中心与半导体准直激光器在锥面上的位置同心，且聚焦点在分析样品的表面；等离子体光谱收集透镜组通过光纤法兰上的光纤连接光谱仪；在靶点精确定位系统的锥面上设有用于样品室内照明的LED照明灯；还设有用于为样品表面制造特定种类的环境气体的环境气体喷嘴。
[0010]所述的精确靶点定位的激光诱导击穿光谱元素分析仪，所述的样品室其顶部与靶点精确定位系统连接，连接部分以橡胶圈密封，样品室设有带有激光波段防护镜片的用于送取样品窗口 ；在其下部设有放置分析样品的三维电控位移台，以实现样品的三维空间精确扫描。
[0011]由于本设计采用三束半导体准直激光束，故可定位不规则样品靶点，降低了 LIBS分析对样品平整度的要求，并且，带有聚焦透镜的半导体激光器经仔细优化后其焦斑可达到微米量级，而工业级CCD经光学系统成像后分辨率可达微米量级，因此，该系统定位具有很闻的精度。
[0012]本实用新型的有益效果:
[0013]I)整套LIBS分析仪由独立的激光系统、导光系统、定位系统以及样品室组成，既可以作为一台设备使用，也可以方便的更换不同参数的激光源使用，或不使用样品室直接对原位样品分析，扩展该分析仪的应用范围，促进仪器的实用化、商业化。
[0014]2)结合三束半导体激光共焦定位、CXD图像采集分析系统的LIBS靶点精确定位系统可实现三维空间的微米量级定位，以及靶点的自动修正，提高分析仪器测量分析结果的准确性，提升仪器分析元素的灵敏度。
[0015]3) 一体化的光路传输、精确定位、激光聚焦以及光谱采集系统的设计，使得该LIBS分析仪器更加稳固、可靠，并且降低了仪器操作人员操作经验、维护调节技术的要求，使仪器易于广泛推广。
[0016]4)通过CXD对靶材料的成像与手工描绘，可实现目标样品元素空间分布测量；
[0017]5)结合实验室研究成果，增加了与靶心共轴的环境气体喷嘴，可创造各种气体环境，增强光谱信号、提高谱线信噪比以及去除大气背景干扰等，可满足科学研究需求以及特殊行业应用需求。
【专利附图】
【附图说明】:
[0018]图1典型LIBS装置原理示意图；
[0019]图2本实用新型的结构示意图；
[0020]图3本实用新型的靶点精确定位系统实施例1的主视剖面示意图；
[0021]图4本实用新型的祀点精确定位系统实施例1仰视不意图；
[0022]图5本实用新型的样品室主视剖面示意图；
[0023]图6本实用新型的样品室俯视示意图；
[0024]图7本实用新型的靶点精确定位系统实施例3的主视示意图；
[0025]图8本实用新型的靶点精确定位系统实施例3仰视示意图；
[0026]图9本实用新型的测试流程示意图。
[0027]图中:1脉冲激光器；2激光传输系统；3LIBS祀点精确定位系统；4样品室；5传输光纤；6光谱仪；7紫外石英直角棱镜；8脉冲激光束；9激光扩束准直透镜组；10激光聚焦紫外石英透镜；11聚焦透镜安置腔；12特征波长全反射镜；13光谱收集耦合透镜组；14光纤法兰；15光纤耦合器安置腔；16靶点定位工业级CXD ; 17环境气体喷嘴；18三维精密电控样品台；19分析样品；20等离子体羽；21靶点定位半导体激光器；22照明LED光源；23带激光波段防护窗的样品窗；24样品室主体框架；25脉冲阀。
【具体实施方式】
[0028]以下结合附图所示之最佳实例作进一步详述:
[0029]实施例1:见图2，一种精确靶点定位的激光诱导击穿光谱元素分析仪，其主要特点在于包括有脉冲激光器I通过激光传输系统2将激光束传导到样品室4内的分析样品19上，靶点精确定位系统3设在样品室4上，靶点精确定位系统3通过传输光纤5与光谱仪6连接。光谱仪采用商用的光纤光谱仪或者是配有像增强CCD探测器的中阶梯光谱仪。
[0030]所述的LIBS分析装置中的脉冲激光系统I通常采用Nd:YAG商业激光器产品，输出脉冲宽度为纳秒量级，具有固定波长及倍频波长输出，根据不同实验需要，亦可选用皮秒、飞秒激光系统等。
[0031]所述的激光传输系统2包括有在脉冲激光束8的传输通道上设有第一激光扩束准直透镜组凹透镜9-1、紫外石英直角棱镜7及第二激光扩束准直透镜组凸透镜9-2，在聚焦透镜安置腔11内设有激光聚焦紫外石英透镜10，在聚焦透镜安置腔11外还设有特征波长全反射镜12，脉冲激光束8依次通过第一激光扩束准直透镜组中的凹透镜9-1、紫外石英直角棱镜7及第二激光扩束准直透镜组中的凸透镜9-2及激光聚焦紫外石英透镜10由特征波长全反射镜12反射后照射在分析样品19上。脉冲激光系统I由于采用在聚焦透镜安置腔11内设有激光聚焦紫外石英透镜10设计，因而可以根据不同实验需要，容易地替换为皮秒、飞秒激光等其他光源系统。
[0032]见图3及图4，所述的靶点精确定位系统3包括有内部为锥形、外部为圆柱形的金属底座3-1，在金属底座3-1的中心设有摄像装置(XD16，并在金属底座3-1的锥面上设有三台带调焦的半导体准直激光器21，发射准直激光束聚焦于分析样品19表面同一点，并且该点在放置分析样品19定位底座18的轴线上，且距离脉冲激光束聚焦透镜10距离为焦距；等离子体光谱收集透镜组13设置在光纤耦合器安置腔15内，等离子体光谱收集透镜组13的透镜中心与半导体准直激光器21在锥面上的位置同心，且聚焦点为分析样品19表面；等离子体光谱通过透镜组13聚焦至光纤法兰14上的光纤5连接光谱仪6。金属底座3-1上设有环境气体喷嘴17指向靶样品表面以创造所需的气体环境；金属底座3-1上还设有照明光源LED。
[0033]见图5及图6，所述的样品室4其顶部设有与定位系统底座3-1尺寸相匹配的圆形接口，可与靶点精确定位系统3连接，样品室为敞口，连接部分以橡胶圈24-1密封，样品室4设有带有激光波段防护镜片的窗口 23，用于送取样品；在其下部设有放置分析样品19的三维电控位移台18，被分析样品放置在三维电控位移台18上，以实现样品的三维空间精确扫描。
[0034]由于三维电控精密平移台精度可达纳米级的，且激光焦斑尺寸在微米量级，通过CCD16获取分析样品形貌，并人工绘制扫描轨迹后，可实现目标样品中元素空间分布的分析。
[0035]本实用新型所述的精确靶点定位的激光诱导击穿光谱元素分析仪，其精确定位测量原理在于三台准直半导体激光器发射准直激光束聚焦于分析样品表面同一点，并且该点在靶点定位底座中轴线上，靶点距离脉冲激光束聚焦透镜10距离与透镜焦距匹配；工业级CCD16采集分析准直激光器21的光斑，判断三个激光束是否在同一点，若CCD只观测到一个光斑，即可进行测量分析，如果CCD观测到三个光斑，则说明样品未处于激光焦点处，即控制三维电控平移台修正样品位置直至观测到一个光斑为止；由于本设计采用三束半导体准直激光束，故可定位不规则样品靶点，降低了 LIBS分析对样品平整度的要求，并且，带有聚焦透镜的半导体激光器经仔细优化后其焦斑可达到微米量级，而工业级CCD经光学系统成像后分辨率可达微米量级，因此，该系统定位具有很高的精度。
[0036]所述的LIBS分析装置中的激光传输系统2，包括由紫外石英棱镜组成的反射镜7，具有伽利略望远镜结构的扩束系统9，该望远镜系统的两块透镜9-1及9-2分布在一个石英直角棱镜7的两侧，可以缩短对两段导光臂的长度要求，使得装置更加紧凑。
[0037]使用时，激光束8在导光臂里经透镜组9扩束后从3-1外侧壁进入激光传输通道，并经嵌入聚焦透镜安置腔11内的石英透镜10进行聚焦，聚焦透镜位置利用螺纹卡环调节；聚焦后的激光束由安装在锥形座底部的高反镜12反射后照射在分析样品19的表面，形成等离子体羽20 ;透镜到样品表面距离与透镜焦距一致；锥体支座中心位置安装工业级CCD16，用于拍摄激光靶点等离子体发光图像、半导体激光光斑以及样品形貌等；见图4，在锥面对称安装3台带调焦的半导体准直激光器21，三台准直激光器经聚焦优化后形成微米级光斑并照射于分析样品表面同一位置；等离子体光谱收集透镜组13被安装在光纤耦合器安置腔15内，透镜中心与三束半导体激光在锥面上的位置同心，并精确指向靶点，透镜组将等离子体光谱收集聚焦后由连接在光纤法兰14上的光纤传输至光谱仪6内进行分析；由于等离子体光谱信号在不同环境气体下具有不同的演化规律，本系统中在半导体激光位置圆环上还设置了环境气体喷嘴17，其方向亦精确指向靶点；此外，为了放置样品方便以及CCD能够清楚获取样品形貌照片，在该系统中还配置了 LED照明灯22。
[0038]所述的LIBS分析装置中，激光器、光谱仪以及CXD之前的时序一般由成熟的脉冲信号延迟器，例如美国斯坦福的DG535、DG645精确控制，也可以自行设计加工，其控制精度好于I纳秒。LIBS设备常用的商业光谱仪一般也都配有激光器触发信号模块，并利用软件进行延迟时间控制，因此，也可以由光谱仪软件实现各硬件之间的时序同步于延迟。
[0039]本实用新型的测试过程，由紧凑型Nd:YAG激光器I作为烧蚀光源，激光束经过一对紫外石英棱镜9传输，并由紫外石英透镜10聚焦后，照射在分析样品19表面，样品固定在三维电控平移台18上，并按照设定轨迹移动样品。三束由半导体激光器21输出的激光束照射在样品表面上的光斑由(XD16采集，并判断是否同心，通过控制精密电控升降台，至三束激光束同心为止，即靶点定位完成，此时，脉冲激光束在样品表面光斑与三束定位激光同心，即开始测量。同时样品运动过程中，C⑶持续监测三束半导体激光光斑，并控制步进电机修正位置。由脉冲激光烧蚀样品表面产生的等离子体光谱由耦合透镜组13耦合进光纤5并输入光谱仪6进行分析。光谱仪与激光器以及CCD之前的延迟时间由脉冲信号延迟器DG645 (美国SRS公司)进行精确控制。
[0040]实施例2:—种精确祀点定位的激光诱导击穿光谱兀素分析仪,使用于矿物、岩石等不规则样品分析，结构与实施例1相同，不同的是使用移动电源，不使用样品室，直接将激光束焦点对准野外目标样品进行测量并分析其中的元素。
[0041]通常LIBS光谱分析对于激光功率密度非常敏感，因此，样品表面的平整度会LIBS分析结果有很大的影响。对于未经处理的矿石样品等，其表面非常不平整，如果不能仔细对焦以及优化光纤收集耦合，很可能会测不到任何信号。但是采用本实用新型的带有靶点精确定位的LIBS分析仪，由于三点可以确定一个平面，并且该三束激光共有焦点与光纤收集耦合透镜组共线，故对于不规则矿石样品等，只要调整三束定位激光交汇，即可很好耦合光谱收集系统并获得最优化的光谱信号。
[0042]实施例3:—种精确靶点定位的激光诱导击穿光谱元素分析仪，在真空条件下激光质谱或光谱分析。见图7及图8，所述的C⑶摄像系统16设于金属底座3-1的锥面上，以真空密封连接方式将脉冲阀25设于金属底座3-1的中心；同时选用不锈钢材料加工定位底座3 -1，并在其圆柱端面加工法兰刀口，与所拟连接真空腔密封对接。本实用新型精确靶点定位系统即可用于真空条件下的激光烧蚀质谱、光谱分析定位，并且可实现真空腔外原位样品烧蚀、真空腔内质谱分析等功能。其余结构与实施例1相同。
[0043]实施例4 一种精确靶点定位的激光诱导击穿光谱元素分析仪，元素空间分布测量。结构与实施例1相同。不同的是电控精密升降台组成的三维电控位移台上，以实现样品的三维空间精确扫描。由于三维电控精密平移台精度可达纳米级的，且激光焦斑尺寸在微米量级，通过CCD16获取分析样品形貌，并人工按照CCD所采集图像绘制电控平移台扫描轨迹后，由平移台控制程序读取轨迹数据后运动，同时光谱仪器采集分析LIBS光谱信号，通过强度分析即可获得特定区域的元素含量信息。通过不同区域的扫描，该系统可实现目标样品中元素空间分布的分析。[0044]实施例5:见图9，一种精确靶点定位的激光诱导击穿光谱元素分析仪的使用方法，其主要步骤为:
[0045]首先在仪器安装时初始设置三台准直半导体激光器发射准直激光束聚焦于分析样品表面同一点，并且该点在靶点定位底座轴线上，且距离脉冲激光束聚焦透镜10距离为透镜焦距；工业级(XD16采集分析准直激光器21的光斑，判断三个激光束是否在同一点，若CCD只观测到一个光斑，即分析样品处于脉冲激光焦点处，即可进行测量分析，如果CCD观测到三个光斑，则说明样品未处于激光焦点处，即停止测量，并控制升降台移动直至观测到一个光斑为止。
[0046]以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种精确靶点定位的激光诱导击穿光谱元素分析仪，其特征在于包括有脉冲激光器通过激光传输系统将激光束传导到样品室内的分析样品上，靶点精确定位系统设在样品室上，靶样品发射光谱通过固定在靶点精确定位系统的传输光纤与光谱仪连接。
2.如权利要求1所述的精确靶点定位的激光诱导击穿光谱元素分析仪，其特征在于所述的激光传输系统包括有在脉冲激光束传输的通道上设有第一激光扩束准直透镜组中的凹透镜、紫外石英直角棱镜及第二激光扩束准直透镜组中的凸透镜，在聚焦透镜安置腔内设有激光聚焦紫外石英透镜，在聚焦透镜安置腔外还设有特征波长全反射镜，脉冲激光束依次通过第一激光扩束准直透镜组中的凹透镜、紫外石英直角棱镜及第二激光扩束准直透镜组中的凸透镜及激光聚焦紫外石英透镜由特征波长全反射镜反射后照射在分析样品上。
3.如权利要求1所述的精确靶点定位的激光诱导击穿光谱元素分析仪，其特征在于所述的靶点精确定位系统包括有内部为锥形、外部为圆柱形的金属底座，在金属底座的中心设有摄像装置CCD，并在金属底座的锥面上设有三台带调焦的半导体准直激光器，发射准直激光束聚焦于分析样品表面同一点，并且该点在放置分析样品的定位台的轴线上，且距离脉冲激光束聚焦透镜距离为焦距；等离子体光谱收集透镜组设置在光纤耦合器安置腔内，等离子体光谱收集透镜组的透镜中心与半导体准直激光器在锥面上的位置同心，且聚焦点在分析样品的表面；等离子体光谱收集透镜组通过光纤法兰上的光纤连接光谱仪；在靶点精确定位系统的锥面上设有用于样品室内照明的LED照明灯；还设有用于为样品表面制造特定种类的环境气体的环境气体喷嘴。
4.如权利要求1所述的精确靶点定位的激光诱导击穿光谱元素分析仪，其特征在于所述的样品室其顶部与靶点精确定位系统连接，连接部分以橡胶圈密封，样品室设有带有激光波段防护镜片的用于送取样品窗口 ；在其下部设有放置分析样品的三维电控位移台，以实现样品的二维空间精确扫描。
【文档编号】G01N21/62GK203824908SQ201420129663
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2014年3月21日 优先权日:2014年3月21日
【发明者】张大成, 马新文, 赵冬梅 申请人:中国科学院近代物理研究所