基于共线激光诱导击穿光谱作物营养元素快速检测的装置制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种基于共线激光诱导击穿光谱作物营养元素快速检测的装置，包括用于产生共轴双脉冲激光的双脉冲固体激光器，双脉冲固体激光器的重复频率为1～10Hz，激光532nm的能量为80～200mJ，激光1064nm的能量为80～300mJ，两束激光之间的间隔时间为200～2000ns；沿所述双脉冲固体激光器的光轴依次布置有能量衰减器、光路爬高系统和样品台，由光路爬高系统出射的激光垂直击打在样品表面产生等离子体；还包括信号采集和处理系统，采集等离子体冷却发出的特征谱线，并输入建立好的数据模型，计算出营养元素的含量。本实用新型实现了作物营养元素的快速检测，具有操作简单，成本低等特点。有效克服了传统检测方法检测时间长、操作复杂的特点，避免了化学试剂对环境的污染。
【专利说明】基于共线激光诱导击穿光谱作物营养元素快速检测的装置
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及作物营养元素检测技术，特别涉及一种基于共线激光诱导击穿光谱作物营养元素快速检测的装置。
【背景技术】
[0002]作物营养元素(氮、磷、钾等)与作物的生长状况以及产量密切相关。氮、磷、钾是作物三大主要营养元素。氮是色素的组成成分，能促进植物光合作用，增加作物产量；磷是作物多种化合物的组成元素，对作物品质具有重要影响；钾能促进作物光合作用，增强作物抗逆性。获取作物营养元素信息有利于了解作物的生长状况，根据作物的缺素情况实现早期定量施肥。目前，作物营养元素的检测方法主要有凯式定氮法、杜马氏燃烧法、比色法、火焰燃烧法等。然而，这些方法操作复杂、成本高，通常需要消耗大量化学试剂并造成环境污染，无法满足农田作物营养信息快速获取的要求。
[0003]激光诱导击穿光谱仪(Laser-1nducedBreakdown Spectroscopy, LIBS)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。近年来，激光诱导击穿光谱技术发展迅速，广泛应用于多个领域，如生物医学、考古学、环境监测、水中重金属检测以及爆炸物探测等。
[0004]应用激光诱导击穿光谱技术能快速获取作物营养信息，有利于实现农业精准化、智能化和信息化。然而，由于激光诱导击穿光谱分析量很小，基体效应对分析结果具有明显的影响。因此对于作物样本通常需要进行制样压片来保证检测的重复性。
实用新型内容
[0005]本实用新型提供了一种作物营养元素快速检测装置，实现了基于激光诱导击穿光谱对作物压片营养元素快速检测，能同时满足不同作物激光光谱的检测，具有系统调节方便，成本低，检测快速，微损等特点。
[0006]一种基于共线激光诱导击穿光谱作物营养元素快速检测的装置，包括用于产生共轴双脉冲激光的双脉冲固体激光器，所述的双脉冲固体激光器的重复频率为I?10HZ，激光532nm的能量为80?200mJ，激光1064nm的能量为80?300mJ，两束激光之间的间隔时间为200?2000ns ;沿所述双脉冲固体激光器的光轴依次布置有能量衰减器、光路爬高系统和样品台，由光路爬高系统出射的激光垂直击打在样品表面产生等离子体；还包括信号采集和处理系统，采集等离子体冷却发出的特征谱线，并输入建立好的数据模型，计算出营养兀素的含量。
[0007]优选的，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；ICCD探测器，用于将分光系统的光信号转换为电信号；计算机，根据所述的电信号，输入建立好的数据模型，计算出营养元素的含量。
[0008]优选的，所述的分光系统为中阶梯光栅光谱仪。
[0009]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。
[0010]优选的，所述的光路爬高系统由依次布置的第一反射镜、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。
[0011]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。
[0012]优选的，所述的第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜均采用I英寸双频Nd:YAG激光反射镜，532nm、1064nm处的反射率在98%以上。
[0013]由于双脉冲固体激光器的激光波长为532nm和1064nm，为减少激光能量在光路系统的损失，保证激光能量的有效利用率，所述的反射镜均采用双频Nd:YAG激光反射镜，其在532nm、1064nm处的反射率在98%以上。
[0014]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。
[0015]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。
[0016]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。
[0017]其中，透光板为有机玻璃板，选用材料为N-BK7，厚度为I?5mm，透过率大于90 %，能量阈值大于lOJ/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，本实用新型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。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1J/
2
cm ο
[0018]本实用新型具有的有益效果是:
[0019](I)能快速调节仪器的参数，实现最佳检测参数的优化；
[0020](2)实现了作物营养元素的快速检测，具有操作简单，成本低等特点。有效克服了传统检测方法检测时间长、操作复杂的特点，避免了化学试剂对环境的污染。
[0021](3)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，使样品到聚焦透镜的距离保持不变从而提高检测重复性。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1为作物营养元素快速检测的装置结构图；
[0023]图2为样品台的结构图；
[0024]图3为图2中样品台的俯视图。
【具体实施方式】
[0025]如图1所示，一种基于共线激光诱导击穿光谱作物营养元素快速检测的装置，包括双脉冲固体激光器1，延时发生器2，能量衰减器3，激光能量实时监测系统4，光路爬高系统5，探测器6，光谱仪7，样品台8，聚焦透镜9，光纤收集系统10和样本表面成像系统11。
[0026]双脉冲固体激光器I具有4种工作方式:(I) 1064nm同轴输出，(2)532nm同轴输出，(3) 1064nm异轴输出(4) 1064nm、532nm异轴输出。双脉冲固体激光器I可由2个单脉冲1064nm固体激光器、倍频晶体和合束光路实现。双脉冲固体激光器I的重复频率为1-lOHz，能量为80-200mJ(@532nm)，80-300mJ(@1064nm)，两束激光之间的间隔时间为200 ?2000ns。
[0027]延时发生器2控制双脉冲固体激光器I调Q触发时间、氙灯开启触发时间和ICXD探测器的门控时间。延时发生器设置双脉冲固体激光器调Q信号的触发时间在氙灯信号触发之后150±20ys。优化探测器的控制开启时间为第二路激光调Q开关触发时间之后
1.5 μ S0
[0028]能量衰减器3由半波片31和第一分束镜32组成。激光能量实时监测系统4包括热电脉冲探头42、第二分束镜41、USB连接线和计算机13。
[0029]光路爬高系统5由第一反射镜52、第二反射镜51和第三反射镜53组成，第一反射镜52、第二反射镜51和第三反射镜53选用I英寸双频Nd:YAG激光反射镜，532nm、1064nm处的反射率在98%以上。
[0030]光纤收集系统10由光收集器和光纤组成。样本表面成像系统11用于监测激光击打位置，包括CXD相机114、成像镜头113、第三分束镜112、照明LED光源111。
[0031]探测器6为ICXD探测器。光谱仪7为中阶梯光栅光谱仪。
[0032]聚焦透镜9安装于沿光轴方向具有调节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。聚焦透镜选用N-BK7，镀V形膜，其在532nm、1064nm处的反射率小于0.25%。
[0033]如图2和图3所示，样品台8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ζ)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10收集。
[0034]等离子体约束窗口 904的材料为N-BK7，厚度为I?5mm，透过率大于90%，能量阈值大于lOJ/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lOJ/cm2。因此等离子体约束窗口 904选用材料为N-BK7，厚度为I?3m。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，本实用新型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。
[0035]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。等离子约束板6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。本实用新型的等离子体约束板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。本实用新型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检测重复性，同时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。
[0036]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。
[0037]本样品台工作时，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。共轴双脉冲激光经过光路系统，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lOJ/cm2。等离子体冷却发出特征谱线由上方的光纤收集系统10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。
[0038]延时发生器2控制双脉冲固体激光器I的调Q开关触发时间和氙灯开启触发时间。在延时发生器2控制下，双脉冲固体激光器I产生共轴532nm(1064nm)双脉冲激光。激光经过能量衰减器3对激光能量进行衰减。通过转动半波片31控制从分束镜32出来的能量。衰减后激光分别经过第一反射镜52和第二反射镜51，再经过第三反射镜53改变光路，向下传播。激光经过聚焦透镜9聚焦击打样品表面，产生等离子体。等离子体冷却产生的特征谱线经光纤收集系统10收集，经过光谱仪7分光，最终由探测器6上的光电倍增管转化为电信号，通过USB连接到计算机12上，通过建立好的模型数据库，计算出作物营养元素含量。
[0039]本实用新型的发明点仅涉及光路设计和装置结构，采集特征谱线信息后，计算机应用现有的技术，可计算出作物营养元素的含量，并不涉及软件和计算方法上的改进。
[0040]以上所述仅为本实用新型的较佳实施举例，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型精神和原则之内，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】
1.一种基于共线激光诱导击穿光谱作物营养元素快速检测的装置，其特征在于，包括用于产生共轴双脉冲激光的双脉冲固体激光器，所述的双脉冲固体激光器的重复频率为I?1Hz，激光532nm的能量为80?200mJ，激光1064nm的能量为80?300mJ，两束激光之间的间隔时间为200?2000ns ； 沿所述双脉冲固体激光器的光轴依次布置有能量衰减器、光路爬高系统和样品台，由光路爬高系统出射的激光垂直击打在样品表面产生等离子体； 还包括信号采集和处理系统，采集等离子体冷却发出的特征谱线，并输入建立好的数据模型，计算出营养元素的含量。
2.如权利要求1所述的基于共线激光诱导击穿光谱作物营养元素快速检测的装置，其特征在于，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； ICCD探测器，用于将分光系统的光信号转换为电信号； 计算机，根据所述的电信号，输入建立好的数据模型，计算出营养元素的含量。
3.如权利要求2所述的基于共线激光诱导击穿光谱作物营养元素快速检测的装置，其特征在于，所述的分光系统为中阶梯光栅光谱仪。
4.如权利要求1所述的基于共线激光诱导击穿光谱作物营养元素快速检测的装置，其特征在于，所述的光路爬高系统由依次布置的第一反射镜、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。
5.如权利要求4所述的基于共线激光诱导击穿光谱作物营养元素快速检测的装置，其特征在于，所述的第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜均采用I英寸双频Nd:YAG激光反射镜，532nm、1064nm处的反射率在98%以上。
6.如权利要求1所述的基于共线激光诱导击穿光谱作物营养元素快速检测的装置，其特征在于，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。
7.如权利要求6所述的基于共线激光诱导击穿光谱作物营养元素快速检测的装置，其特征在于，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。
【文档编号】G01N21/63GK204214779SQ201420688747
【公开日】2015年3月18日 申请日期:2014年11月17日 优先权日:2014年11月17日
【发明者】彭继宇, 刘飞, 何勇, 周菲, 张初, 孔汶汶, 冯雷 申请人:浙江大学