一种具备多探头光信号收集单元的远程LIBS测试系统的制作方法

本发明属于原子发射光谱检测设备相关领域，更具体地，涉及一种具备多探头光信号收集单元的远程LIBS测试系统，其能够以低成本、便于操控和高精度的方式执行LIBS测试，并尤其适用于辐射、高温、爆炸及深空等环境的远程检测场合。

背景技术：

激光诱导击穿光谱(Laser-Induced Breakdown Spectroscopy，简称LIBS)技术又称为激光探针技术，它利用高能量激光对材料进行烧蚀，在材料表面形成高温、高电子数密度的等离子体，并通过对等离子体中多元素的特征谱线及其强度进行分析，可实现对材料中各元素组成及含量的定性分析。与传统的探测技术相比，LIBS技术具备实时、快速、无需样品预处理，可实现多元素同时检测等多项优势，因而越来越获得广泛的应用。

实践中发现，当检测对象距离较远或人员无法接近时，往往需要使用远程LIBS技术对物质进行原位探测。然而，当前的远程LIBS技术仍面临着激光能量远程传输和等离子体光谱的高效收集两大突出问题。为了改善这些问题，现有技术中已经提出了一些解决方案。例如，WO03/027650A公开了一种基于LIBS技术对多环芳烃远距离检测的分析系统，其收集系统采用光纤光路式，可收集更多有效信号，但其光学元件需采用大口径来提高激光能能传输及采集效率，而且实验前需将光纤探头置于探测对象附近才可有效收集信号；又如，CN103954593A公开了一种基于激光诱导击穿光谱技术的等离子体信号采集装置，其利用两个以上采集透镜从不同角度收集等离子体信号，信号分别输入多个光谱仪将信号叠加后用于光谱分析，但其必需同时使用到多个光谱仪，设备成本显著增大；此外，CN103411932B披露了一种基于远程变焦光路复用的LIBS测试系统及测试方法，其虽然可实现LIBS激发与光谱信号采集的光路复用，但进一步的研究表明，该探测系统同样利用大口径光学元件采集信号，大口径光学元件磨制困难，且容易变形，因而存在检测系统制作成本高、检测精度不稳定等问题。

技术实现要素：

针对现有技术的以上不足或改进需求，本发明提供了一种具备多探头光信号收集单元的远程LIBS测试系统，其中通过综合考虑远程LIBS检测工艺自身的特点和各种局限，对其整体光路布局和构造布置重新进行了设计，同时对重要组件如多路光信号收集单元和调焦镜组等的具体组成结构、关键性能参数和相互配合方式等方面做出进一步的优化研究，较多的实际测试表明，其不仅能够仅利用常规小口径镜片即可实现远距离的LIBS信号采集，而且与现有设备相比还能有效解决系统成本高、收集信号弱及检测精度差等问题，因而尤其适用于执行对各类探测距离不确定的被测对象的高效检测。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种具备多探头光信号收集单元的远程LIBS测试系统，该测试系统包括脉冲激光器、扩束镜、调焦镜组、第一二向色镜、第二二向色镜、多路光信号收集单元和光谱仪，其特征在于：

所述脉冲激光器用于发射所需脉冲能量和波长的激光光束，这些激光光束首先通过所述扩束镜执行扩束处理，然后沿着光轴传播透过所述调焦镜组以实现光束在不同位置的聚焦；所述第一二向色镜、第二二向色镜与光轴呈一定夹角且相互平行地设置在所述调焦镜组的后方，由此将激光光束远程传播及会聚在被测对象表面上的一点来形成等离子体光信号，同时将该等离子体光信号予以反向传播；

所述多路光信号收集单元与所述调焦镜组设置在同一光轴上，并用于对反向传播的等离子体光信号执行收集；该光信号收集单元包括多个子收集探头、分别与各个子收集探头对应连接的分光纤合束通道、将所有分光纤信号进行合束的光纤合束器，以及将耦合后的合路光信号传送至所述光谱仪的传输光纤；此外，各个子收集探头均由小口径透镜组成。

作为本发明的进一步优选方案，所述脉冲激光器优选为纳秒激光器，并且其激光输出波长被设定为1064nm，激光单脉冲能量被设定为30毫焦～300毫焦。

作为本发明的进一步优选方案，所述扩束镜优选采用紫外石英材质制造，并且其入瞳口径被设定为大于所述脉冲激光器的光斑。

作为本发明的进一步优选方案，所述调焦镜组的透镜均优选镀有1064nm的高透膜，并且所述第一二向色镜、第二二向色镜均优选镀有1064nm的高反膜及200nm～800nm的高透膜。

作为本发明的进一步优选方案，所述子收集探头均由直径为6mm～50mm的小口径透镜组成,进一步优选均由10mm～20mm的小口径透镜组成。

作为本发明的进一步优选方案，所述子收集探头的总数量优选为3个以上。

作为本发明的进一步优选方案，所述子收集探头的总数量优选为5个，并且它们中的一个被布置在平面中心，其余四个均匀围绕布置在其四周。

作为本发明的进一步优选方案，所述子收集探头的总数量优选为5个，并且它们中的三个呈直线布置在平面上侧，其余两各呈直线布置在下侧。

作为本发明的进一步优选方案，所述收集光纤的工作波段优选为200nm～800nm。

作为本发明的进一步优选方案，所述光谱仪可采用中阶梯光栅光谱仪或Czerny-Turner光谱仪。

作为本发明的进一步优选方案，所述被测对象优选被布置在所述第二二向色镜的后方，且其与此第二二向色镜之间的水平间距可自由调节。

作为本发明的进一步优选方案，上述远程LIBS测试系统还包括增强型电耦合器件和中央处理单元，其中该增强型电耦合器件用于对所述光谱仪执行分光处理后的等离子体光信号执行光电转换，然后由所述中央处理单元来分析其光谱信号且予以输出。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1、通过结合远程LIBS测试自身的特征来对整体光路布局和构造布置重新进行了设计，整体系统结构紧凑、便于操控，而且其中可调焦聚焦单元与多路光信号收集单元被配合设置在同一光轴上，相应在实际应用中不仅利于灵活调节，而且可高效实现对探测距离不确定的各类被测对象的远程检测；

2、尤其是，本发明中对光信号收集单元的具体组成结构、组合设置方式等专门进行了设计，其中通过选择利用多个小口径收集子探头来组合完成远程LIBS信号的实时采集，所采集到的多路光信号经由多束光纤通道同步传输并合并为一路执行分光，这样在设备设计和制造环节不必使用任何大口径的光学元件而是常规的小口径镜片，同时仅需一台光谱仪，可根据实际实验需求自由更改子探头的数量和布置方式等来进行系统改造，相应可大幅度降低系统成本，而且整体收集子系统不受光学元件口径限制，可显著提高采集效率，同时有助于增强收集信号和提高检测精度；

3、本发明还对影响整体测试精度的一些关键性能参数(包括光信号收集单元的镜片排列方式、数量及工作规格等)作出了进一步的优化设计，较多的测试表明，上述参数可确保稳定可靠地执行远程LIBS测试工艺，并充分发挥多个小口径收集子探头的组合采集效果，与现有的大口径采集模式相比进一步提高检测精度。

附图说明

图1是按照本发明优选实施方式所构建的具备多探头光信号收集单元的远程LIBS测试系统的整体构造示意图；

图2更为具体地显示了图1中所示多路光信号收集单元的结构组成示意图；

图3a、3b和3c分别显示了按照本发明优选实施方式所设计的多个小口径收集子探头的布置方案图；

图4是利用本发明的测试系统对微合金钢样品执行远程LIBS所获得的光谱图；

图5是分别采用了1-5个小口径收集子探头，相应对同一微合金钢样品所各自获得的光谱强度对比图，其中选取Mn元素403.075nm、403.30nm和403.44nm三条谱线的强度和为特征波长的强度；

图6是以3个小口径收集子探头为例，相应对7份微合金钢样品所各自获得的光谱强度对比图，其中选取Mn元素403.075nm、403.30nm和403.44nm三条谱线的强度和为特征波长的强度；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-脉冲激光器；2-扩束镜；3-调焦镜组；4-第一二向色镜；5-第二二向色镜；6-探测对象；7-多路光信号收集单元；8-光谱仪；9-增强型电耦合器件；10-中央处理单元；11-子收集探头；12-分光纤合束通道；13-光纤合束器；14-传输光纤

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。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。

图1是按照本发明优选实施方式所构建的具备多探头光信号收集单元的远程LIBS测试系统的整体构造示意图，图2更为具体地显示了图1中所示多路光信号收集单元的结构组成示意图。如图1和图2中所示，该远程LIBS测试系统主要包括脉冲激光器1、扩束镜2、调焦镜组3、第一二向色镜4、第二二向色镜5、多路光信号收集单元7和光谱仪8等组成元件，下面将对其进行具体解释说明。

脉冲激光器1譬如可选用纳秒激光器，也可以采用皮秒或飞秒激光器。激光输出波长优选为1064nm。根据不同的检测对象，激光单脉冲能量可在几毫焦至几百毫焦范围进行灵活调节。在使用时，它用于发射所需脉冲能量和波长的激光光束，这些激光光束首先通过扩束镜2执行扩束处理，然后沿着光轴传播透过调焦镜组3以实现光束在不同位置的聚焦。在此过程中，扩束镜优选可采用紫外石英材质，并将其入瞳口径设定为大于激光器的光斑，相应在按照本发明所构建的测试系统中，能够有效减小光束发散角，实现聚焦光斑更小的目的。此外，为实现远程LIBS系统检测距离的灵活调节，可通过调节调焦系统镜组间距来改变光路系统的焦距。优选地，调焦镜组3的透镜均镀有1064nm高透膜，以便提高透过率，有效地减小了光能损失。

所述第一二向色镜4、第二二向色镜5与光轴呈一定夹角且相互平行地设置在所述调焦镜组3的后方，由此将激光光束远程传播及会聚在被测对象6表面上的一点来形成等离子体光信号，同时将该等离子体光信号予以反向传播。如图1中所示，这两个二向色镜譬如可镀有1064nm高反膜及200-800nm高透膜，它们在竖直方向上处于同一光轴上，并将激光光束执行光路转化后准确会聚在被测对象6上；同样，等离子体光信号反向通过这两个二向色镜，然后到达多路光信号收集单元7。

作为本发明的关键改进之一，多路光信号收集单元7与调焦镜组3设置在同一光轴上，并用于对反向传播的等离子体光信号执行收集。具体如图2中所示，该光信号收集单元可以包括多个子收集探头11、分别与各个子收集探头对应连接的分光纤合束器通道12、将所有分光纤信号进行合束的光纤合束器13，以及将合路光信号传送至所述光谱仪8的传输光纤14。需要特别指出的是，所述子收集探头均由直径为6mm～50mm的小口径透镜组成,进一步优选均由10mm～20mm的小口径透镜组成，以此替代现有设备中的单个或多个大口径光学元件，所采集的多路光信号经多束光纤传输，在光纤合束器的作用下合并为一路，传输到光谱仪中进行分光，相应不仅有效提高了LIBS信号的收集效率，而且还能够进一步增强收集信号和提高检测精度。

上述测试系统还可以配备有增强型电耦合器件(ICCD)9和中央处理单元10，其中该增强型电耦合器件9用于对所述光谱仪执行分光处理后的等离子体光信号执行光电转换，然后由所述中央处理单元10来分析其光谱信号且予以输出。更具体地，中央处理单元譬如为计算机，ICCD用于实现光谱信号的光电转换，并且在本发明中，可通过设置ICCD探测器的增益大小和门宽时间来获得最佳光谱数据，同时通过调节光学系统和脉冲激光能量等参数选择最佳实验参数，对待测物质进行质量可控的定性、定量分析。

下面将结合具体实施例来进一步解释按照本发明的测试系统的工作过程。

实施例1

首先，选择圆柱形微合金钢样品(GSB 03-2453-2008国家标准样品)，保证两个圆平面平行，并且对其中一个圆平面进行细致打磨和抛光处理，保证样品表面的平整和光滑，并且以打磨面作为检测面，完成微合金钢样品的准备工作。

接着，检查远程激光探针分析仪的各个光学元件是否无损伤划伤，激光脉冲是否准确聚焦于探测样品表面，等离子体信号收集光路系统是否正常收集等离子体光信号，光谱仪工作是否正常。

接着，光谱采集在空气环境下进行，实验装置如图1所示。譬如采用调Q开关Nd：YAG脉冲激光器作为激发光源，激发出的等离子体辐射光由多路光信号收集单元收集并传输至光谱仪8(波长范围200-850nm)。本次光谱数据采集距离为2米(即第二二向色镜5到被测对象6之间的水平的距离)。为获得最佳的光谱强度和光谱信背比，本实施例中优选将激光脉冲能量设为60mJ，延时和门宽分别设为3μs和16us。在以上工艺参数下，采集标准样品微合金钢的等离子体光谱，相应获得如图4所示的微合金钢样品LIBS光谱图，结果表明按照本发明可高效实现对探测距离不确定的各类被测对象的远程检测。

按照本发明的一个优选实施方式，如图3a至3c所示，显示了对所述子收集探头的数量及其具体排列方式的进一步优选设计。如图所示，其总数量优选譬如为5个，并且除了常规的全体呈直线式排列之外，还可以将其设计为：它们中的一个被布置在平面中心，其余四个均匀围绕布置在其四周；或者它们中的三个呈直线布置在平面上侧，其余两各呈直线布置在下侧。实际测试表明，上述数量及排列方式有助于进一步确保稳定可靠地执行远程LIBS测试工艺，并充分发挥多个小口径收集子探头的组合采集效果。

为了更为清晰地证明上述结论，可分别采集国家标准微合金钢样品(1#-7#)来获得光谱数据。采集方式分别采用按照本发明所设计的1-5个相同的收集子探头收集光谱数据，每个样品采集10幅光谱图。本次实例中选取Mn元素403.075nm,403.30nm,403.44nm三条谱线的强度和为特征波长的强度。选取7号样品为例，其在1-5个收集探头下光谱强度对比如图5所示。从图5可以明显看出，多个收集子探头的情况下光谱强度明显增强，等离子体信号收集效率和强度获得进一步提升。

实施例2

此外，还可以分别利用3个收集子探头和望远镜系统对微合金钢中微量元素进行对比检测。这里3个收集探头可设计为尺寸不同(两个2英寸，一个1英寸)，但合尺寸大小和望远镜主镜片尺寸相同，具有对比意义。具体操作步骤如下：

首先，选择圆柱形微合金钢样品(GSB 03-2453-2008国家标准样品)，保证两个圆平面平行，并且对其中一个圆平面进行细致打磨和抛光处理，保证样品表面的平整和光滑，并且以打磨面作为检测面，完成微合金钢样品的准备工作。

接着，检查远程激光探针分析系统的各个光学元件是否无损伤划伤，激光脉冲是否准确聚焦于探测样品表面，等离子体信号收集光路系统是否正常收集等离子体光信号，光谱仪工作是否正常。望远镜系统各元件是否无损伤，安装方式是否恰当。

接着，光谱采集在空气环境下进行，实验装置如图1所示。譬如可采用调Q开关Nd：YAG脉冲激光器作为激发光源，激发出的等离子体辐射光由多路光信号收集单元收集并传输至光谱仪8(波长范围200-850nm)。本次光谱数据采集距离为2米；为获得最佳的光谱强度和光谱信背比，激光脉冲能量优选设为60mJ，延时和门宽分别设为3μs和16us。在以上工艺参数下，采集标准样品微合金钢的等离子体光谱。

分别采集国家标准微合金钢样品(1#-7#)光谱数据。采集方式分别采用：(一)3个收集探头收集光谱数据，每个样品采集10幅光谱图；(二)望远镜镜筒收集光谱数据，每个样品采集10幅光谱图。望远镜譬如为Memade商用望远镜。本次实例中选取Mn元素403.075nm,403.30nm,403.44nm三条谱线的强度和为特征波长的强度。选取1#-7#样品，其在3个收集探头下光谱强度与望远镜系统收集光谱强度对比具体如图6所示。从图中可以看出，即便在采用3个收集子探头的情况下，其光谱强度比相同尺寸望远镜光谱强度明显增强，等离子体信号收集效率同步获得提高。

综上，通过本发明所构建的整体系统结构紧凑、便于操控，在实际应用中不仅利于灵活调节，而且可高效实现对探测距离不确定的各类被测对象的远程检测，因而尤其适用于辐射、高温、爆炸及深空等环境的远程检测场合。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。