用激光烧蚀点漫反射光产生光谱仪触发脉冲的装置及方法与流程

本发明属于激光诱导击穿光谱(libs)测量领域。特别涉及一种用激光烧蚀点漫反射光产生光谱仪触发脉冲的装置及方法。尤其涉及一种使用高能脉冲激光作用在金属物体上的烧蚀点的漫反射光来快速产生用于触发光谱仪的脉冲信号的装置。

背景技术：

在libs测量领域中，从激光器产生触发光谱仪的脉冲信号的方法一般都是使用分光镜对未聚焦的高能脉冲激光进行分光，再用光电转换和处理电路获得脉冲信号，以触发光谱仪来采集激光聚焦在物体上烧蚀所产生的等离体光谱。本发明提供一种新型光电转换和处理装置及方法，它不需分光镜等部件，而直接使用高能脉冲激光作用在金属物体上的烧蚀点的漫反射光来产生用于触发光谱仪的脉冲信号。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种用激光烧蚀点漫反射光产生光谱仪触发脉冲的装置及方法，解决了在光路上需分光镜等部件而导致系统复杂的问题。

一种用激光烧蚀点漫反射光产生光谱仪触发脉冲的装置，由高速光电转换电路21、高速运算放大电路22、高速比较电路23和电源电路24组成。高速光电转换电路21和高速运算放大电路22通过高频同轴电缆相连，高速运算放大电路22和高速比较电路23通过高频同轴电缆相连，高速光电转换电路21、高速运算放大电路22、高速比较电路23分别都和电源电路24通过普通电缆相连。

电源电路24由+12v电源、+5v电源和-5v电源组成，这三个电源的负极连接在一起形成公共的电源地。电源电路24负责向高速光电转换电路21、高速运算放大电路22和高速比较电路23供电。

高速光电转换电路21由光电二极管d1和电阻r1构成。光电二极管d1的阴极和+12v电源的正极相连，光电二极管d1的阳极和电阻r1的一端相连，电阻r1的另一端和电源地相连；光电二极管d1的阳极即输出信号。高速光电转换电路21通过光电二极管d1接收脉冲激光汇聚在物体上所产生的漫反射光，将此光信号转换为脉宽为脉冲小信号，通过光电二极管d1的阳极输出。

高速运算放大电路22由运算放大芯片u1、电阻r2、电阻r3、电阻r4、电容c1和电容c2构成。电阻r2的一端和电源地相连，电阻r2的另一端同时和运算放大芯片u1的3^#脚及高速光电转换电路21输出的脉冲小信号相连；电阻r3的一端和电源地相连，电阻r3的另一端同时和运算放大芯片u1的2^#脚及电阻r4的一端相连，电阻r4的另一端和运算放大芯片u1的6^#脚相连，运算放大芯片u1的6^#脚即是高速运算放大电路23的输出信号；运算放大芯片u1的7^#脚同时接+5v电源的正极和电容c3的一端及电容c4的一端，电容c3和电容c4的另一端都连接到电源地；运算放大芯片u1的4^#脚同时接-5v电源的正极和电容c1的一端及电容c2的一端，电容c1和电容c2的另一端都接到电源地。高速运算放大电路22将高速光电转换电路21产生的脉冲小信号放大为脉冲大信号。

高速比较电路23由比较芯片u2、稳压管z1、二极管d2、二极管d3、电阻r5、电阻r6、电阻r7和电位器r8组成。比较芯片u2的第三脚3同时和电阻r5及电阻r6的一端相连，电阻r5的另一端和高速运算放大电路22输出的脉冲大信号相连，电阻r6的另一端和电源地相连；比较芯片u2的第八脚8和比较芯片u2的第四脚4及二极管d2的阳极相连，二极管d2的阴极连接到电源地；比较芯片u2的第七脚7和二极管d3的阴极相连，二极管d3的阳极和+5v电源的正极相连；比较芯片u2的第二脚2和电位器r8的抽头相连，电位器r8的另外两端分别和稳压管z1的阴极和阳极相连。稳压管z1的阳极和电源地相连，稳压管z1的阴极和电阻r7的一端相连，电阻r7的另一端和+5v电源的正极相连。高速比较电路23将高速运算放大电路22输出的脉冲大信号与固定值电平做比较，产生逻辑门电路(ttl)脉冲输出信号。

一种用激光烧蚀点漫反射光产生光谱仪触发脉冲的装置的使用方法，具体步骤及参数如下：

1、确保具有8～20ns脉宽、532nm/1064nm波长、100～2000mj级能量脉冲的激光器按1～100hz重复率周期地发出脉冲激光，并聚焦在金属物体表面下1～5mm深度，使得金属物体表面形成烧蚀点；

2、连接好用激光烧蚀点漫反射光产生光谱仪触发脉冲的装置；

3、在装置断电情况下，将高速光电转换电路21的光电二极管d1轴线对准激光聚焦在金属物体上的烧蚀点，使光电二极管d1和烧蚀点相聚300～500mm。

4、给装置加电，使装置启动。

5、激光作用在烧蚀点上的漫反射光会立即到达高速光电转换电路21的光电二极管d1，光电二极管d1将此光信号转换为脉宽为8ns～20ns、电压峰值为100～500mv的脉冲小信号，通过光电二极管d1的阳极输出到高速放电电路22；

6、高速光电转换电路21输出的脉冲小信号经过高速放大电路22放大10～100倍后输出脉冲大信号到高速比较电路23。

7、高速比较电路23将来自高速运算放大电路22的脉冲大信号与比较芯片u2的第二脚2的0.5～2v的固定值电平做比较，产生高电平为3.6v～4v、低电平为0～0.7v、脉宽为60ns～100us的脉冲输出信号。这里的固定值电平由电阻r8调整而得到。

8、高速比较电路23输出的信号即可用于触发光谱仪采集烧蚀点的等离子体信号。

本发明的优点在于，结构简单，使用方便，成本合理。

附图说明

图1为用激光烧蚀点漫反射光产生光谱仪触发脉冲的装置。其中，高速光电转换电路21、高速运算放大电路22、高速比较电路23、电源电路24。

图2为高速光电转换电路。其中，光电二极管d1，电阻r1。

图3为高速运算放大电路。其中，运算放大芯片u1。

图4为高速比较电路。其中，比较芯片u2、比较芯片u2的第一脚1、比较芯片u2的第二脚2、比较芯片u2的第三脚3、比较芯片u2的第四脚4、比较芯片u2的第五脚5、比较芯片u2的第六脚6、比较芯片u2的第七脚7、比较芯片u2的第八脚8、稳压管z1、电位器r8。

具体实施方式

一种用激光烧蚀点漫反射光产生光谱仪触发脉冲的装置，由高速光电转换电路21、高速运算放大电路22、高速比较电路23和电源电路24组成。高速光电转换电路21和高速运算放大电路22通过高频同轴电缆相连，高速运算放大电路22和高速比较电路23通过高频同轴电缆相连，高速光电转换电路21、高速运算放大电路22、高速比较电路23分别都和电源电路24通过普通电缆相连。

电源电路24由+12v电源、+5v电源和-5v电源组成，这三个电源的负极连接在一起形成公共的电源地。电源电路24负责向高速光电转换电路21、高速运算放大电路22和高速比较电路23供电。

高速光电转换电路21由光电二极管d1和电阻r1构成。光电二极管d1的阴极和+12v电源的正极相连，光电二极管d1的阳极和电阻r1的一端相连，电阻r1的另一端和电源地相连；光电二极管d1的阳极即输出信号。高速光电转换电路21通过光电二极管d1接收脉冲激光汇聚在物体上所产生的漫反射光，将此光信号转换为脉宽为脉冲小信号，通过光电二极管d1的阳极输出。

高速运算放大电路22由运算放大芯片u1、电阻r2、电阻r3、电阻r4、电容c1和电容c2构成。电阻r2的一端和电源地相连，电阻r2的另一端同时和运算放大芯片u1的3^#脚及高速光电转换电路21输出的脉冲小信号相连；电阻r3的一端和电源地相连，电阻r3的另一端同时和运算放大芯片u1的2^#脚及电阻r4的一端相连，电阻r4的另一端和运算放大芯片u1的6^#脚相连，运算放大芯片u1的6^#脚即是高速运算放大电路23的输出信号；运算放大芯片u1的7^#脚同时接+5v电源的正极和电容c3的一端及电容c4的一端，电容c3和电容c4的另一端都连接到电源地；运算放大芯片u1的4^#脚同时接-5v电源的正极和电容c1的一端及电容c2的一端，电容c1和电容c2的另一端都接到电源地。高速运算放大电路22将高速光电转换电路21产生的脉冲小信号放大为脉冲大信号。

高速比较电路23由比较芯片u2、稳压管z1、二极管d2、二极管d3、电阻r5、电阻r6、电阻r7和电位器r8组成。比较芯片u2的第三脚3同时和电阻r5及电阻r6的一端相连，电阻r5的另一端和高速运算放大电路22输出的脉冲大信号相连，电阻r6的另一端和电源地相连；比较芯片u2的第八脚8和比较芯片u2的第四脚4及二极管d2的阳极相连，二极管d2的阴极连接到电源地；比较芯片u2的第七脚7和二极管d3的阴极相连，二极管d3的阳极和+5v电源的正极相连；比较芯片u2的第二脚2和电位器r8的抽头相连，电位器r8的另外两端分别和稳压管z1的阴极和阳极相连。稳压管z1的阳极和电源地相连，稳压管z1的阴极和电阻r7的一端相连，电阻r7的另一端和+5v电源的正极相连。高速比较电路23将高速运算放大电路22输出的脉冲大信号与固定值电平做比较，产生逻辑门电路(ttl)脉冲输出信号。

按图1～图4连接装置，其中u1使用so-8封装的opa847；u2使用soic-8封装的tlv3501；d1采用gt102-φ0.20mm光电二级管；r1采用50ω、1w、axial0.4封装的金属膜电阻；r2、r3为50ω、1/4w、axial0.4封装的碳膜电阻；r4、r5为1kω、1/4w、axial0.4封装的碳膜电阻；c1、c2、c3、c4采用0.1ufrad0.2封装的无极性钽电容；r5为10kω、1/4w、axial0.4封装的碳膜电阻；电位器r8采用1kω多圈电位器3296；稳压管z1采用to92封装的lm336-2.5；二极管d2和d3采用axial0.4的in4148。高速光电转换电路21和高速运算放大电路22之间的连接电缆，及高速运算放大电路22和高速比较电路23之间的连接电缆，都采用1m长rg316高频同轴电缆；高速光电转换电路21、高速运算放大电路22、高速比较电路23这三者和电源电路24之间的电缆采用0.5m长带屏蔽2×1.0mm多芯电缆；电源电路24采用明纬开关电源net-35a。这样就形成了使用高能脉冲激光聚焦点的漫反射光来快速产生用于触发光谱仪的脉冲信号的装置。

接下来，按下面方法操作来使用装置。

1.确保具有10ns脉宽、1064nm波长、200mj能量脉冲的激光器按5hz重复率周期地发出脉冲激光，并聚焦在45^#钢板表面下3mm深度，使得钢板表面形成烧蚀点；

2.连接好用激光烧蚀点漫反射光产生光谱仪触发脉冲的装置；

3.在装置断电情况下，将高速光电转换电路21的光电二极管d1轴线对准激光聚焦在金属物体上的烧蚀点，使光电二极管d1和烧蚀点相聚400mm。

4.给装置加电，使装置启动。

5.激光作用在烧蚀点上的漫反射光会立即到达高速光电转换电路21的光电二极管d1，光电二极管d1将此光信号转换为脉宽为10ns、电压峰值为300mv的脉冲小信号，通过光电二极管d1的阳极输出到高速放电电路22；

6.高速光电转换电路21输出的脉冲小信号经过高速放大电路22放大21倍后输出脉冲大信号到高速比较电路23。

7.高速比较电路23将来自高速运算放大电路22的脉冲大信号与比较芯片u2的第二脚2的0.5～2v的固定值电平做比较，产生高电平为3.6v～4v、低电平为0～0.7v、脉宽为60ns～100us的脉冲输出信号。这里的固定值电平由电阻r8调整而得到。

8.高速比较电路23输出的信号即可用于触发光谱仪采集烧蚀点的等离子体信号。