一种激光诱导击穿光谱气溶胶元素成分实时监测装置及方法

1.本发明属于环境污染监测技术领域，更具体地，涉及一种激光诱导击穿光谱气溶胶元素成分实时监测装置及方法。


背景技术：

2.气溶胶是由微小的液滴或固体颗粒分散在气态介质中所组成的胶体。按照颗粒物的来源可以分为自然气溶胶和人工气溶胶，前者可来源于自然风扬起的灰尘、海水蒸发后的盐结晶和火山爆发等，后者可来源于交通运输、火力发电与工业生产尾气排放的烟尘等。气溶胶的化学成分非常复杂并随时空变化而剧烈变化，对生态环境与人类健康影响甚大。因而对气溶胶的成分的实时监测是治理气溶胶污染的迫切需要。
3.传统的气溶胶成分分析方法主要有电感耦合等离子体质谱法(icp-ms)、电感耦合等离子体发射光谱法(icp-oes)、原子吸收光谱法(aas)等，这些方法均存在气溶胶采样时间长、需要样品前处理、耗时长的缺点，不适合用于气溶胶成分的实时监测。激光诱导击穿光谱(laser-induced breakdown spectroscopy，简称libs)技术，是一种能够进行实现元素快速检测的新技术，其通过高能激光在样品表面激发等离子体，采集和分析等离子体发射光谱，从而获取物质中各元素的种类和含量信息。libs技术具有快速、实时、原位、全元素同时检测的优点，因此该检测技术被广泛用于多个技术领域。
4.然而在利用libs技术对气溶胶进行原位在线分析时，由于气溶胶颗粒尺寸微小，激光烧蚀后来源于待测物质的发光粒子数量较少，导致待测物质libs光谱较微弱，因此libs光谱的高效收集对于气溶胶成分的高灵敏度、精确分析至关重要。典型的libs光谱波长范围通常为200到900nm，覆盖紫外-可见光-近红外波段，常规的双平凸透镜采集方式对如此宽波段的光谱存在较大色差，导致光纤耦合效率低，大量有效光谱信号损失，难以进行后续的元素成分分析。


技术实现要素：

5.针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种激光诱导击穿光谱气溶胶元素成分实时监测装置及方法，利用本发明所述高效光谱收集模块，对libs紫外、可见光、近红外三个波段的光谱进行分离并采用消色差透镜分别耦合进三通道光纤光谱仪，三个通道采集波段分别覆盖紫外、可见光、近红外波段，从而极大地降低光谱采集光路中色差对光谱采集效率的影响，实现气溶胶的libs高灵敏度在线监测。
6.为实现上述目的，本发明提供了一种激光诱导击穿光谱气溶胶元素成分实时监测装置，包括气溶胶进样模块、激光激发模块、高效光谱收集模块、三通道光纤光谱仪和计算机；
7.所述气溶胶进样模块包括气溶胶收集器、检测腔室和抽气泵，用于对大气环境中的气溶胶进行实时采集，在检测腔室内形成气溶胶柱；所述激光激发模块用于发射高能量脉冲激光束，对检测腔室内的气溶胶进行聚焦烧蚀并产生等离子体；所述高效光谱收集模
块用于将等离子体的紫外、可见光和近红外辐射进行分离，再分别通过光纤耦合进三通道光纤光谱仪；所述三通道光纤光谱仪为包含覆盖紫外、可见光和近红外波段三个通道的光纤光谱仪，用于分别对等离子体不同波段的光辐射进行分光，并将不同波长的光信号转化为电信号；计算机用于将电信号解析为光谱，并进行存储和分析。
8.进一步地，所述激光激发模块，包括脉冲激光器和激光聚焦透镜，激光聚焦镜镶嵌于检测腔室壁上，其中心与脉冲激光器所产生的激光束中心轴重合，其镜面与激光束传输方向夹角为90
°
，用于将激光束会聚于检测腔室内的气溶胶柱上，对气溶胶柱进行烧蚀并形成等离子体。
9.进一步地，所述高效光谱收集模块包括准直透镜、第一二向色镜、第二二向色镜、第一消色差透镜、第二消色差透镜、第三消色差透镜、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、第三光纤耦合器以及光纤；准直透镜镶嵌于检测腔室壁上，其与激光聚焦镜位于气溶胶柱的对侧，其中心与脉冲激光器所产生的激光束中心轴重合，其镜面与激光束传输方向夹角为90
°
，其焦点与等离子体中心重合，用于将等离子体的紫外、可见光和近红外辐射准直为平行光束；第一二向色镜位于准直透镜所准直的等离子体平行光束的传输方向上，其镜面与平行光束传输方向夹角为45
°
，用于使紫外辐射光束的前进方向发生90
°
的偏转，可见光和近红外辐射光束可直接透过第一二向色镜；第一消色差透镜位于紫外辐射光束的反射光路上，其中心轴与紫外辐射光束的中心轴重合，用于将紫外辐射光束会聚于第一光纤耦合器上，并通过光纤将紫外辐射传输于三通道光谱仪的紫外波段通道中；第二二向色镜位于透过第一二向色镜的可见光和近红外辐射光束的传输方向上，镜面与光束传输方向夹角为45
°
，用于使可见光辐射光束的前进方向发生90
°
的偏转，近红外辐射光束可直接透过第二二向色镜；第二消色差透镜位于可见光辐射光束的反射光路上，其中心轴与可见光辐射光束的中心轴重合，用于将可见光辐射光束会聚于第二光纤耦合器上，并通过光纤将紫外辐射传输于三通道光谱仪的可见光波段通道中；第三消色差透镜位于透过第二二向色镜的近红外辐射光束的传输光路上，其中心轴与近红外辐射光束的中心轴重合，用于将近红外辐射光束会聚于第三光纤耦合器上，并通过光纤将近红外辐射传输于三通道光谱仪的近红外波段通道中。
10.利用本发明所提供的激光诱导击穿光谱气溶胶元素成分实时监测装置进行检测前，需先检查激光聚焦镜、准直透镜、第一二向色镜、第二二向色镜、第一消色差透镜、第二消色差透镜、第三消色差透镜、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、第三光纤耦合器是否无损伤，脉冲激光器、三通道光纤光谱仪以及计算机是否能正常工作；气溶胶进样模块是否无破损无堵塞。
11.实时监测方法为：首先，启动气溶胶进样模块，实时从大气环境中采集气溶胶，在检测腔室内形成气溶胶柱；然后通过计算机设置三通道光纤光谱仪采集参数，包括采集延时时间和积分时间；紧接着打开脉冲激光器，脉冲激光器产生激光束经过激光聚焦透镜会聚后烧蚀气溶胶柱，产生等离子体，等离子体光辐射经过高效光谱收集模块后被分离成紫外、可见光、近红外三个波段的光辐射；同时脉冲激光器向三通道光纤光谱仪发送高电平信号，光谱仪接收到高电平信号后开始采集，三个通道分别采集高效光谱收集模块分光后的紫外、可见光、近红外三个波段光辐射，并将光信号转化为电信号，传输至计算机；计算机将光谱仪传输来的电信号解析为光谱并进行存储和分析，最终获得气溶胶中各元素的种类与
含量信息。
12.本发明所提供的激光诱导击穿光谱气溶胶元素成分实时监测装置，通过所述高效光谱收集模块对libs紫外、可见光、近红外三个波段的光辐射进行分离并采用消色差透镜分别耦合进三通道光纤光谱仪，三个通道分别覆盖紫外、可见光、近红外波段，从而极大地降低光谱采集光路中色差对光谱采集效率的影响，有效提高libs气溶胶成分分析的灵敏度。此外所述高效光谱收集模块仅使用一个准直透镜、两个二向色镜、三个消色差透镜、无其他复杂光路系统，因而结构简单紧凑，有利于实际工业应用中的使用与维护。
13.优选地，所述脉冲激光器为高能量nd:yag纳秒脉冲调q激光器。
14.优选地，所述激光聚焦透镜为镀有激光增透膜的非球面平凸透镜。
15.优选地，所述准直透镜为紫外熔融石英非球面平凸透镜。
16.优选地，所述第一、第二、第三消色差透镜为双胶合消色差透镜。
17.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
18.(1)本发明所提供的激光诱导击穿光谱气溶胶元素成分实时监测装置，通过所述高效光谱收集模块对libs紫外、可见光、近红外三个波段的光辐射进行分离并采用消色差透镜分别耦合进三通道光纤光谱仪，三个通道分别覆盖紫外、可见光、近红外波段，从而极大地降低光谱采集光路中色差对光谱采集效率的影响，有效提高libs气溶胶成分分析的灵敏度。
19.(2)本发明所提供的激光诱导击穿光谱气溶胶元素成分实时监测装置，其高效光谱收集模块仅使用一个准直透镜、两个二向色镜、三个消色差透镜、无其他复杂光路系统，因而结构简单紧凑，整体体积较小，有利于实际工业应用中的使用与维护。
20.(3)本发明公开了一种激光诱导击穿光谱气溶胶元素成分实时监测装置，所述装置包括气溶胶进样模块、激光激发模块、高效光谱收集模块、三通道光纤光谱仪和计算机；所述气溶胶进样模块用于对大气环境中的气溶胶进行实时采集，并输送至检测腔室；所述激光激发模块用于发射高能量脉冲激光束，对检测腔室内的气溶胶进行聚焦烧蚀并产生等离子体；所述高效光谱收集模块用于将等离子体的紫外、可见光和近红外辐射进行分离，并分别通过光纤耦合进三通道光纤光谱仪；所述三通道光纤光谱仪用于分别对等离子体不同波段的光辐射进行分光，并将不同波长的光信号转化为电信号；计算机用于将电信号解析为光谱，并进行存储和分析。利用本发明的激光诱导击穿光谱气溶胶元素成分实时监测装置，能够更快速、灵敏地实时监测气溶胶的元素成分。
附图说明
21.图1为本发明实施例提供的激光诱导击穿光谱气溶胶元素成分实时监测装置示意图，其中：1为激光激发模块，2为脉冲激光器，3为计算机，4为气溶胶进样模块，5为检测腔室，6为激光聚焦透镜，7为抽气泵，8为气溶胶收集器，9为准直透镜，10为第一二向色镜，11为第一消色差透镜，12为第一光纤耦合器，13为高效光谱收集模块，14为第二二向色镜，15为第二消色差透镜，16为第二光纤耦合器，17为第三消色差透镜，18为三通道光纤光谱仪，19为第三光纤耦合器。
具体实施方式
22.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。
23.包括气溶胶进样模块、激光激发模块、高效光谱收集模块、三通道光纤光谱仪和计算机；
24.所述气溶胶进样模块包括气溶胶收集器、检测腔室和抽气泵，气溶胶进样模块用于对大气环境中的气溶胶进行实时采集，具体为：通过抽气泵将大气环境中的气溶胶收集经过气溶胶收集器后在检测腔室内形成气溶胶柱，气溶胶收集器与检测腔室之间通过管路连接，检测腔室与抽气泵之间通过管路连接；
25.所述激光激发模块用于发射高能量脉冲激光束，对检测腔室内的气溶胶进行聚焦烧蚀并产生等离子体；
26.所述高效光谱收集模块用于将等离子体的紫外、可见光和近红外辐射进行分离，再分别通过光纤耦合进三通道光纤光谱仪；
27.所述三通道光纤光谱仪为包含覆盖紫外、可见光和近红外波段三个通道的光纤光谱仪，用于分别对等离子体不同波段的光辐射进行分光，并将不同波长的光信号转化为电信号；
28.计算机与三通道光纤光谱仪通过usb数据线连接，用于调整光谱仪的采集参数，控制光谱仪启停，将传输来的电信号解析为光谱并进行存储和分析；
29.所述激光激发模块包括脉冲激光器和激光聚焦透镜，激光聚焦透镜镶嵌于检测腔室的侧壁上，激光聚焦透镜的中心与脉冲激光器所产生的激光束中心轴重合，激光聚焦透镜的镜面与激光束传输方向夹角为90
°
，用于将激光束会聚于检测腔室内的气溶胶柱上，对气溶胶柱进行烧蚀并形成等离子体；脉冲激光器还与三通道光纤光谱仪相电连接，激光器在发生激光束的同时向光谱仪发送高电平信号，用于触发光谱仪开始采集。
30.所述高效光谱收集模块包括准直透镜、第一二向色镜、第二二向色镜、第一消色差透镜、第二消色差透镜、第三消色差透镜、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、第三光纤耦合器以及光纤；准直透镜镶嵌于检测腔室的侧壁上，准直透镜与激光聚焦镜位于气溶胶柱的对侧，准直透镜的中心与脉冲激光器所产生的激光束中心轴重合，准直透镜的镜面与激光束传输方向夹角为90
°
，准直透镜的焦点与等离子体中心重合，用于将等离子体的紫外、可见光和近红外辐射准直为平行光束；第一二向色镜位于准直透镜所准直的等离子体平行光束的传输方向上，第一二向色镜的镜面与平行光束传输方向夹角为45
°
，用于使紫外辐射光束的前进方向发生90
°
的偏转，可见光和近红外辐射光束可直接透过第一二向色镜；第一消色差透镜位于紫外辐射光束的反射光路上，第一消色差透镜的中心轴与紫外辐射光束的中心轴重合，用于将紫外辐射光束会聚于第一光纤耦合器上，并通过光纤将紫外辐射传输于三通道光纤光谱仪的紫外波段通道中；第二二向色镜位于透过第一二向色镜的可见光和近红外辐射光束的传输方向上，镜面与光束传输方向夹角为45
°
，用于使可见光辐射光束的前进方向发生90
°
的偏转，近红外辐射光束可直接透过第二二向色镜；第二消色差透镜位于可见光辐射光束的反射光路上，其中心轴与可见光辐射光束的中心轴重合，用于将可见光辐
射光束会聚于第二光纤耦合器上，并通过光纤将紫外辐射传输于三通道光纤光谱仪的可见光波段通道中；第三消色差透镜位于透过第二二向色镜的近红外辐射光束的传输光路上，其中心轴与近红外辐射光束的中心轴重合，用于将近红外辐射光束会聚于第三光纤耦合器上，并通过光纤将近红外辐射传输于三通道光纤光谱仪的近红外波段通道中。
31.实施例
32.本发明提供的激光诱导击穿光谱气溶胶元素成分实时监测装置，如图1所示，包括：气溶胶进样模块4、激光激发模块1、高效光谱收集模块13、三通道光纤光谱仪18和计算机3；所述气溶胶进样模块4包括气溶胶收集器8、检测腔室5和抽气泵7，用于对大气环境中的气溶胶进行实时采集，在检测腔室5内形成气溶胶柱；所述激光激发模块1用于发射高能量脉冲激光束，对检测腔室5内的气溶胶进行聚焦烧蚀并产生等离子体；所述高效光谱收集模块13用于将等离子体的紫外、可见光和近红外辐射进行分离，再分别通过光纤耦合进三通道光纤光谱仪18；所述三通道光纤光谱仪18为包含覆盖紫外、可见光和近红外波段三个通道的光纤光谱仪，用于分别对等离子体不同波段的光辐射进行分光，并将不同波长的光信号转化为电信号；计算机3与三通道光纤光谱仪18通过usb数据线连接，用于调整光谱仪的采集参数，控制光谱仪启停，将传输来的电信号解析为光谱并进行存储和分析。
33.所述激光激发模块1，包括脉冲激光器2和激光聚焦透镜6，激光聚焦镜6镶嵌于检测腔室壁上，其中心与脉冲激光器2所产生的激光束中心轴重合，其镜面与激光束传输方向夹角为90
°
，用于将激光束会聚于检测腔室5内的气溶胶柱上，对气溶胶柱进行烧蚀并形成等离子体；脉冲激光器2还与三通道光纤光谱仪18相电连接，激光器在发生激光束的同时向光谱仪发送高电平信号，用于触发光谱仪开始采集。
34.在本实施例中，脉冲激光器2产生的激光束波长为532nm，出光频率为10hz，单个脉冲激光束能量为200mj，光斑直径为8mm；激光聚焦透镜6为镀有532nm激光增透膜的平凸透镜，直径为25.4mm，焦距为75cm；三通道光纤光谱仪18包含覆盖紫外、可见光和近红外波段三个通道，紫外通道采集波段覆盖250-350nm，可见光通道采集波段覆盖350-750nm，近红外通道采集波段覆盖750-900nm。每个通道内均采用m型czerny-turner分光光路和4096像素的cmos线阵。
35.所述高效光谱收集模块包括准直透镜9、第一二向色镜10、第二二向色镜14、第一消色差透镜11、第二消色差透镜15、第三消色差透镜17、第一光纤耦合器12、第二光纤耦合器16、第三光纤耦合器19以及光纤；准直透镜9镶嵌于检测腔室5壁上，其与激光聚焦镜6位于气溶胶柱的对侧，其中心与脉冲激光器2所产生的激光束中心轴重合，其镜面与激光束传输方向夹角为90
°
，其焦点与等离子体中心重合，用于将等离子体的紫外、可见光和近红外辐射准直为平行光束；第一二向色镜10位于准直透镜所准直的等离子体平行光束的传输方向上，其镜面与平行光束传输方向夹角为45
°
，用于使紫外辐射光束的前进方向发生90
°
的偏转，可见光和近红外辐射光束可直接透过第一二向色镜10；第一消色差透镜11位于紫外辐射光束的反射光路上，其中心轴与紫外辐射光束的中心轴重合，用于将紫外辐射光束会聚于第一光纤耦合器12上，并通过光纤将紫外辐射传输于三通道光纤光谱仪18的紫外波段通道中；第二二向色镜14位于透过第一二向色镜的可见光和近红外辐射光束的传输方向上，镜面与光束传输方向夹角为45
°
，用于使可见光辐射光束的前进方向发生90
°
的偏转，近红外辐射光束可直接透过第二二向色镜14；第二消色差透镜15位于可见光辐射光束的反射
光路上，其中心轴与可见光辐射光束的中心轴重合，用于将可见光辐射光束会聚于第二光纤耦合器16上，并通过光纤将紫外辐射传输于三通道光纤光谱仪18的可见光波段通道中；第三消色差透镜17位于透过第二二向色镜14的近红外辐射光束的传输光路上，其中心轴与近红外辐射光束的中心轴重合，用于将近红外辐射光束会聚于第三光纤耦合器19上，并通过光纤将近红外辐射传输于三通道光纤光谱仪18的近红外波段通道中。
36.在本实施例中，准直透镜9为平凸透镜，直径为25.4mm，焦距为75cm；第一二向色镜10的直径为50.8mm，反射波段为250-350nm，透过波段为350-900nm；第二二向色镜14的直径为50.8mm，反射波段为350-700nm，透过波段为700-900nm；第一消色差透镜为双胶合消色差透镜，直径为25.4mm，消色差波段为250-350nm；第二消色差透镜为双胶合消色差透镜，直径为25.4mm，消色差波段为350-700nm；第三消色差透镜为双胶合消色差透镜，直径为25.4mm，消色差波段为700-900nm。
37.利用本发明所提供的激光诱导击穿光谱气溶胶元素成分实时监测装置进行检测前，需先检查激光聚焦镜6、准直透镜9、第一二向色镜10、第二二向色镜14、第一消色差透镜11、第二消色差透镜15、第三消色差透镜17、第一光纤耦合器12、第二光纤耦合器16、第三光纤耦合器19是否无损伤，脉冲激光器2、三通道光纤光谱仪18以及计算机3是否能正常工作；气溶胶进样模块4是否无破损无堵塞。
38.首先，启动气溶胶进样模块4，实时从大气环境中采集气溶胶，在检测腔室5内形成气溶胶柱；然后通过计算机3设置三通道光纤光谱仪18采集参数，包括采集延时时间和积分时间；紧接着打开脉冲激光器2，脉冲激光器产生激光束经过激光聚焦透镜6会聚后烧蚀气溶胶柱，产生等离子体，等离子体光辐射经过高效光谱收集模块13后被分离成紫外、可见光、近红外三个波段的光辐射；同时脉冲激光器2向三通道光纤光谱仪18发送高电平信号，光谱仪接收到高电平信号后开始采集，三个通道分别采集高效光谱收集模块13分光后的紫外、可见光、近红外三个波段光辐射，并将光信号转化为电信号，传输至计算机3；计算机3将光谱仪传输来的电信号解析为光谱并进行存储和分析，最终获得气溶胶中各元素的种类与含量信息。
39.本发明所提供的激光诱导击穿光谱气溶胶元素成分实时监测装置，通过所述高效光谱收集模块对libs紫外、可见光、近红外三个波段的光辐射进行分离并采用消色差透镜分别耦合进三通道光纤光谱仪，三个通道分别覆盖紫外、可见光、近红外波段，从而极大地降低光谱采集光路中色差对光谱采集效率的影响，有效提高libs气溶胶成分分析的灵敏度。此外所述高效光谱收集模块仅使用一个准直透镜、两个二向色镜、三个消色差透镜、无其他复杂光路系统，因而结构简单紧凑，有利于实际工业应用中的使用与维护。
40.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。