一种便携式联合光谱检测系统

本发明涉及光谱检测，特别涉及一种便携式联合光谱检测系统。

背景技术：

1、如今，激光诱导击穿光谱(libs)是分析化学中广泛接受的技术，由于其快速响应和远距离检测能力，通常被认为是下一代重要的多元素分析方法。

2、激光诱导等离子体包含样品中的电子激发原子、离子和分子。这些激发态的粒子通过它们独特的光谱特征发射与样品材料成分相关的辐射。等离子体的发光可以在形成后的特定延迟时间进行检测和分析。激光诱导击穿光谱(libs)能够从任何物理相中快速获取定性和定量的多元素信息，而无需像原子吸收光谱法(aas)、电感耦合等离子体原子发射光谱法(icp-aes)、x射线荧光光谱法(xrf)和x射线衍射(xrd)等方法中那样进行复杂的样品制备。libs技术在过去多年中取得了显著的发展，除了作为元素鉴定工具外，libs还通过与其他敏感的分析技术(如拉曼光谱)结合，成为其他应用的补充工具。

3、拉曼光谱以非侵入性的方式提供样品的分子组成信息，它基于单色光的非弹性散射，通过检测由入射光和分析物分子之间的能量交换引起的频移来获得信息。拉曼光谱通过外部(晶格)和内部(分子)振动带、光谱中的带数目以及带的相对强度来提供关于样品组成的信息。因此，libs和拉曼技术的组合可以提供有关样品的更详细信息，包括元素和分子组成。这两种技术共同提供了关于样品的互补信息，并有助于揭示其固有性质的复杂性。

4、简而言之，libs对于检测金属元素比非金属元素具有更好的灵敏度。通过添加拉曼技术的特点，可以克服这个不足，拉曼技术可以从晶体中识别阴离子物种，并从拉曼活性的内部/晶格模式中确定晶体相。

5、虽然由于两种技术都可以通过单色激光激发并收集光谱信号来实现，应用在诸如地质勘测、考古学等现场检测中在理论上非常简单，但是对于现场的原位和远程分析的需求、对整体系统的轻便性和紧凑性的要求促使需要将这两种技术融合到一台仪器上。而由于在光谱范围、分辨率、功率密度、光收集效率、响应时间等基本要求方面的差异，设计一台单一仪器存在矛盾需求。因此，目前仍缺少能够同时实现拉曼光谱与libs同步采集的便携式光谱测量设备。

技术实现思路

1、本发明提供了一种便携式联合光谱检测系统，以解决目前仍缺少能够同时实现拉曼光谱与libs同步采集的便携式光谱测量设备的技术问题。

2、为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：

3、一种便携式联合光谱检测系统，包括：激发光模块、探头模块、信号传输模块以及信号处理与控制模块；其中，

4、所述激发光模块用于产生和调整激发光，并将产生的激发光耦合进所述探头模块；

5、所述探头模块用于将激发光入射到待测样品上，并从待测样品收集拉曼散射和激光诱导击穿等离子体的光信号，并将收集的信号传递给所述信号传输模块；

6、所述信号传输模块用于将所述探头模块采集的信号传输至所述信号处理与控制模块；

7、所述信号处理与控制模块用于根据所述探头模块采集的信号实现光谱检测。

8、进一步地，所述激发光模块包括：激光器、激光分束器、激光脉冲展宽器、激光脉冲延时器以及y形传输光纤；其中，

9、所述激光器用于产生激光；

10、所述y形传输光纤的两个输入端分别连接所述激光脉冲展宽器的输出端和所述激光脉冲延时器的输出端，所述y形传输光纤的输出端连接所述探头模块；

11、所述激光器产生的激光经所述激光分束器分为能量相等的第一激光和第二激光，第一激光经过所述激光脉冲展宽器后脉冲宽度变为50ns后进入所述y形传输光纤的一个输入端；第二激光经过所述激光脉冲延时器产生60ns传输延时后进入所述y形传输光纤的另一个输入端；第一激光与第二激光通过y形传输光纤汇合成所述激发光，并通过所述y形传输光纤的输出端进入所述探头模块。

12、进一步地，所述激光器为nd:yag脉冲激光器，出射激光波长532nm，脉冲宽度8ns，单脉冲能量为50mj；

13、所述激光脉冲展宽器以普克尔盒控制激光入射，使激光在谐振腔震荡并通过另一端2.5％透射率镜片出射，出射光脉冲宽度展宽为50ns；

14、所述激光脉冲延时器通过提供18m光程使入射光产生60ns延时。

15、进一步地，所述探头模块包括：入射准直器、第一二向色镜、第二二向色镜、聚焦镜头、第一出射准直器和第二出射准直器；其中，

16、所述入射准直器与所述y形传输光纤的输出端连接；

17、所述第一出射准直器和所述第二出射准直器均与所述信号传输模块连接；

18、所述激发光通过所述入射准直器变为准直光束，准直后的激发光由所述第二二向色镜反射，经所述第一二向色镜透射后通过所述聚焦镜头聚焦在样品上；

19、样品受聚焦的激发光照射产生拉曼散射光与激光诱导击穿等离子体发光信号，样品所产生的信号经所述聚焦镜头收集后成为准直的信号光，准直的信号光到达所述第一二向色镜时，波长小于520nm的信号光被所述第一二向色镜反射后经过所述第一出射准直器进入所述信号传输模块，波长大于520nm的信号光经所述第一二向色镜透射后到达所述第二二向色镜，波长大于540nm的信号光经所述第二二向色镜透射后经过所述第二出射准直器进入所述信号传输模块，波长小于540nm的信号光经所述第二二向色镜反射后被舍弃。

20、进一步地，所述第一二向色镜为520nm高波通二向色镜；

21、所述第二二向色镜为540nm高波通二向色镜；

22、所述聚焦镜头能够根据所述探头模块与被测样品的距离调整焦距。

23、进一步地，所述信号传输模块是由总计8根光纤复合成的光纤束，其具有四个端口，分别为：第一光纤输入端、第二光纤输入端、第一光纤输出端和第二光纤输出端；其中，

24、所述第一光纤输入端与所述第一出射准直器连接；

25、所述第二光纤输入端与所述第二出射准直器连接；

26、所述第一光纤输出端和第二光纤输出端均与所述信号处理与控制模块连接；

27、所述第一光纤输入端包含了第一光纤；

28、所述第二光纤输入端包含了第二光纤、第三光纤、第四光纤、第五光纤、第六光纤、第七光纤以及第八光纤；

29、所述第一光纤输出端包含了第一光纤和第二光纤；

30、所述第二光纤输出端包含了第三光纤、第四光纤、第五光纤、第六光纤、第七光纤以及第八光纤。

31、进一步地，在所述第二光纤输入端中，所述第二光纤位于中心，所述第三光纤、第四光纤、第五光纤、第六光纤、第七光纤以及第八光纤紧密围绕着所述第二光纤呈圆形排列；

32、在所述第二光纤输出端中，所述第三光纤、第四光纤、第五光纤、第六光纤、第七光纤以及第八光纤沿一条直线紧密排列。

33、进一步地，所述第一出射准直器将小于520nm的信号光经所述第一光纤输入端耦合进所述第一光纤中；所述第二出射准直器将大于540nm的信号光经所述第二光纤输入端耦合进所述第二光纤、第三光纤、第四光纤、第五光纤、第六光纤、第七光纤以及第八光纤中；所述第一光纤与所述第二光纤将大于540nm的信号光和小于520nm的信号光通过所述第一光纤输出端输出至所述信号处理与控制模块；所述第三光纤、第四光纤、第五光纤、第六光纤、第七光纤以及第八光纤将大于540nm的信号光通过所述第二光纤输出端输出至所述信号处理与控制模块。

34、进一步地，所述信号处理与控制模块包括：拉曼光谱仪、libs光谱仪、时序控制器和计算机；其中，

35、所述libs光谱仪的入射端与所述第一光纤输出端连接，由所述第一光纤输出端出射的信号光进入所述libs光谱仪，采集得到libs数据；

36、所述拉曼光谱仪的入射端与所述第二光纤输出端连接，由所述第二光纤输出端出射的信号光进入所述拉曼光谱仪，采集得到拉曼散射光谱数据；

37、通过所述时序控制器使所述拉曼光谱仪的探测开始时间与信号光的前沿对齐，快门时间为50ns，所述libs光谱仪的探测开始时间在所述拉曼光谱仪探测开始时间之后150ns，快门时间为500ns；

38、通过所述计算机控制测量的开始与结束。

39、进一步地，所述拉曼光谱仪为固定光栅光谱仪，光谱探测范围为540nm至590nm，探测器采用了带有时间快门的增强型电荷耦合器件iccd；

40、所述libs光谱仪为可旋转光栅光谱仪，光谱探测范围从200nm至900nm，探测器采用了带有时间快门的iccd。

41、本发明提供的技术方案带来的有益效果至少包括：

42、本发明提供了一种全新的将拉曼光谱与激光诱导击穿光谱测量系统结合的设计方案，设计了一种便携式联合光谱检测系统，该系统通过模块化设计，并通过对激发光与信号光传输的优化将两种光谱的联合测量系统轻便化，从而实现了易于运输并可在现场快速安装使用的便携功能。利用该便携式联合光谱检测系统，能够同时进行拉曼光谱和激光诱导击穿光谱的测量。两种技术的组合可以提供有关样品的更详细信息，包括元素和分子组成。这两种技术共同提供了关于样品的互补信息，并有助于揭示其固有性质的复杂性。尤其是应用在诸如地质勘探、考古分析等领域，可以为相关的科学研究提供有力的支持。从而为相关的现场进行成分检测的工作提供了高效、便捷、精准的解决方案。