一种增强激光等离子体光谱的方法及系统

本发明涉及一种增强激光等离子体光谱的方法及系统，属于光电检测。

背景技术：

1、激光诱导击穿光谱技术(laser-induced breakdown spectroscopy,简称libs)是一种激光烧蚀光谱分析技术，该技术将超短脉冲激光聚焦样品表面，当激光脉冲的能量密度大于击穿阈值时形成等离子体，等离子体向外辐射特定频率的光子，通过光纤光谱仪采集光谱发射信号，分析谱图中元素对应的特征峰强度即可用于样品的定性以及定量分析。

2、libs技术具有制样简单、样品损耗小、检测范围广、实时便捷等优点，在工业、农业、医疗、地质等各个领域都有广阔的应用前景。目前libs技术主要应用于固体中元素检测，针对水溶液中元素检测较少。但是，水溶液中微量元素的含量又可以直观反映生态系统的状态。因此检测水溶液中微量元素，判断其是否超标对生态环境以及生物健康是至关重要的。

3、传统libs技术在水溶液检测中存在检测灵敏度底、谱线背景噪声高等缺点，影响检测的准确度和精度。针对libs技术的缺点，现有技术中采用不同的光谱增强方法来提高检测灵敏度和精度，例如双脉冲增强、磁场约束增强、空间约束增强、平面镜增强以及纳米颗粒增强等。其中，空间约束增强因灵活且成本较低而被广泛采用。

4、空间约束是指在进行光谱实验时，在基板外部增加平板、腔体等障碍物，使得等离子体产生的冲击波在向外扩散时受到空间限制，而冲击波的扩散速度远大于等离子体的扩散速度，因此扩散的冲击波经界面反射回等离子体内核会限制甚至压缩等离子体，从而达到对等离子体的约束效果，最终增强了光谱强度。由于激光脉冲是通过聚焦透镜垂直作用于样品表面，形成的等离子体向聚焦透镜方向的膨胀速率最快，而冲击波是伴随等离子体持续膨胀、压缩周围介质产生的，这种非各向同性膨胀导致激光诱导形成的等离子体及其冲击波形状近似为椭球形。

5、然而，传统空间约束主要为平行板约束、圆柱形约束和半球形约束。传统约束腔的设计利用冲击波限制压缩等离子体，却忽略其传播形状与尺寸，削弱了约束效果。

技术实现思路

1、发明目的：针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种增强激光等离子体光谱的方法及系统，本发明通过激光等离子冲击波的演化信息确定最优约束腔，并利用腔体的限制作用实现libs光谱的增强。

2、技术方案：一种增强激光等离子体光谱的方法，包括以下步骤：

3、s1：通过激光等离子体阴影成像测试，获取焦点处激光光斑的直径，并获取不同时间节点的激光等离子体冲击波的阴影图；

4、s2：通过s1中的激光等离子体冲击波的阴影图获取激光等离子体冲击波的轮廓数据，选取等离子体边缘开始呈现消散状态前的数据；

5、s3：根据s2中选取的数据分别建立对应的约束腔；

6、s4：对s3中建立的约束腔分别进行激光诱导击穿光谱测试，比较各个约束腔下谱线强度的增强倍数，选取增强倍数最高的约束腔作为最优约束腔；

7、s5：根据s1中的激光光斑的直径和s4中的最优约束腔参数建立金属基板；

8、s6：对s4和s5中的最优约束腔和金属基板进行表面处理。

9、本发明基于空间增强法结合冲击波的传播形状和尺寸来实现光谱增强，通过激光等离子体阴影成像测试获取处于无约束状态下激光等离子体冲击波的演化信息，选取等离子体边缘开始呈现消散状态前的数据，建立对应的约束腔并进行libs测试，根据增强倍数确定用于限制冲击波扩散的最优约束腔，根据激光光斑的直径和最优约束腔参数建立金属基板，最后采用电解抛光法进行表面处理，降低表面粗糙度，增强冲击波回到等离子体内核的反射效果以及金属基板对液体样本的亲水性，进而增强等离子体内部粒子的碰撞次数，实现对libs光谱的增强，还可以防锈以延长系统的使用寿命。

10、优选项，所述s1的具体步骤为，将激光聚集至金属板上，测量金属板上的激光光斑直径d；将液体样本放置在金属板上，激光垂直辐照样本后诱导击穿产生等离子体，进而产生冲击波，并记录激光诱导等离子体冲击波膨胀的时间演化阴影图。

11、优选项，所述s2的具体步骤为，由于激光是垂直辐照液体样本，并且承载液体样本的金属板有限制效果，因此冲击波膨胀的阴影图呈现半椭圆形，将不同时间节点的阴影图转化为对应实际距离，以获取冲击波前沿传播的实际距离，长半轴记为为l，短轴记为d；选取等离子体边缘开始呈现消散状态前的数据。

12、优选项，所述s3的具体步骤为，根据s2选取的等离子体边缘开始呈现消散状态前的数据，建立约束腔：长半轴l＝l，短轴d3＝d，以长半轴为对称轴旋转获得半椭球形约束腔；

13、约束腔顶孔直径d1等于光斑直径d，侧孔直径d4＝1mm-3mm，约束腔外表面呈现为长方体，其底面边长a2大于约束腔短轴d3，其高度h1＞l+h2，h2为榫槽高度。

14、优选项，所述s5建立金属基板的具体步骤为，金属基板底面边长a1大于约束腔直径a3，金属基板的凹槽直径d2等于激光光斑直径d，凹槽高度h1＝0.5mm-1mm，金属基板的榫头高度为约束腔榫槽高度h2，金属基板榫头直径为约束腔短轴d3。

15、一种实现增强激光等离子体光谱方法的系统，包括激光烧蚀模块、光谱收集处理模块、时序控制模块和中央处理器，所述时序控制模块控制激光烧蚀模块和光谱收集处理模块之间的时序同步，所述中央处理器与光谱收集处理模块连接，还包括互相连接的约束装置和金属基板，激光通过激光烧蚀模块发送至约束装置内并作用于金属基板上的液体样本，光谱收集处理模块采集光谱信号发送至中央处理器。

16、本发明通过激光烧蚀模块将激光发送至约束腔内并作用于金属基板上的液体样本，光谱收集处理模块采集光谱信号发送至中央处理器，以实现光谱增强。

17、优选项，为了便于安装，所述约束装置包括约束本体和设于约束本体内部的半椭球形约束腔，所述约束本体上设有贯穿约束本体与半椭球形约束腔连通的顶孔和侧孔，所述约束本体底部设有与金属基板配合安装的榫槽。通过设置榫槽，简化约束装置和金属基板配合安装的步骤，提高半椭球形约束腔的利用率。

18、优选项，为了防止激光辐照液体样本时液体飞溅，所述金属基板上设有与榫槽配合安装的榫头，所述榫头上设有与顶孔对应的凹槽。通过在金属基板上设置榫头和凹槽，采用榫卯结构，实现了金属基板与半椭球形约束腔配套使用，同时将液体样本置于凹槽中，对液体样本的无规则扩散进行约束，可以减小激光辐照液体样本时液体飞溅的干扰，保证每次测试液体样本的扩散范围大小均一致，还能保证液固转换后样本沉积层浓度保持一致，降低测量误差。

19、优选项，为了形成激光等离子体，所述激光烧蚀模块包括脉冲式激光器、激光反射镜、激光聚焦镜；所述脉冲式激光器发出的激光依次经过激光反射镜和激光聚焦镜后，进入半椭球形约束腔内，聚焦于金属基板上，形成激光等离子体。

20、优选项，为了分析光谱强度，所述光谱收集处理模块包括光谱聚焦镜、光收集探头、光谱仪和电感耦合探测器，激光经过光谱聚焦镜后被光收集探头发送至光谱仪，光谱仪将光信号发送至电感耦合探测器。

21、有益效果：本发明基于空间增强法结合冲击波的传播形状和尺寸来实现光谱增强，通过激光等离子冲击波的膨胀演化信息，确定用于限制冲击波扩散的最优约束腔，并根据光斑直径和最优约束腔参数建立金属基板，考虑了冲击波的传播形状和尺寸，并对表面进行处理，从而增强冲击波回到等离子体内核的反射效果，继而增强等离子体内部粒子的碰撞次数，实现对libs光谱的增强，同时将约束腔和金属基板设置成榫卯结构，简化安装过程，提高约束腔的利用率，通过表面处理可以减缓装置锈蚀，延长使用寿命，在金属基板上设置凹槽，降低测量误差，提高精确度。