一种基于单台脉冲激光器的信号多重增强LIBS装置

本技术属于光谱检测，特别是涉及一种基于单台脉冲激光器的信号多重增强libs装置。

背景技术：

1、libs(laser-induced breakdown spectroscopy,激光诱导击穿光谱技术)是一种利用高能激光脉冲加热样品诱导产生等离子体对其形成的光谱信号进行元素识别和定量分析的技术。目前单脉冲libs技术存在着光谱信号的波动值较大、信号较弱等缺点，限制了其应用发展，为克服这些缺点，一些改进技术相继出现。目前应用较为广泛的改进技术有双脉冲信号增强、空间约束信号增强和磁场约束信号增强等。dp-libs(dual pulse libs,双脉冲激光诱导击穿光谱技术)能够削弱等离子体的屏蔽作用，有效增强光谱信号，降低检测限。目前常见的信号多重增强的设备有空间约束-温度增强libs装置和双脉冲-空间约束libs装置，但双脉冲技术需要两台激光器，双波长libs技术需要两台不同波长的激光器，难以同时实现。两台激光器所需组成的光路系统成本较高且结构复杂，不利于与其他增强技术进行多功能集成和推广。

技术实现思路

1、本实用新型所要解决的技术问题：提供一种基于单台脉冲激光器的信号多重增强libs装置，通过分光镜将1064nm激光分为1064nm反射激光和1064nm透射激光，利用倍频光路将1064nm反射激光倍频输出为532nm激光，利用设计的光路延时器实现了两束激光的延时控制，在样品位移平台集成了空间约束装置、磁场约束装置和温度控制装置，操作简便，成本低廉，可拓展性强。

2、本实用新型为解决以上技术问题而采用以下技术方案：

3、本实用新型提出的一种基于单台脉冲激光器的信号多重增强libs装置，包括激光烧蚀模块、透射激光延时模块、反射激光倍频模块、角度调节反射模块、空间约束模块和数据传输模块。

4、透射激光延时模块通过支架固定在与激光器的激光出口同一水平面上，反射激光倍频模块同样与激光器的激光出口保持水平方向一致。反射激光倍频模块和角度调节反射模块通过第三支杆相连接，空间约束模块包含磁约束模块和温度增强模块。

5、进一步的，激光烧蚀模块包括脉冲激光器、分光镜、第一聚焦透镜、待测样品、位移平台、第三聚焦透镜。脉冲激光器的出光口和分光镜通过第四支杆固定在同一高度；第一聚焦透镜通过套筒固定在笼式光路中并位于待测样品的正上方；待测样品位于位移平台上表面；第三聚焦透镜通过第一支杆固定在待测样品的斜面。

6、进一步的，透射激光延时模块包括光路延时器、第一45°笼式调整架、第一反射镜、第二反射镜、双凹透镜、平凸透镜、第三反射镜、第一聚焦透镜、第二45°笼式调整架、笼杆、支撑杆。光路延时器通过支架固定在与激光器的激光出口同一水平面上，第一反射镜被螺丝固定在第一45°笼式调整架上与水平面形成45°，第一反射镜和第一45°笼式调整架通过4根第七支杆与其正上方的第二反射镜连接，第二反射镜和第二45°笼式调整架也与水平面形成45°，第二反射镜通过笼杆、支撑杆和双凹透镜、平凸透镜、第三反射镜以及第二45°笼式调整架相连接并保持在同一水平面上，第三反射镜和第二45°笼式调整架与水平面形成45°角且通过套筒和第一聚焦透镜相连接。

7、透射激光延时模块中的光路延时器为一个立方体结构，由五块激光反射镜组成，上表面放置两块激光反射镜且两块激光反射镜之间留有预设宽度为1-2cm的入光口，左表面和下表面分别放置一块激光反射镜，右表面放置一块激光反射镜且下方留有预设宽度为1-2cm的出光口。

8、进一步的，反射激光倍频模块包括第二聚焦透镜、ktp倍频晶体、第四反射镜、第五反射镜。第二聚焦透镜、ktp倍频晶体、第四反射镜和第五反射镜均通过第六支杆固定在操作台上且各自的中心高度均保持一致。

9、进一步的，角度调节反射模块包括第六反射镜、第三聚焦透镜、反射镜支杆、高阻尼橡胶球形底座、转动轴、球槽、固定底座、旋转接口、第一支杆。第六反射镜位于第五反射镜的正上方，第六反射镜通过反射镜支杆、高阻尼橡胶球形底座、转动轴、球槽连接在固定底座上，固定底座通过旋转接口与第一支杆相连，第三聚焦透镜通过第一支杆固定在操作台上。

10、进一步的，空间约束模块包括约束块、伸缩调节固定支架、球套、转动球、第二支杆。约束块通过伸缩调节固定支架进行固定，伸缩调节固定支架通过球套和转动球与第二支杆相连，第二支杆和转动球能调节角度使得约束块与样品形成实验所需要的不同夹角度数。

11、进一步的，磁约束模块包括磁铁、伸缩调节固定支架、球套、转动球、第二支杆。

12、进一步的，温度增强模块包括加热片、位移平台、待测样品。位移平台的位移移动上表面正上方放置加热片，待测样品位于加热片的上表面上方。

13、进一步的，数据传输模块包括光谱仪、光纤、光纤探头、第一光谱仪连接线、第二光谱仪连接线、主机、显示器。光纤探头通过第五支杆以一定的角度固定在待测样品的斜上方，光纤连接光谱仪和光纤探头，第一光谱仪连接线连接脉冲激光器和光谱仪，第二光谱仪连接线连接主机和光谱仪，主机和显示器通过连接线连接。

14、进一步的，基于单台脉冲激光器的信号多重增强libs装置的工作原理如下：

15、s1、激光烧蚀模块中，设定使用的脉冲激光器为1064nm脉冲激光器，其产生的激光通过分光镜将入射单束1064nm脉冲激光分为1064nm反射激光和1064nm透射激光。此外，还可以通过更换不同透射率和反射率的分光镜调节两束脉冲的能量配比。

16、s2、光路延时器位于激光器的透射光路上，1064nm透射激光经过光路延时器产生一定的延时后经过第一45°笼式调整架中的第一反射镜的反射面竖直反射进入到第二反射镜的反射面，经过反射产生水平方向的激光依次进入双凹透镜和平凸透镜以完成激光光束的扩束准直。此时，光路延时器可以通过增加反射镜的数量或调节激光入射角度，改变光程从而控制光路的延迟时间，实现交叉双脉冲。此外，通过调整光路延时器和多个反射镜所在位置，可以实现正交再加热双脉冲和正交预烧蚀双脉冲；通过改变多个反射镜的位置可以实现共线双脉冲。

17、准直后的水平1064nm透射激光经过第二45°笼式调整架中的第三反射镜的反射面竖直向下反射进入到第一聚焦透镜的镜面，其中笼杆、支撑杆用于固定整个笼式光路。1064nm反射激光经过第二聚焦透镜聚焦在ktp倍频晶体上完成激光的倍频，倍频后的532nm激光经过第四反射镜和第五反射镜的反射后入射至第六反射镜，接着经过第三聚焦透镜作用于样品的表面。

18、s3、两束波长不同的脉冲在待测样品表面烧蚀形成等离子体，样品被烧蚀辐射出的光谱信号被光纤探头采集经过光纤传输至光谱仪中，光谱仪再将信号通过第二光谱仪连接线传送至主机中并最终在显示器上显示。第一光谱仪连接线用于脉冲激光器触发光谱仪使其开始接收信号。

19、s4、通过温度增强模块中的位移平台的移动可对样品的不同位置进行实验检测，待测样品下的加热片可通过提高温度来实现样品信号的增强。可通过调节空间约束模块中的转动球和第二支杆位置，实现不同角度和距离的空间约束，可通过改变约束板的材料实现不同效果的空间约束；磁场约束装置通过将约束块更换为磁铁来实现磁场约束效果。

20、本实用新型采用以上技术方案，与现有技术相比，其显著技术效果如下：

21、通过分光镜将激光分成透射激光和反射激光，利用倍频光路将1064nm反射激光倍频输出为532nm波长的激光从而实现了两台不同波长激光器的功能；利用设计的多反射镜光路延时器取代了传统的数字脉冲延时器，在不影响性能的前提下优化系统的成本和体积；利用设计的角度可调节反射结构，降低实验的操作复杂度，提升实验效率；将磁场约束装置和空间约束装置集成在一起，减少了装置数量和实验成本；将温度增强装置和位移平台集成在一起，解决了以往温度增强实验中样品位置难以精准调节的问题；将多个增强装置有效地集成在一起，利于对传统单台脉冲libs装置的集成和推广。