激光诱导击穿光谱的分析系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及分析化学技术领域，尤其涉及一种激光诱导击穿光谱的分析系统及方 法。
【背景技术】
[0002] 激光诱导击穿光谱是一种新型的光谱探测手段，其原理是利用强激光照射样本， 使其被激发至等离子态，再用光谱仪收集等离子态的发射光谱，从而分析样本中的元素含 量。近年来，激光诱导击穿光谱技术被应用于钢铁、煤粉、壁画、土壤、木材等样本中的微量 元素测量。
[0003] 目前，由于激光诱导击穿光谱在测量中需要激光对样本进行击穿以获得等离子态 光谱，在激光器能量抖动、样本表面不均匀性、等离子体羽扩散不稳定性等问题的影响下， 激光诱导击穿光谱测量的稳定性很差，造成了定量化计量中很多难题。现有在激光诱导击 穿光谱的测量中，采用了很多提高稳定性和重复性的方法。如多次测量取平均值或利用等 离子态参数对光谱进行修正。
[0004] 然而，这些方法可以提高测量重复性，但提高程度不高。此外，激光诱导击穿光谱 的另一问题是其检测能力不高，一方面，一些较弱的元素能量跃迀谱线不易被识别，另一方 面，一些谱线较窄，很容易与其他谱线重叠在一起，造成识别错误。
【发明内容】
[0005] 本发明针对现有技术的不足，提出一种激光诱导击穿光谱的分析方法及系统，可 以更为清晰地解析光谱特征，提高常规激光诱导击穿光谱方法的检测能力和重复性。
[0006] 第一方面，本发明提供一种二维能量相关激光诱导击穿光谱的分析系统，包括：激 光器、光谱仪、延时发生器、光纤、样本以及计算机；所述激光器，用于周期性地发射脉冲激 光并对所述样本进行击打；所述延时发生器分别与所述激光器和所述光谱仪连接，用于根 据预设的延时时间，对所述光谱仪采集信号进行触发；所述光谱仪分别与所述光纤和所述 计算机相连，用于通过光纤收集所述样本发出的等离子体光信号。
[0007] 优选地，所述延时发生器为采用FPGA控制的皮秒级精确延时系统。
[0008] 优选地，所述系统还包括：汇聚装置，所述汇聚装置与所述光纤连接，用于汇聚所 述样本发出的等离子体光信号，并经光纤传递到所述光谱仪。
[0009] 优选地，所述汇聚装置为置于所述光纤前端的卡萨格林系统。
[0010] 优选地，所述系统还包括：分束器，所述分束器置于所述激光器出射位置处，用于 将所述激光器发射出的10%的激光脉冲能量反射到光电二极管上。
[0011] 第二方面，本发明提供一种二维能量相关激光诱导击穿光谱的分析方法，包括：
[0012] 光谱仪对未放置样本的暗背景进行测量，获得背景光谱，并扣除所述背景光谱的 干扰和本体噪声；
[0013] 在能量扰动状态下进行光谱测量，通过增加激光器发射的激光能量，获得所述样 本在击穿状态下的一维光谱；
[0014] 获取激光能量的精确数值，根据所述精确数值对所述一维光谱进行激光功率校准 和归一化处理；
[0015] 根据一维光谱计算二维相关光谱，所述二维相关光谱包括：同步相关光谱和异步 相关光谱；
[0016] 分离二维相关光谱中的自相关峰、交叉峰，并与一维光谱相对应。
[0017] 优选地，所述获取激光能量的精确数值，根据所述精确数值对所述一维光谱进行 激光功率校准和归一化处理，包括：
[0018] 光电二极管接收分束器反馈的激光能量，并实时测量激光能量；
[0019] 根据偏差值对原始光谱乘以对应的系数，并补偿所述激光能量的偏差；
[0020] 以50nm为窗口记录所述光谱数据，对每个所述窗口内进行面积归一化。
[0021] 优选地，所述在能量扰动状态下进行光谱测量，通过增加激光器发射的激光能量， 获得所述样本在击穿状态下的一维光谱，包括：
[0022] 首次击打时，所述激光器以基础能量为100_200mJ，频率为IOHZ的激光脉冲击打 所述样本；
[0023] 在首次击打后，每次增加5%的基础能量击打样本，以获得渐变的光谱数据。
[0024] 优选地，所述根据一维光谱计算二维相关光谱中的同步相关光谱，包括：
[0025] 根据公式一计算所述同步相关光谱：
【主权项】
1. 一种二维能量相关激光诱导击穿光谱的分析系统，其特征在于，包括：激光器、光谱 仪、延时发生器、光纤、样本以及计算机； 所述激光器，用于周期性地发射脉冲激光并对所述样本进行击打； 所述延时发生器分别与所述激光器和所述光谱仪连接，用于根据预设的延时时间，对 所述光谱仪采集信号进行触发； 所述光谱仪分别与所述光纤和所述计算机相连，用于通过光纤收集所述样本发出的等 离子体光信号。
2. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述延时发生器为采用FPGA控制的皮秒 级精确延时系统。
3. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：汇聚装置，所述汇聚装 置与所述光纤连接，用于汇聚所述样本发出的等离子体光信号，并经光纤传递到所述光谱 仪。
4. 根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述汇聚装置为置于所述光纤前端的卡 萨格林系统。
5. 根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：分束器，所述分束器置 于所述激光器出射位置处，用于将所述激光器发射出的10%的激光脉冲能量反射到光电二 极管上。
6. -种二维能量相关激光诱导击穿光谱的分析方法，其特征在于，包括： 光谱仪对未放置样本的暗背景进行测量，获得背景光谱，并扣除所述背景光谱的干扰 和本体噪声； 在能量扰动状态下进行光谱测量，通过增加激光器发射的激光能量，获得所述样本在 击穿状态下的一维光谱； 获取激光能量的精确数值，根据所述精确数值对所述一维光谱进行激光功率校准和归 一化处理； 根据所述一维光谱计算二维相关光谱，所述二维相关光谱包括：同步相关光谱和异步 相关光谱； 分离二维相关光谱中的自相关峰、交叉峰，并与一维光谱相对应。
7. 根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述获取激光能量的精确数值，根据所述 精确数值对所述一维光谱进行激光功率校准和归一化处理，包括： 光电二极管接收分束器反馈的激光能量，并实时测量激光能量； 根据偏差值对原始光谱乘以对应的系数，并补偿所述激光能量的偏差； 以50nm为窗口记录所述光谱数据，对每个所述窗口内进行面积归一化。
8. 根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述在能量扰动状态下进行光谱测量，通 过增加激光器发射的激光能量，获得所述样本在击穿状态下的一维光谱，包括： 首次击打时，所述激光器以基础能量为100-200mJ，频率为IOHZ的激光脉冲击打所述 样本； 在首次击打后，每次增加5%的基础能量击打样本，以获得渐变的光谱数据。
9. 根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述根据一维光谱计算二维相关光谱中 的同步相关光谱，包括： 根据公式一计算所述同步相关光谱：
其中，Smax为所述光谱仪采集的光谱强度最大值，Smin为所述光谱仪采集的光谱强度最 小值，y」（υ i)和yj ( U 2)为不同波段的光谱数值。
10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述根据一维光谱计算二维相关光谱中 的异步相关光谱，包括： 根据公式二计算所述异步相关光谱：
其中，Smax为所述光谱仪采集的光谱强度最大值，Smin为所述光谱仪采集的光谱强度最 小值，Yj(U1)和yk( u2)为不同波段的光谱数值。
【专利摘要】本发明提供一种二维能量相关激光诱导击穿光谱的分析系统及方法，所述系统，包括：激光器、光谱仪、延时发生器、光纤、样本以及计算机；所述激光器，用于周期性地发射脉冲激光并对所述样本进行击打；所述延时发生器分别与所述激光器和所述光谱仪连接，用于根据预设的延时时间，对所述光谱仪采集信号进行触发；所述光谱仪分别与所述光纤和所述计算机相连，用于通过光纤收集所述样本发出的等离子体光信号。本发明提供一种基于二维能量相关的激光诱导击穿光谱的分析系统及方法，将常规的激光诱导击穿光谱在激光能量尺度上进行展开，从而更为清晰地解析光谱特征，提高常规激光诱导击穿光谱方法的检测能力和重复性。
【IPC分类】G01N21-63
【公开号】CN104655595
【申请号】CN201510073090
【发明人】董大明, 郑文刚, 赵春江, 吴文彪, 郑文生, 韩鹏程, 郎筠, 李文龙, 郭瑞
【申请人】北京农业智能装备技术研究中心
【公开日】2015年5月27日
【申请日】2015年2月11日