激光诱导击穿光谱与拉曼光谱联用系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及光电技术领域，尤其涉及一种激光诱导击穿光谱与拉曼光谱联用系统。
【背景技术】
[0002]激光诱导击穿光谱(LaserInduced Breakdown Spectroscopy,简称 LIBS)是一种原子发射光谱技术，该技术将高能激光聚焦于样品表面，样品受激发产生激光诱导等离子体，通过光谱仪采集等离子体的发射光谱并且经过特定的光谱数据分析与处理实现对测试样品元素的定性和定量分析。相对于其他的分析技术，LIBS技术具有十分特殊的技术优势，包括实时检测样品、无需繁琐的样品处理过程、适用于各种形态的样品、可进行多元素测定、检测损耗小以及具备远距离探测能力等。LIBS技术作为一种新兴的元素分析技术将为分析领域带来众多的创新应用。它不仅弥补了传统分析方法的不足，特别是在微小区域材料分析、镀层或者薄膜分析、缺陷检测、珠宝鉴定、法医证据鉴定、粉末材料分析、合金分析等应用领域优势明显，而且LIBS技术还可以广泛应用于地质、煤炭、冶金、制药、环境、科研等不同领域。
[0003]拉曼散射技术(Raman)是一种非破坏性的分子光谱分析技术。拉曼散射效应是指一定频率的激光照射到样品表面时，物质中的分子吸收了部分能量，发生不同方式和程度的振动，比如原子的摆动和扭动、化学键的摆动和振动，然后散射出较低频率的光。频率的变化决定于散射物质的特性，不同原子团振动的方式是惟一的，因此可以产生特定频率的散射光，其光谱就称为“指纹光谱”，拉曼光谱反映了分子振动能级(点阵振动能级)与转动能级结构的相关特性，因此可以照此原理鉴别出构成物质的分子结构的信息。拉曼光谱技术提供快速、简单、可重复、无损伤的定性定量分析，它无需样品准备，样品可直接通过光纤探头或者通过玻璃、石英、和光纤测量。此外，拉曼技术一次可以同时覆盖50-4000波数的区间，可对有机物及无机物进行分析，是一种应用于物质分子结构研宄的分析方法。
[0004]缺乏一种将激光诱导击穿光谱技术与拉曼散射光谱技术的联用的装置及适合的控制系统，不能实现在同一平台上对物质元素信息和分子结构的同时测定。
【发明内容】
[0005]本发明旨在提供一种激光诱导击穿光谱与拉曼光谱联用装置及其测控系统，实现了激光诱导击穿光谱技术和拉曼光谱仪的工作时序、自动定位和聚焦样品受激发的位置以及完成对激光诱导击穿光谱信号和拉曼散射光谱信号的自动采集和自动分析处理，可反馈被分析物质的元素成份和分子结构信息。
[0006]为达到上述目的，本发明是采用以下技术方案实现的:
[0007]本发明公开的激光诱导击穿光谱与拉曼光谱联用系统，包括激光诱导击穿光谱仪、拉曼光谱仪，光电管，第一激光器、第二激光器，光路模块，上位机控制模块，硬件测控模块，电源模块，样品室；所述硬件测控模块包括微处理器、接口电路、光电管信号处理电路、激光器触发电路、延时电路电性连接、光谱仪外触发电路；所述接口电路、光电管信号处理电路、延时电路、光谱仪外触发电路与微处理器电性连接，所述上位机控制模块与接口电路电性连接，所述激光器触发电路与延时电路电性连接，所述激光器触发电路与第一激光器、第二激光器电性连接，所述光谱仪外触发电路与激光诱导击穿光谱仪、拉曼光谱仪电性连接，所述光电管信号处理电路与光电管电性连接；所述光路模块与LIBS光谱仪、拉曼光谱仪连接。
[0008]光路模块完成对激光的反射和聚焦以及对光谱信号的收集；光电管用于检测第一激光器的激发时刻，其作用在于:光电管在第一激光器激发时将光信号转变为电信号，该电信号经过光电管信号处理电路处理后作为光谱仪的外触发信号采集光谱信息，这样激光器激发与光谱仪信号采集之间有一个时序间隔，避开激光器激发初期的噪声，提高光谱信号的信噪比，避免了测试结果中的背景噪声。
[0009]进一步的，所述样品室置于三维样品台上，所述三维样品台为电动三维样品台，所述硬件测控模块还包括电机驱动电路，所述电机驱动电路与微处理器电性连接，所述电动三维样品台的驱动电机与电机驱动电路电性连接。三维样品台可自动调整样品位置实现自动聚焦和激光烧蚀位置的变换。
[0010]优选的，所述光路模块包括第一扩束准直镜、第一二向色镜、第二扩束准直镜、第二二向色镜、第三二向色镜、双合聚焦镜、LIBS探头、拉曼探头；所述第一扩束准直镜、第二扩束准直镜的镜面相互垂直，所述第一二向色镜的两侧镜面分别与第一扩束准直镜、第二扩束准直镜的出射面成45度夹角，第一二向色镜的中心位于第一扩束准直镜、第二扩束准直镜轴线的交汇处；所述第二二向色镜、第三二向色镜的镜面平行、轴线重合，第二二向色镜、第三二向色镜的镜面与双合聚焦镜的轴线成45度夹角，第二二向色镜、第三二向色镜的中心位于双合聚焦镜的轴线上，第三二向色镜位于第三二向色镜和双合聚焦镜之间，所述第三二向色镜的中心位于第一扩束准直镜的轴线上，第一二向色镜位于第一扩束准直镜、第三二向色镜之间；第二扩束准直镜、双合聚焦镜位于第一扩束准直镜的轴线的同一侧；所述LIBS探头位于双合聚焦镜的侧面，所述拉曼探头与第三二向色镜分居第二二向色镜的两侧，拉曼探头位于双合聚焦镜的轴线上。
[0011]进一步的，本发明还包括CCD相机模块，所述上位机控制模块与CCD相机模块电性连接，所述样品室中设置有LED照明灯，所述硬件测控模块还包括LED驱动电路，所述LED驱动电路与微处理器电性连接，所述LED照明灯与LED驱动电路电性连接。
[0012]CCD相机模块完成对样品表面图像信息的采集。其中CCD相机焦点与激光光路焦点位于同一水平面上，根据相机采集的图像清晰程度可以定位三维样品台位置同时可以实时观测到激光在样品表面的烧蚀结果。
[0013]优选的，所述电源模块为开关电源模块。
[0014]优选的，所述第一激光器为1064nm脉冲激光器、第二激光器为532nm连续激光器。
[0015]优选的，所述驱动电机为步进电机。
[0016]优选的，所述上位机控制模块为包含控制软件的工控机。
[0017]本发明的工作原理如下:
[0018]上位机控制模块为搭载了控制软件的工控机，其中上位机控制软件以图形化的界面集合了对底层硬件系统的控制命令窗口和光谱数据结果显示窗口，包括激光器控制窗口、LIBS光谱显示窗口、拉曼光谱显示窗口、CXD相机图像显示及控制窗口、物质元素成份信息和分子结构信息显示窗口。
[0019]电源模块采用开关稳压方式，其输入为220V/50HZ交流电压，控制输出四路分别为+24V、+12V、-12V、+5V的直流电压，相对应的最大电流输出能力分别为3A、4A、0.7A、15A，满足了 LIBS和Raman联用光谱系统各个功能部件的电源需求。
[0020]硬件测控模块包含光电管信号处理模块、激光器触发电路、延时电路、通信接口电路、样品室LED灯控制电路和样品室电机驱动控制电路，保证了整个系统中激光器、光谱仪、样品室照明和样品台的时序控制以及上位机和检测设备间光谱数据的传输要求。
[0021]光电管的作用是在1064nm激光器激发时将光信号转变为电触发信号，该电触发信号经过硬件测控模块处理后作为光谱仪的外触发信号采集光谱信息，这样激光器激发与光谱仪信号采集之间有一个时序间隔，提高了光谱信号的信噪比，避免了测试结果中的背景噪声。
[0022]CCD相机模块完成对样品表面图像信息的采集。其中CCD相机焦点与激光光路焦点位于同一水平面上，根据相机采集的图像清晰程度可