一种用于火星物质成份探测的联合激光诱导光谱系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本专利涉及一种激光光谱探测技术，尤其涉及一种采用联合激光诱导击穿光谱与激光诱导荧光时域光谱技术的远程物质成份探测系统，适用于火星表面物质成份探测，属于光电探测领域。
【背景技术】
[0002]目前火星表面物质成份探测中，受制于载人火星登陆技术尚未成熟，需采用无人情况的远程探测方法。在可选用的远程探测方法中，激光光谱类探测方法因其无需样品制备直接探测、可消除探测目标表面浮尘、多元素同时探测、高空间分辨率等优点已经或即将得到应用。
[0003]其中，激光诱导击穿光谱(Laser-1nducedbreakdown spectroscopy,简称 LIBS)是一种对物质组成元素进行探测的激光光谱技术，已在火星表面物质探测上得到应用；激光诱导焚光(Laser-1nduced fluorescence,简称LIF)时域分辨光谱是一种可以对痕量及微量元素，尤其是对火星表面的稀土元素及其氧化物分子进行高灵敏探测的技术。采用单一的LIBS技术能对火星表面的主要元素进行探测，但对痕量及微量元素探测受到其探测灵敏度的限制。
[0004]融合LIBS光谱探测及LIF时域分辨光谱技术可发挥各自的优势，有效扩大火星表面物质元素探测的范围。但同时也需考虑和解决一些融合中的问题，如为解决探测装置的紧凑便捷性，光源及探测器的共用问题；在光源探测器共用问题解决后的时序分配问题等等。
[0005]针对单一 LIBS激光光谱方法的不足，本专利提出一种联合激光光谱探测方法，采用同一激光源与同一探测器，在有效扩大元素探测范围的同时，保持了系统的紧凑便捷。
【发明内容】
[0006]本专利的目的在于提供一种火星物质识别的联合激光光谱系统，在有效扩大元素探测范围的同时，保持整个系统的紧凑便捷性。
[0007]本专利是这样来实现的:
[0008]本专利提出的火星物质识别的联合激光光谱系统包括卡式望远镜、ICCD光谱仪、激光测距机、主控制器及数据分析系统、多通道数字延时脉冲发生器、1064nm扩束镜、1064nm高能脉冲激光器、倍频扩束组件及辅助光机组件。
[0009]其中，卡式望远镜主要由次镜和主镜组成；倍频扩束组件由三倍频晶体和355nm扩束镜组成；ICCD光谱仪的核心元件为阶梯光栅和ICCD面阵探测器；辅助光机组件包括全反镜、采集透镜组、光谱信号采集光纤、全反镜运动控制器、切换控制器、多色镜和次镜运动控制器。
[0010]主控制器及数据分析系统用于给多通道数字延时脉冲发生器、激光测距机、切换控制器、次镜运动控制器以及全反镜运动控制器发控制指令；接收激光测距机输出的测距信息与ICCD光谱仪输出的光谱信号；此外，还用于发控制指令给ICCD光谱仪，设定ICCD面阵探测器的曝光时间。
[0011]多通道数字延时脉冲发生器用于给1064nm高能脉冲激光器发启动脉冲，给ICXD面阵探测器发快门启动脉冲，并可调节控制它们之间的延时。
[0012]1064nm高能脉冲激光器发射的脉冲激光经1064nm扩束镜扩束，形成与望远镜出入孔直径匹配的1064nm脉冲激光束，为LIBS激光源；1064nm高能脉冲激光器发射的脉冲激光经倍频扩束组件中的三倍频晶体后，得到355nm脉冲激光，再经355nm扩束镜后，形成与望远镜出入孔直径匹配的355nm脉冲激光束，该脉冲激光束位于紫外段，可作为LIF激光源；1064nm扩束镜与倍频扩束组件固定联接，由切换控制器进行控制、轮流切换进入光路，从而实现LIBS与LIF激光源之间的切换。
[0013]次镜的工作凸面和主镜的工作凹面均镀宽光谱全反膜，可实现对宽光谱光线进行全反射。
[0014]光谱信号采集光纤通过透镜组光纤接口与光谱仪光纤接口将采集透镜组收集的光谱信号耦合进ICCD光谱仪，进行分光与光电转换。
[0015]主光轴与第二光轴垂直；多色镜两面分别镀有可见光段高反膜与1064nm、355nm高透膜，它与主光轴、第二光轴夹角均为45度；全反镜与多色镜平行安装；第三光轴与第二光轴垂直，与主光轴平行。
[0016]火星物质识别的联合激光光谱探测按以下步骤进行:
[0017](I)主控制器及数据分析系统发出控制指令给全反镜运动控制器，使其带动全反镜切进光路中的第二光轴与第三光轴相交的位置(即工作位置)。
[0018](2)主控制器及数据分析系统发出控制指令启动激光测距机。激光测距机发出的波长为X1的激光束沿第三光轴传输，经过全反镜反射，转向沿第二光轴传输；再经多色镜镀有高反膜的一面反射，转向沿主光轴传输；穿过望远镜出入孔，分别经次镜与主镜反射后，打到火星探测目标的激光聚焦点上。波长为回波信号依次经主镜、次镜反射，穿出望远镜出入孔，经多色镜反射后，转向第二光轴；再经全反镜反射后，转向第三光轴，被激光测距机接收，得到激光聚焦点与火星物质识别的联合激光光谱系统的距离信息。该距离信息送到主控制器及数据分析系统。
[0019](3)主控制器及数据分析系统分析该距离信息，发出控制指令至次镜运动控制器，使之带动次镜沿主光轴平移，使激光聚焦点位于卡式望远镜的焦点上，即完成聚焦调节。
[0020](4)主控制器及数据分析系统发出控制指令给全反镜运动控制器，使其带动全反镜切出光路中的第二光轴与第三光轴相交的位置，即切出工作位置。
[0021](5)主控制器及数据分析系统发出控制指令给切换控制器，使其带动1064nm扩束镜切入光路。
[0022](6)主控制器及数据分析系统给IC⑶面阵探测器设定ICXD面阵探测器测LIBS光谱的曝光时间Λ t。主控制器及数据分析系统发出控制指令给多通道数字延时脉冲发生器，使其先给1064nm高能脉冲激光器发启动脉冲S1，再给ICCD面阵探测器发快门启动脉冲S2，并设定31与32的延时为七1。
[0023](7) 1064nm高能脉冲激光器启动后，1064nm高能脉冲激光器发出的一个波长为1064nm纳秒级激光脉冲沿主光轴传输，经1064nm扩束镜扩束，并经多色镜镀有高透膜的一面透射，穿过望远镜出入孔，分别经次镜与主镜反射后，聚焦至火星探测目标的激光聚焦点上。在激光聚焦点上激发出的LIBS信号依次经主镜、次镜反射，穿出望远镜出入孔，经多色镜反射后，转向第二光轴；经采集透镜组收集，通过光谱信号采集光纤送入ICCD光谱仪；阶梯光栅对该LIBS信号进行分光，在ICCD面阵探测器曝光时间Λ t内，由ICCD面阵探测器进行光电转换；转换后的LIBS光谱图送至主控制器及数据分析系统进行存储。
[0024](8)主控制器及数据分析系统发出控制指令给切换控制器，使其带动倍频扩束组件切入光路。
[0025](9)主控制器及数据分析系统给ICXD面阵探测器设定ICXD面阵探测器测时域分辨LIF光谱的曝光时间At’。主控制器及数据分析系统发出控制指令给多通道数字延时脉冲发生器，使其先给1064nm高能脉冲激光器发启动脉冲S3，再给ICCD面阵探测器发快门启动脉冲S4、S5、S6、S7i…、Sp Si+1、…、Sn(共N-3个快门启动脉冲，也就是ICCD摄取N-3次LIF光谱信号，用于时域分辨LIF光谱探测)，并设定33与S 4的延时为12;S 1与S i+1的延时(i大于等于4)为t3o
[0026](10) 1064nm高能脉冲激光器启动后，1064nm高能脉冲激光器发出的一个波长为1064nm纳秒级激光脉冲沿主光轴传输，经倍频扩束组件中的三倍频晶体后，得到355nm激光脉冲，再经355nm扩束镜后，经多色镜镀有高透膜的一面透射，穿过望远镜出入孔，分别经次镜与主镜反射后，聚焦至火星探测目标的激光聚焦点上。在激光聚焦点上激发出的LIF信号依次经主镜、次镜反射，穿出望远镜出入孔，经多色镜反射后，转向第二光轴；经采集透镜组收集，通过光谱信号采集光纤送入ICCD光谱仪；阶梯光栅对该LIF信号进行分光，在ICXD面阵探测器的N-3次曝光中的每一次曝光时间Λ t’内，由ICXD面阵探测器进行光电转换；转换后获得的N-3幅LIF光谱图送至主控制器及数据分析系统进行存储。
[0027](11)主控制器及数据分析系统对存储的I幅LIBS光谱信号及N_3幅LIF光谱图进行联合光谱分析。
[0028]其中由LIBS光谱图进行火星探测目标的主要元素进行定性及定量分析；由N-3幅LIF光谱图进行LIF时域分辨光谱分析，对火星探测目标的痕量及微量元素，尤其是对火星表面的稀土元素及其氧化物分子进行定性及定量分析。
[0029]本专利的有益效果是，提供了一种火星物质识别的联合激光光谱方法，该方法融合了 LIBS光谱探测及LIF时域分辨光谱技术，可发挥各自的优势，有效扩大火星表面物质元素探测的范围。在有效扩大元素探测范围的同时，对两种激光光谱技术采用同一激光源与同一探测器，保持了整个系统的紧凑便捷性。
【附图说明】
[0030]图1为本专利系统结构及测试原理不意图，图中:1 火星探测目标；2 激光聚焦点；3 主光轴；4 次镜；5 卡式望远镜；6 主镜；7 全反镜；8采集透镜组；9一一透镜组光纤接口 ；10—一光谱信号采集光纤；11一一光谱仪光纤接口 ；12 ICXD光谱仪；13 阶梯光棚；14 ICXD面阵探测器；15 全反镜运动控制器；16一一激光测距机；17—一主控制器及数据分析系统；18—一多通道数字延时脉冲发生器；19——1064nm扩束镜；20——1064nm高能脉冲激光器；21——切换控制器；22——倍频扩束组件；23——三倍频晶体；24——355nm扩束镜；25——第三光轴；26——多色镜；27——第二光轴；28 次镜运动控制器；29 望远镜出入孔。
[0031]注:ICCD即Intensified CCD，增强电荷耦合器件。
【具体实施方式】
[0032]本专利【具体实施方式】如图1所示。
[0033]本专利提出的火星物质识别的联合激光光谱系统包括卡式望远镜5、ICCD光谱仪12、激光测距机16、主控制器及数据分析系统17、多通道数字延时脉冲发生器18、1064nm扩束镜19、1064nm高能脉冲激光器20、倍频扩束组件22及辅助光机组件。
[0034]其中，卡式望远镜5主要由次镜4和主镜6组成；倍频扩束组件22由三倍频晶体23和355nm扩束镜24组成；I(XD光谱仪12的核心元件为阶梯光栅13和ICXD面