阵探测器14;辅助光机组件包括全反镜7、采集透镜组8、光谱信号采集光纤10、全反镜运动控制器
15、切换控制器21、多色镜26和次镜运动控制器28。
[0035]主控制器及数据分析系统17用于给多通道数字延时脉冲发生器18、激光测距机
16、切换控制器21、次镜运动控制器28以及全反镜运动控制器15发控制指令；接收激光测距机16输出的测距信息与ICCD光谱仪12输出的光谱信号；此外，还用于发控制指令给ICXD光谱仪12，设定ICXD面阵探测器14的曝光时间。
[0036]多通道数字延时脉冲发生器18用于给1064nm高能脉冲激光器20发启动脉冲，给ICCD面阵探测器14发快门启动脉冲，并可调节控制它们之间的延时。
[0037]1064nm高能脉冲激光器20发射的脉冲激光经1064nm扩束镜19扩束，形成与望远镜出入孔29直径匹配的1064nm脉冲激光束，为LIBS激光源；1064nm高能脉冲激光器20发射的脉冲激光经倍频扩束组件22中的三倍频晶体23后，得到355nm脉冲激光，再经355nm扩束镜24后，形成与望远镜出入孔29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19与倍频扩束组件22固定联接，由切换控制器21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。
[0038]次镜4的工作凸面和主镜6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，本实施例中宽光谱范围为200nm-1600nm。
[0039]光谱信号采集光纤10通过透镜组光纤接口 9与光谱仪光纤接口 11将采集透镜组8收集的光信号耦合进ICCD光谱仪12，进行分光与光电转换。
[0040]主光轴3与第二光轴27垂直；多色镜26两面分别镀有可见光段高反膜与1064nm、355nm高透膜，它与主光轴3、第二光轴27夹角均为45度；全反镜7与多色镜26平行安装；第三光轴25与第二光轴27垂直，与主光轴3平行。
[0041]火星探测目标I位于火星物质识别的联合激光光谱系统主光轴3方向上，火星物质识别的联合激光光谱探测按以下步骤进行:
[0042](I)主控制器及数据分析系统17发出控制指令给全反镜运动控制器15，使其带动全反镜7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)。
[0043](2)主控制器及数据分析系统17发出控制指令启动激光测距机16。激光测距机16发出的波长为λ i (本实施例中为532nm)的激光束沿第三光轴25传输，经过全反镜7反射，转向沿第二光轴27传输；再经多色镜26镀有高反膜的一面反射，转向沿主光轴3传输；穿过望远镜出入孔，分别经次镜4与主镜6反射后，打到火星探测目标I的激光聚焦点2上。波长为λ ^勺回波信号依次经主镜6、次镜4反射，穿出望远镜出入孔29，经多色镜26反射后，转向第二光轴27 ;再经全反镜7反射后，转向第三光轴25，被激光测距机16接收，得到激光聚焦点2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17。
[0044](3)主控制器及数据分析系统17分析该距离信息，发出控制指令至次镜运动控制器28，使之带动次镜4沿主光轴3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。
[0045](4)主控制器及数据分析系统17发出控制指令给全反镜运动控制器15，使其带动全反镜7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。
[0046](5)主控制器及数据分析系统17发出控制指令给切换控制器21，使其带动1064nm扩束镜19切入光路。
[0047](6)主控制器及数据分析系统17给ICXD面阵探测器14设定ICXD面阵探测器14测LIBS光谱的曝光时间At(本实施例中At = I微秒)。主控制器及数据分析系统17发出控制指令给多通道数字延时脉冲发生器18，使其先给1064nm高能脉冲激光器20发启动脉冲S1，再给ICXD面阵探测器14发快门启动脉冲S2，并设定S 2的延时为t从本实施例中L= 10微秒)。
[0048](7) 1064nm高能脉冲激光器20启动后，1064nm高能脉冲激光器20发出的一个波长为1064nm纳秒级激光脉冲沿主光轴3传输，经1064nm扩束镜19扩束，并经多色镜26镀有高透膜的一面透射，穿过望远镜出入孔29，分别经次镜4与主镜6反射后，聚焦至火星探测目标I的激光聚焦点2上。在激光聚焦点2上激发出的LIBS信号依次经主镜6、次镜4反射，穿出望远镜出入孔29，经多色镜26反射后，转向第二光轴27 ;经采集透镜组8收集，通过光谱信号采集光纤10送入ICCD光谱仪12 ;阶梯光栅13对该LIBS信号进行分光，在IC⑶面阵探测器14曝光时间At内，由IC⑶面阵探测器14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17进行存储。
[0049](8)主控制器及数据分析系统17发出控制指令给切换控制器21，使其带动倍频扩束组件22切入光路。
[0050](9)主控制器及数据分析系统17给ICXD面阵探测器14设定ICXD面阵探测器14测时域分辨LIF光谱的曝光时间Λ t’ (本实施例中Λ t’ = 0.5纳秒)。主控制器及数据分析系统17发出控制指令给多通道数字延时脉冲发生器18，使其先给1064nm高能脉冲激光器20发启动脉冲S3，再给ICCD面阵探测器14发快门启动脉冲S4、S5、S6、S7、…、SpSw、…、Sn(本实施例中N = 8，即共5个快门启动脉冲，也就是ICXD摄取5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 (本实施例中t2= I微秒)；S 1与S i+1的延时Q大于等于4)为t3 (本实施例中t3= 2纳秒)。
[0051](10) 1064nm高能脉冲激光器20启动后，1064nm高能脉冲激光器20发出的一个波长为1064nm纳秒级激光脉冲沿主光轴3传输，经倍频扩束组件22中的三倍频晶体23后，得到355nm激光脉冲，再经355nm扩束镜24后，经多色镜26镀有高透膜的一面透射，穿过望远镜出入孔29，分别经次镜4与主镜6反射后，聚焦至火星探测目标I的激光聚焦点2上。在激光聚焦点2上激发出的LIF信号依次经主镜6、次镜4反射，穿出望远镜出入孔29，经多色镜26反射后，转向第二光轴27 ;经采集透镜组8收集，通过光谱信号采集光纤10送入ICXD光谱仪12 ;阶梯光栅13对该LIF信号进行分光，在ICXD面阵探测器14的N-3次曝光中的每一次曝光时间Λ t’内，由ICCD面阵探测器14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17进行存储。
[0052](11)主控制器及数据分析系统17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。
[0053]其中由LIBS光谱图进行火星探测目标I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I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。
【主权项】
1.一种用于火星物质成份探测的联合激光光谱系统，它包括卡式望远镜、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，其特征在于: 所述的倍频扩束组件(22)由三倍频晶体(23)和355nm扩束镜(24)组成；辅助光机组件包括全反镜(7)、采集透镜组(8)、光谱信号采集光纤(10)、全反镜运动控制器(15)、切换控制器(21)、多色镜(26)和次镜运动控制器(28); 所述的主控制器及数据分析系统(17)用于给多通道数字延时脉冲发生器(18)、激光测距机(16)、切换控制器(21)、次镜运动控制器(28)以及全反镜运动控制器(15)发控制指令；接收激光测距机(16)输出的测距信息与ICCD光谱仪(12)输出的光谱信号；此外，还用于发控制指令给ICCD光谱仪(12)，设定ICCD面阵探测器(14)的曝光时间； 多通道数字延时脉冲发生器(18)用于给1064nm高能脉冲激光器(20)发启动脉冲，给ICCD面阵探测器(14)发快门启动脉冲，并可调节控制它们之间的延时； 1064nm高能脉冲激光器(20)发射的脉冲激光经1064nm扩束镜(19)扩束，形成与望远镜出入孔(29)直径匹配的1064nm脉冲激光束，为LIBS激光源；1064nm高能脉冲激光器(20)发射的脉冲激光经倍频扩束组件(22)中的三倍频晶体(23)后，得到355nm脉冲激光，再经355nm扩束镜(24)后，形成与望远镜出入孔(29)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(19)与倍频扩束组件(22)固定联接，由切换控制器(21)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； 主光轴(3)与第二光轴(27)垂直；多色镜(26)两面分别镀有可见光段高反膜与1064nm、355nm高透膜，它与主光轴(3)、第二光轴(27)夹角均为45度；全反镜(7)与多色镜(26)平行安装；第三光轴(25)与第二光轴(27)垂直，与主光轴(3)平行。
【专利摘要】本专利公开了一种用于火星物质成份探测的联合激光诱导光谱系统。该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。基于该系统可联合激光诱导等离子体光谱技术与激光诱导时域分辨荧光光谱技术实现对火星物质成份的探测。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。
【IPC分类】G01N21/63, G01N21/64
【公开号】CN204679420
【申请号】CN201520372568
【发明人】万雄, 刘鹏希, 章婷婷, 况耀武
【申请人】中国科学院上海技术物理研究所
【公开日】2015年9月30日
【申请日】2015年6月2日