[發明專利]一種線形激光光束增強型重金屬含量檢測方法

有效

• 申請號: 201110111700.4
• 申請日: 2011-05-03
• 公開（公告）號: CN102253021A
• 公開（公告）日: 2011-11-23
• 發明（設計）人: 高秀敏;辛青;周吉
• 申請（專利權）人: 杭州電子科技大學
• 主分類號: G01N21/64
• 分類號: G01N21/64
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 杜軍

技術領域

本發明屬于光學技術領域，涉及一種重金屬含量檢測方法，特別是線形激光光束增強型重金屬含量檢測方法，主要環境監測、節能減排、工業過程控制等領域中的空氣中懸浮重金屬的含量檢測。

技術背景

重金屬一般指原子密度大于或等于5×10^-3kg/m³的金屬元素，如鉛、鎘、鉻、金、銀、銅等，約有45種。有毒重金屬是指某些重金屬通過食物進入人體，干擾人體正常生理功能，危害人體健康。例如，鉛是人體非必需的物質，而且很容易在人體內富集，而不易排出。重金屬含量檢測需求廣泛存在于環境監測、節能減排、工業過程控制等領域中。

在先技術中，對重金屬的檢測方法主要有原子吸收光譜法、原子發射光譜法和原子熒光光譜法。原子吸收光譜法具有靈敏度高、選擇性好、穩定性好等特點，但是受化學干擾嚴重，重復性和準確性差，要做樣品的預先處理，測試完成后要除去殘留物質。原子發射光譜法，具有分析速度快、重復性好、可同時檢測多種元素等優點，但同樣易受化學干擾，一般多用于固體金屬的分析，而基于等離子體的發射光譜分析可以檢測液體，但是分析速度慢。原子熒光光譜法具有分析精確，選擇性好，檢出限低，線性范圍寬，干擾少等優點，但是原子熒光光譜分析儀結構復雜，需要原子化裝置，要對樣品進行預處理。以上方法都不能夠連續在位地檢測空氣中重金屬含量。

另外，在先技術中還存在一種重金屬含量檢測裝置，參見發明專利一種檢測空氣中懸浮鉛含量的裝置，專利號為ZL200910097973.0，此發明雖然具有一定的優點，但是存在本質不足：系統結構復雜，激光束單次經過被測空間，光能利用率低；能被激光誘導的熒光的被測區域小，系統測試結果波動性有限；激光誘導的熒光信號弱，并且由雙面反射鏡反射后再收集熒光信號，熒光信號進一步減弱；此發明在本質上無法實現重金屬含量的高靈敏度檢測。

發明內容

本發明的目的在于針對上述技術的不足，提供一種線形激光光束增強型重金屬含量檢測方法，具有光能利用率高、激光誘導的熒光信號強、穩定性好、在線原位監測、無需原子化、檢測靈敏度高等特點。

本發明的基本構思是：利用激光腔增強原理，幾何參數相同的兩個橢球面反射鏡設置于相同幾何參數的一個橢球曲面上，并且位于橢球曲面長軸方向的兩側橢球曲面上，兩個橢球面反射鏡的光反射層均位于橢球曲面內側，構成橢球面光學穩定腔；激光束從橢球面光學穩定腔側面斜入射到一個橢球面反射鏡上后，在兩個橢球面反射鏡之間往返傳播，并且每次反射后均更靠近于橢球曲面長軸，沿著橢球曲面長軸形成線形強激光束；激光束區域中的重金屬受激吸收光子后釋放出熒光，熒光被橢球面光學穩定腔側面設置的光束會聚元件收集，輸入到光譜檢測儀器中，光譜檢測儀器檢測重金屬的特征譜線強度，得到空氣中重金屬的含量。此方法無需原子化、系統簡單、穩定性好、可靠性高、在線原位檢測，檢測靈敏度高。

本發明方法的具體步驟如下，

步驟(1)將入射橢球面反射鏡和出射橢球面反射鏡設置于同一個橢球曲面長軸方向的兩側橢球曲面上，入射橢球面反射鏡和出射橢球面反射鏡所位于的橢球曲面的幾何參數與入射橢球面反射鏡和出射橢球面反射鏡的幾何參數相同，入射橢球面反射鏡和出射橢球面反射鏡的圓形開口直徑均小于橢球曲面短軸的五分之四，入射橢球面反射鏡和出射橢球面反射鏡的光反射層均位于橢球曲面內側，反射率均高于85%，構成橢球面光學穩定腔。

步驟(2)激光光源設置在入射橢球面反射鏡和出射橢球面反射鏡的橢球面光學穩定腔側面開口處，激光光源離橢球曲面的長軸距離均大于入射橢球面反射鏡和出射橢球面反射鏡的圓形開口半徑。

步驟(3)激光光源出射光束從橢球面光學穩定腔側面經過橢球曲面的入射橢球面反射鏡一側的焦點，斜入射到入射橢球面反射鏡的反射面上后，光束在入射橢球面反射鏡和出射橢球面反射鏡之間往返傳播，并且每次反射后均更趨向于橢球曲面長軸，橢球面光學穩定腔的穩定光場模式是沿著橢球曲面長軸形成線形強激光束，并且在橢球曲面兩個焦點處最強。

步驟(4)激光束區域中的重金屬受激吸收光子后釋放出熒光，將光束會聚元件設置在橢球面光學穩定腔的側面開口處，并且與激光光源位置不重合，熒光被橢球面光學穩定腔側面設置的光束會聚元件會聚，在光束會聚元件的熒光會聚區設置有光譜檢測儀器，光譜檢測儀器檢測重金屬的特征譜線強度，得到重金屬的含量。

所述的激光光源為氣體激光器、固態激光器、染料激光器中的一種。

所述的光束會聚元件為單透鏡、透鏡陣列、菲涅爾透鏡中的一種。