[發明專利]一種用于LIBS遠程探測的望遠聚焦收集系統和方法

在審

• 申請號: 201310354583.3
• 申請日: 2013-08-14
• 公開（公告）號: CN104374695A
• 公開（公告）日: 2015-02-25
• 發明（設計）人: 孫蘭香;辛勇;叢智博;齊立峰;李洋
• 申請（專利權）人: 中國科學院沈陽自動化研究所
• 主分類號: G01N21/01
• 分類號: G01N21/01;G01N21/63
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 許宗富

技術領域

本發明涉及光學設計領域，特別是一種用于LIBS遠程探測的望遠聚焦收集系統和方法。

背景技術

激光誘導擊穿光譜技術，簡稱LIBS技術，其基本原理是一束高能量的激光經透鏡聚焦后產生高溫、高密度的等離子體，通過分析等離子體光譜中的特征譜線來檢測樣品的組分含量，由于其具有無需樣品制備、可同時測量多種元素、可測固、液、氣以及非接觸式、快速測量等優點，非常適合于在線、實時、非接觸式分析，現已廣泛應用于冶金、環境、考古、深海、太空等各行各業。

目前LIBS技術的發展已由近距離測量逐漸發展到遠程測量，如在高溫、高輻射的危險環境、懸崖峭壁、太空深海等人無法到達的環境下就需要利用LIBS技術進行遠距離測量，而且隨著被測物的變化，測量距離也相應的變化，目前的LIBS系統或者是不能同時在不同距離聚焦收集，不能滿足在不同距離下的分析測量；或者是聚焦系統和收集系統是分離的，這樣的光學系統不夠緊湊，不容易調節，所以目前的LIBS系統不適合LIBS應用于未知遠距離下的分析測量。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明提供一種能使激光在不同的距離下聚焦，并且使得聚焦光斑小于1mm，保證其在被測物的表面能激發出高溫、高密度的等離子體，同時保證聚焦光路和收集光路同軸，用最少的調整量來控制在不同距離下的聚焦和收集的優化，還需保證在不同的距離下都能將寬波段的光譜信號聚焦到光纖芯徑中的望遠聚焦收集系統和方法。

本發明為實現上述目的所采用的技術方案是：一種用于LIBS遠程探測的望遠聚焦收集系統，激光初級擴束系統2同軸設置于激光發生裝置1的出射方向，用于對激光進行擴束；反射系統設置于激光初級擴束系統2的激光出射方向，用于將激光導入望遠系統中，并將等離子體7導入光纖耦合系統8；望遠系統同軸設置于反射系統的激光出射方向一側，用于對激光進行擴束聚焦，并收集激光聚焦到被測物表面產生的等離子體7；光纖耦合系統8在反射系統的另一側，與望遠系統同軸設置，并在光纖耦合系統8的聚焦焦點處設置光纖9。

所述激光初級擴束系統2包括依次同軸設置的第一雙凹負透鏡10、第一彎月透鏡11和第一雙凸正透鏡12，所述第一雙凸正透鏡12的出射激光與光軸平行。

所述反射系統包括與激光初級擴束系統2的光軸成45度角設置的反射鏡3和二向色鏡4；

所述反射鏡3和二向色鏡4的中心分別與激光初級擴束系統2和望遠系統同軸，且中心連線垂直于初級擴束系統2的光軸。

所述望遠系統包括在二向色鏡4的激光出射方向依次同軸設置的主鏡5和副鏡6。

所述主鏡5為凹球面鏡，且中心開孔；所述副鏡6為可在光軸方向移動的凸非球面鏡。

所述光纖耦合系統包括在通過二向色鏡4的等離子體7的出射方向依次同軸設置的第二雙凸正透鏡13、第二雙凹負透鏡14、第三雙凸正透鏡15和第二彎月透鏡16。

一種用于LIBS遠程探測的望遠聚焦收集方法，激光發生裝置1發出激光光束，激光初級擴束系統2接收并將激光光束進行第一次擴束后，經過反射鏡3和二向色鏡4的反射，并通過主鏡5的中心孔照射到副鏡6；激光光束經副鏡6擴束后反射到主鏡5上再次反射，通過主鏡5反射的激光光束聚焦，產生等離子體7；等離子體7經主鏡5收集后，反射到副鏡6再次反射，并通過二向色鏡4后傳輸到光纖耦合系統8；等離子體7通過光纖耦合系統8后耦合到光纖9中，光纖9將等離子體7傳輸到光譜儀中進行分光探測，得到含被測物組分含量信息的光譜圖。

本發明具有以下有益效果及優點：

1.可在不同距離下對激光進行聚焦，且聚焦光斑小于1mm，保證了在被測物表面能激發出高溫、高密度的等離子體；

2.聚焦光路和收集光路為同軸結構，使得系統更加緊湊、更加容易調節；

3.望遠系統即作為激光聚焦系統的一部分，又作為光譜信號收集系統的一部分，保證了只需移動副鏡即可實現激光聚焦和光譜信號收集在不同距離下能同時優化，大大縮短了優化時間;

4.在不同距離下能將寬波段的信號光都耦合到光纖芯徑中。

附圖說明

圖1是本發明的總體結構示意圖；

圖2是本發明的激光初級擴束系統的光學結構示意圖；

圖3是本發明的收集系統的光學結構示意圖；

圖4是激光經本系統后在5m處聚焦的幾何彌散斑示意圖；

圖5是5m外的光譜信號經本系統收集聚焦的幾何彌散斑示意圖；