[發明專利]一種具備多探頭光信號收集單元的遠程LIBS測試系統

有效

• 申請號: 201611099463.3
• 申請日: 2016-12-05
• 公開（公告）號: CN106706600B
• 公開（公告）日: 2019-07-09
• 發明（設計）人: 李祥友;李婉婷;朱志豪;郝中騏;郭連波;曾曉雁;陸永楓
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G01N21/71
• 分類號: G01N21/71;G01N1/32
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 梁鵬

本發明屬于原子發射光譜檢測設備相關領域，并公開了一種具備多探頭光信號收集單元的遠程LIBS測試系統，并包括脈沖激光器、擴束鏡、調焦鏡組、兩個二向色鏡、多路光信號收集單元和光譜儀等；其中對于多路光信號收集單元而言，其包括多個子收集探頭、多路光纖合束器通道和傳輸光纖，并且各個子收集探頭均由小口徑透鏡組成，由此替代大口徑光學元件來組合完成對遠距離LIBS信號的采集功能。通過本發明，與現有設備相比能夠有效解決系統成本高、收集信號弱及檢測精度差等問題，并便于執行對各類探測距離不確定的被測對象的高效率檢測。

技術領域

本發明屬于原子發射光譜檢測設備相關領域，更具體地，涉及一種具備多探頭光信號收集單元的遠程LIBS測試系統，其能夠以低成本、便于操控和高精度的方式執行LIBS測試，并尤其適用于輻射、高溫、爆炸及深空等環境的遠程檢測場合。

背景技術

激光誘導擊穿光譜(Laser-Induced Breakdown Spectroscopy，簡稱LIBS)技術又稱為激光探針技術，它利用高能量激光對材料進行燒蝕，在材料表面形成高溫、高電子數密度的等離子體，并通過對等離子體中多元素的特征譜線及其強度進行分析，可實現對材料中各元素組成及含量的定性分析。與傳統的探測技術相比，LIBS技術具備實時、快速、無需樣品預處理，可實現多元素同時檢測等多項優勢，因而越來越獲得廣泛的應用。

實踐中發現，當檢測對象距離較遠或人員無法接近時，往往需要使用遠程LIBS技術對物質進行原位探測。然而，當前的遠程LIBS技術仍面臨著激光能量遠程傳輸和等離子體光譜的高效收集兩大突出問題。為了改善這些問題，現有技術中已經提出了一些解決方案。例如，WO03/027650A公開了一種基于LIBS技術對多環芳烴遠距離檢測的分析系統，其收集系統采用光纖光路式，可收集更多有效信號，但其光學元件需采用大口徑來提高激光能能傳輸及采集效率，而且實驗前需將光纖探頭置于探測對象附近才可有效收集信號；又如，CN103954593A公開了一種基于激光誘導擊穿光譜技術的等離子體信號采集裝置，其利用兩個以上采集透鏡從不同角度收集等離子體信號，信號分別輸入多個光譜儀將信號疊加后用于光譜分析，但其必需同時使用到多個光譜儀，設備成本顯著增大；此外，CN103411932B披露了一種基于遠程變焦光路復用的LIBS測試系統及測試方法，其雖然可實現LIBS激發與光譜信號采集的光路復用，但進一步的研究表明，該探測系統同樣利用大口徑光學元件采集信號，大口徑光學元件磨制困難，且容易變形，因而存在檢測系統制作成本高、檢測精度不穩定等問題。

發明內容

針對現有技術的以上不足或改進需求，本發明提供了一種具備多探頭光信號收集單元的遠程LIBS測試系統，其中通過綜合考慮遠程LIBS檢測工藝自身的特點和各種局限，對其整體光路布局和構造布置重新進行了設計，同時對重要組件如多路光信號收集單元和調焦鏡組等的具體組成結構、關鍵性能參數和相互配合方式等方面做出進一步的優化研究，較多的實際測試表明，其不僅能夠僅利用常規小口徑鏡片即可實現遠距離的LIBS信號采集，而且與現有設備相比還能有效解決系統成本高、收集信號弱及檢測精度差等問題，因而尤其適用于執行對各類探測距離不確定的被測對象的高效檢測。

為實現上述目的，按照本發明，提供了一種具備多探頭光信號收集單元的遠程LIBS測試系統，該測試系統包括脈沖激光器、擴束鏡、調焦鏡組、第一二向色鏡、第二二向色鏡、多路光信號收集單元和光譜儀，其特征在于：

所述脈沖激光器用于發射所需脈沖能量和波長的激光光束，這些激光光束首先通過所述擴束鏡執行擴束處理，然后沿著光軸傳播透過所述調焦鏡組以實現光束在不同位置的聚焦；所述第一二向色鏡、第二二向色鏡與光軸呈一定夾角且相互平行地設置在所述調焦鏡組的后方，由此將激光光束遠程傳播及會聚在被測對象表面上的一點來形成等離子體光信號，同時將該等離子體光信號予以反向傳播；