[發(fā)明專利]用于測(cè)量元素濃度的手持式分析儀和方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201780023159.7
• 申請(qǐng)日: 2017-04-11
• 公開（公告）號(hào): CN109661570A
• 公開（公告）日: 2019-04-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 瓦倫丁·蓋龐特瑟夫;伊萬·庫(kù)拉特夫;羅曼·比約科夫;葉卡捷琳娜·范迪雅娜;謝爾蓋·帕什科;奧列格·莫拉瓦特斯基;安德烈·萊斯尼科夫;娜杰日達(dá)·科雅珍科;德米特里·奧利諾夫
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: IPG光子公司;激光出口有限公司
• 主分類號(hào): G01N21/71
• 分類號(hào): G01N21/71;G01J3/443
• 代理公司: 中科專利商標(biāo)代理有限責(zé)任公司 11021
• 代理人: 趙偉

1.一種通過利用手持式分析儀測(cè)量元素濃度的方法，包括：

激勵(lì)脈沖激光，從而以0.1至50kHz的脈沖重復(fù)率輸出脈沖序列，每個(gè)脈沖具有0.01至1.5ns的持續(xù)時(shí)間以及在50和1000μJ之間的脈沖能量；

將激光束聚焦到待分析的樣品上，從而產(chǎn)生在所需波長(zhǎng)范圍內(nèi)輻射特征光譜的高溫、高電離的等離子體；

用經(jīng)聚焦的激光束掃描所述樣品的區(qū)域，以便通過單個(gè)脈沖在所述區(qū)域內(nèi)的每個(gè)位置產(chǎn)生所述等離子體，從而連續(xù)地將所述激光束聚焦在所述樣品上；以及

在光譜儀中收集等離子體輻射，從而產(chǎn)生信號(hào)輸出；以及

處理所述信號(hào)輸出，從而測(cè)量存在于樣品中的元素的濃度。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，經(jīng)聚焦的激光束基本上是衍射受限的，在1.5-1.6nm波長(zhǎng)范圍發(fā)射的，并且在所述樣品的表面上具有在5至60μm范圍內(nèi)的束斑。

3.根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中，所述至少一個(gè)光譜儀具有在1至200皮米范圍內(nèi)的分辨率以及在170和800nm之間的期望波長(zhǎng)范圍。

4.根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中，采用雙電荷離子線CIII以約0.01％的檢測(cè)限來測(cè)量碳鋼中的碳濃度，而以在0.01％以下的檢測(cè)限來測(cè)量典型存在于所述碳鋼中的其他元素的濃度，所述其他元素包括Si、Mn、Cr、Ni、Mo、Ti、V、Cu和Al。

根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，還包括確定鋼等級(jí)。

5.根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，還包括顯示元素濃度的測(cè)量結(jié)果。

6.根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，還包括在掃描時(shí)對(duì)經(jīng)聚焦的激光束進(jìn)行自動(dòng)聚焦。

7.一種元素濃度測(cè)量的手持式分析儀，包括：

脈沖激光源，被配置為以0.1至50kHz的脈沖重復(fù)率輸出具有信號(hào)波長(zhǎng)的信號(hào)光脈沖的序列，其中，所述光信號(hào)脈沖均具有0.01至1.5ns的持續(xù)時(shí)間以及在50至1000uJ之間的脈沖能量；

聚焦透鏡(或透鏡組合)，每個(gè)脈沖入射到所述聚焦透鏡(或透鏡組合)上，并且所述聚焦透鏡(或透鏡組合)可沿著傳播路徑可控制地移位，以將信號(hào)光脈沖聚焦成樣品處的焦斑，從而激光誘導(dǎo)輻射特征光譜的高溫高電離等離子體(等離子體)，其中，所述焦斑在5到60μm范圍內(nèi)變化；

掃描儀，被配置為用經(jīng)聚焦光束掃掠所述樣品的表面，以便通過單個(gè)脈沖在每個(gè)照射的表面位置處產(chǎn)生所述等離子體；

至少一個(gè)光譜儀，被配置為從所述等離子體接收光，產(chǎn)生描述光譜的信息并產(chǎn)生信號(hào)輸出；以及

處理器，用于處理所述信號(hào)輸出，從而測(cè)量存在于樣品中的元素的濃度。

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的手持式分析儀，其中，所述激光源包括被動(dòng)調(diào)Q激光器，包括：

摻鐿(Yb)固態(tài)增益介質(zhì)，輸出基波波長(zhǎng)的泵浦光，并設(shè)置有在基波波長(zhǎng)下具有高反射性的輸入鏡；

輸出耦合器，在基波波長(zhǎng)下具有高反射性，并與所述輸入鏡針對(duì)基波光限定激光腔；

可飽和吸收器，被配置為產(chǎn)生泵浦光脈沖，并位于所述輸入鏡和所述輸出耦合器之間的所述激光腔中；以及

光學(xué)參量振蕩器(OPO)，位于所述可飽和吸收器旁，并被配置有諧振器，所述諧振器限定在所述輸出耦合器和在所述基波波長(zhǎng)下透明的第二鏡之間，所述OPO具有被布置在所述諧振器內(nèi)的非線性晶體以將所述基波光頻率轉(zhuǎn)換為信號(hào)波長(zhǎng)長(zhǎng)于所述基波波長(zhǎng)的信號(hào)光，其中，所述第二鏡在所述信號(hào)波長(zhǎng)下是高反射性的，而所述輸出耦合器在所述信號(hào)波長(zhǎng)下是部分透明的。

9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的手持式分析儀，還包括泵浦源，所述泵浦源以范圍在940和950nm之間的子泵浦波長(zhǎng)來泵浦所述摻Y(jié)b固態(tài)增益介質(zhì)，所述摻Y(jié)b固態(tài)介質(zhì)包括Yb：YAG晶體，所述Yb：YAG晶體工作在1020-1050nm范圍內(nèi)的基波波長(zhǎng)下，所述光學(xué)吸收器是Cr：YAG晶體，并且所述非線性晶體是產(chǎn)生范圍在1500-1600nm之間的信號(hào)波長(zhǎng)的非臨界匹配的KTP、KTA、RTP或RTA。