[發明專利]一種基于光束整形的激光擊穿光譜測量系統

在審

• 申請號: 201811156791.1
• 申請日: 2018-09-30
• 公開（公告）號: CN109030466A
• 公開（公告）日: 2018-12-18
• 發明（設計）人: 王哲;侯宗余;李天奇;傅楊挺;俞建龍;顧煒倫
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: G01N21/73
• 分類號: G01N21/73;G01N21/71
• 代理公司: 北京鴻元知識產權代理有限公司 11327
• 代理人: 邸更巖

一種基于光束整形的激光擊穿光譜測量系統，該系統含有脈沖激光器、聚焦透鏡、待測樣品、探頭、光纖、光譜儀、計算機、ICCD相機以及可編程光束整形器；該光束整形器設置在脈沖激光器和聚焦透鏡之間。激光束通過可編程光束整形器和聚焦透鏡后照射到樣品上并產生等離子體，由ICCD相機采集等離子體空間強度分布，通過調節可編程光束整形器的程序不斷的改變光束空間強度分布，使得ICCD相機采集得到的等離子體空間強度分布呈現為均勻分布。此時，激光對待測樣品的燒蝕量和等離子體光譜的穩定性均得到提高。本發明可使激光更有效、更均勻的燒蝕樣品，從而降低了等離子體內部波動，對提高LIBS技術測量可重復性和準確性具有很重要的意義。

技術領域

本發明涉及一種激光擊穿光譜測量系統，尤其涉及一種基于光束整形的激光擊穿光譜測量系統,屬于激光誘導擊穿光譜技術與測量技術領域。

背景技術

激光誘導擊穿光譜技術，是一種新型的原子發射光譜法，激光擊穿光譜技術(LIBS)系統主要包括脈沖激光器、光譜儀等設備，其基本技術原理為：使用一束高能量的激光脈沖作為激勵源，激光在樣品表面聚焦成一個光斑，光斑內具有很高的能量密度，使得樣品在很短時間內被氣化并產生等離子體，等離子體溫度很高，其中處于高能級的原子和離子會自發躍遷到較低能級并釋放出特定頻率的光子，利用光譜儀和CCD記錄下不同頻率的光子數量即可得到光譜，光譜中不同波長的特征譜線代表了樣品中不同的元素，特征譜線的相對強度則代表了相應元素的濃度信息。通過分析樣品的光譜，即可得到待測物質中元素的種類和濃度信息。由于所有的元素在激發到足夠高的溫度時都會發出特征頻率的光，所以LIBS原理上可以檢測所有的元素。

與現有的其他分析技術相比，LIBS技術主要具有以下優點：㈠、所適用的樣品范圍廣，幾乎適用于各種形態的物質，在固體、液體或氣體測量上都具有非常廣泛的應用，而且也可以分析高硬度以及難溶的物質；㈡、是一種全元素分析技術，只需一束激光脈沖，即可基本得到樣品所含的所有元素信息；㈢、樣品制備簡單，不需要或只需要很簡單的樣品預處理過程；㈣、是一種微損測量方法，由于每個激光脈沖燒蝕的物質量極少，樣品不會在檢測過程中被破壞或者發生二次污染，因此可以用于貴重物品的檢測，如藝術品、古董、文物等；㈤、分析速度很快，通過搭建完整的LIBS系統和數據處理模塊，只需幾秒鐘即可得到分析結果，便于實現真正的在線測量；㈥、設備價格相對低廉，且無輻射危害，后期運行維護成本也比較低。

基于上述優點，LIBS可以為很多生產過程提供原位、在線、或快速的關鍵元素濃度信息，對提高某些工業生產過程的效率或者產品的品質，比如煤炭生產與利用、冶金、水泥生產等有著非常巨大的作用和意義，并在土壤檢測、污水檢測、核安全、深海勘探、外太空勘探等各個方面也有著巨大的應用潛力。

但是，目前實現LIBS的精確定量化存在著可重復性較差等問題，其穩定有待進一步提高。對于常見的用于LIBS的激光，其光束剖面的能量分布為高斯分布，光束中心較小區域內聚集著大量激光能量，在光束邊緣較大范圍內具有相對較低的能量。使用這樣的激光照射樣品，一方面會使得在一個激光脈沖的時間內，位于光束中心區域內的樣品首先被燒蝕，相比于其他區域更早的產生等離子體，等離子體在產生之后會迅速膨脹變大，很快就能覆蓋住整個光斑，由于等離子體對激光具有屏蔽效應，從而抑制了激光光束邊緣區域對于樣品的燒蝕，使得總燒蝕量降低。另一方面，激光剖面的能量的集中分布會導致等離子體中心和邊緣區域接收到的能量不同，從而在等離子體內部產生較大的溫度梯度、電子密度梯度等，從而導致等離子體內部發生劇烈的震蕩，使得等離子體輻射強度隨之震蕩，直接導致了我們使用光譜儀收到的譜線具有很大的不確定性。目前，在優化光斑質量，提高激光擊穿光譜穩定性方面，仍缺少相應的研究和應用。

發明內容

本發明的目的是提供一種基于光束整形的激光擊穿光譜測量系統，旨在克服激光剖面的能量分布過于集中導致等離子體中心和邊緣區域接收到的能量存在明顯差異的問題，以使激光可以更有效、更均勻的燒蝕樣品，從而增加激光對待測樣品的燒蝕量和提高等離子體光譜的穩定性。

本發明的技術方案如下：