[发明专利]水下激光拉曼光谱/激光诱导击穿光谱联合探测装置与方法

权利要求书

1.一种将激光拉曼光谱技术和激光诱导击穿光谱(LIBS)技术结合的水下光谱探测装置，由激光拉曼主体密封舱(1)和LIBS外挂舱(2)两部分组成，激光拉曼光谱和激光诱导击穿光谱使用共同的光谱仪和探测器获取，激光诱导击穿光谱系统中的激光器和LIBS信号探测前置光路采用外挂设计，其特征在于激光拉曼主体密封舱内包括连续激光器、前置光路、光谱仪、探测器和电子控制模块，其中激光拉曼光谱的探测采用连续激光器作为激发光源，激光诱导击穿光谱采用双脉冲激光器作为激发光源，激光拉曼主体密封舱内的所述前置光路包括全反镜(11)、高通二向色镜(12)、陷波滤光片(14)、第一会聚和收集透镜(13)、第一光纤耦合透镜(15)和拉曼信号传输光纤(8)；电子控制模块包括供电模块、控制模块和通讯模块三部分。

2.根据权利要求1所述的水下光谱探测装置，其特征在于激光拉曼主体密封舱内连续激光器直接出射激光，经第一全反镜(11)到达高通二向色镜(12)，再经第一会聚和收集透镜(13)聚焦入射到待测水体中，拉曼信号和水体的瑞利散射由第一会聚和收集透镜(13)收集，经过陷波滤光片(14)滤除水体瑞利散射，经第一光纤耦合透镜(15)耦合到拉曼信号传输光纤(8)，拉曼信号传输光纤(8)的另一端连接到光谱仪，光谱仪对信号进行分光，经探测器转换成电信号，最终送入供电/控制/通讯模块进行处理和传输；外挂式激光诱导击穿光谱舱内双脉冲激光器直接出射的激光，经第二全反镜(16)到低通二向色镜(17)，再经第二会聚和收集透镜(18)聚焦入射到待测水体中，由第二会聚和收集透镜(18)收集的激光诱导击穿光谱信号经第二光纤耦合透镜(19)耦合进入LIBS信号传输前端光纤(5)，再经光纤耦合器(6)进入LIBS信号传输后端光纤(7)，最后导入光谱仪，实现LIBS信号的探测。

3.根据权利要求1所述的水下光谱探测装置，其特征在于激光拉曼主体密封舱内的所述连续激光器出射激光波长为532nm，采用外挂设计的激光诱导击穿光谱系统中的双脉冲激光器出射激光波长为1064nm。

4.根据权利要求1所述的水下光谱探测装置，其特征在于所述光谱仪采用阶梯光栅光谱仪，光谱范围200～900nm，光谱分辨率0.1nm，探测器采用ICCD。

5.根据权利要求1所述的水下光谱探测装置，其特征在于可在LIBS模式、拉曼模式和拉曼-LIBS联合探测模式之间进行选择。

6.一种将激光拉曼光谱技术和激光诱导击穿光谱技术结合的水下光谱探测方法，其特征在于，开启激光拉曼主体密封舱内的连续激光器并始终保持其正常工作，控制模块内的时序发生器控制外挂设计的双脉冲激光器打开，在触发信号后延时t1发射第一激光脉冲(20)，然后时间间隔t2后发射第二激光脉冲(21)，在第二激光脉冲(21)发射后时间间隔t3，打开探测器门控开关，探测器采集时间为G1，之后关闭，可同时获得激光诱导击穿光谱和拉曼光谱信号，其中时间间隔t2是微秒量级，并且时间间隔t2大于时间间隔t3。

7.根据权利要求6所述的水下光谱探测方法，其特征在于选择单独采集拉曼信号或者进行下一个循环，选择采集拉曼信号，则继续时间间隔t4后打开探测器门控开关，在采集拉曼信号G2时间后关闭门控开关，完成一次循环。

8.根据权利要求6所述的水下光谱探测方法，其特征在于双脉冲激光器两个脉冲之间的时间间隔t2在20～200μs之间调节。

9.根据权利要求8所述的水下光谱探测方法，其特征在于双脉冲激光器两个脉冲之间的时间间隔t2为50μs。

10.根据权利要求6所述的水下光谱探测方法，其特征在于时间间隔t3在100ns～1μs之间设置。

11.根据权利要求10所述的水下光谱探测方法，其特征在于时间间隔t3设置在100ns～200ns之间。

12.根据权利要求6所述的水下光谱探测方法，其特征在于工作过程中，第一激光脉冲(20)和第二激光脉冲(21)的单脉冲能量可在几个毫焦到几百个毫焦之间调节。

13.根据权利要求12所述的水下光谱探测方法，其特征在于工作过程中，第一激光脉冲(20)和第二激光脉冲(21)的单脉冲能量均为100mJ。