[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

说明书

技术领域：

本发明专利涉及一种利用激光光谱手段进行海洋化学探测的技术，属于海洋技术和光学仪器技术领域。

背景技术：

目前，大部分海洋化学探测都需要采集样品送回水上的实验室进行分析，缺乏用于水下现场探测的化学传感器。大部分现场探测传感器针对的是海洋物理环境参数，对于海洋学成分的实时、原位分析基本依靠于对特定组分的传感器的开发，非常缺少针对多种环境和多种成分的化学分析测试手段。近年来发展了一些激光光谱海洋化学探测技术，如拉曼光谱、激光诱导击穿光谱等，但这些技术探测物质不够全面，如拉曼光谱通常探测水中的阴离子，激光诱导击穿光谱探测水中的阳离子，非常需要一种能同时探测阴离子和阳离子的技术手段。

发明内容：

本发明将激光拉曼光谱技术和激光诱导击穿光谱(Laser induced breakdown spectroscopy，LIBS，简称：LIBS)技术结合，提供一套可同时探测海水中阴离子和阳离子的新型海洋化学探测传感器装置以及利用该探测传感器装置进行水下原位探测的方法。

与固体激光诱导击穿光谱探测技术相比，液体的激光烧蚀效率更低，探测难度更大；对于水下环境，尤其是海水现场探测，由于受到压力的影响，激光诱导等离子体的寿命进一步缩短，使得单脉冲激光诱导击穿光谱探测技术的水下应用受到了极大的限制，不得不继续寻找更适合的光谱分析技术。而双脉冲激光诱导击穿光谱技术首先利用第一激光脉冲对样品进行烧蚀，在等离子体膨胀冷却过程中，第二激光脉冲对正在冷却的等离子体进行再度的激发，此时对等离子体的辐射进行光谱探测分析。相对于单脉冲技术，双脉冲技术的烧蚀效率、谱线强度及元素检测限都有很大程度的提高。因此，本发明中选择双脉冲激光器作为激光光源，对水下激光诱导击穿光谱探测。为实现系统的小型化，本发明中使用一台激光器实现双脉冲输出，而目前的实验系统通常采用两台激光器构成双脉冲激光发射系统。

激光拉曼光谱和激光诱导击穿光谱联合探测装置中，由于激光诱导击穿光谱探测采用脉冲激光器，从器件生产成本方面考虑，激光拉曼光谱优选采用脉冲激光器。但是大量的研究报道显示，拉曼探测技术中更多的采用连续激光器作为光源，相比脉冲激光器而言是更为普遍和成熟的技术。同时，目前生产的连续激光器体积、功耗都很小，连续激光器的引入对系统负担并不大，采用连续激光器，可对拉曼信号进行长时间积分并通过时序控制实现同LIBS信号分离。

激光诱导击穿光谱探测的光谱范围是200-900nm，光谱分辨率为0.1nm，对采用激光波长为532nm激发的拉曼探测，光谱范围为533-680nm，光谱分辨率5cm^-1。从光谱分辨率和光谱范围分析，激光诱导击穿光谱选择的光谱仪可完全满足拉曼探测的需要。为满足LIBS全光谱的探测，通常采用阶梯光栅光谱仪，另外考虑到拉曼光谱收集效率，选择F数较小的光谱仪。

本发明中激光拉曼光谱和激光诱导击穿光谱共同使用光谱仪和探测器，激光诱导激光光谱双脉冲激光器外挂设计可联合探测激光拉曼光谱和激光诱导击穿光谱。激光拉曼光谱采用532nm连续激光器作为激发光源，激光诱导击穿光谱采用1064nm双脉冲激光器作为激发光源，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。连续激光器、光谱仪和探测器针对水下应用，选用高性能、小体积器件，可集成在一个舱体内，双脉冲激光器体积较大，单独占用一个密封舱。激光拉曼光谱舱为主体舱，可单独使用进行拉曼光谱探测的水下研究，也可与外挂式激光诱导激光光谱探测舱联用，LIBS信号经外挂舱的前置光路收集进入传输光纤，导入主体舱的光谱仪进行水下LIBS探测，并实现水下激光拉曼光谱/激光诱导击穿光谱的联合探测。

附图说明：

图1是水下激光拉曼光谱/激光诱导击穿光谱联合探测系统结构示意图；

图2是激光拉曼光谱探测前置光路示意图；

图3是外挂式激光诱导击穿光谱探测前置光路示意图；

图4是激光拉曼光谱/激光诱导击穿光谱联合探测工作时序控制图；

图5是水下激光拉曼光谱/激光诱导击穿光谱联合探测工作流程图；