[发明专利]一种线形激光光束增强型重金属含量检测方法

说明书

技术领域

本发明属于光学技术领域，涉及一种重金属含量检测方法，特别是线形激光光束增强型重金属含量检测方法，主要环境监测、节能减排、工业过程控制等领域中的空气中悬浮重金属的含量检测。

技术背景

重金属一般指原子密度大于或等于5×10^-3kg/m³的金属元素，如铅、镉、铬、金、银、铜等，约有45种。有毒重金属是指某些重金属通过食物进入人体，干扰人体正常生理功能，危害人体健康。例如，铅是人体非必需的物质，而且很容易在人体内富集，而不易排出。重金属含量检测需求广泛存在于环境监测、节能减排、工业过程控制等领域中。

在先技术中，对重金属的检测方法主要有原子吸收光谱法、原子发射光谱法和原子荧光光谱法。原子吸收光谱法具有灵敏度高、选择性好、稳定性好等特点，但是受化学干扰严重，重复性和准确性差，要做样品的预先处理，测试完成后要除去残留物质。原子发射光谱法，具有分析速度快、重复性好、可同时检测多种元素等优点，但同样易受化学干扰，一般多用于固体金属的分析，而基于等离子体的发射光谱分析可以检测液体，但是分析速度慢。原子荧光光谱法具有分析精确，选择性好，检出限低，线性范围宽，干扰少等优点，但是原子荧光光谱分析仪结构复杂，需要原子化装置，要对样品进行预处理。以上方法都不能够连续在位地检测空气中重金属含量。

另外，在先技术中还存在一种重金属含量检测装置，参见发明专利一种检测空气中悬浮铅含量的装置，专利号为ZL200910097973.0，此发明虽然具有一定的优点，但是存在本质不足：系统结构复杂，激光束单次经过被测空间，光能利用率低；能被激光诱导的荧光的被测区域小，系统测试结果波动性有限；激光诱导的荧光信号弱，并且由双面反射镜反射后再收集荧光信号，荧光信号进一步减弱；此发明在本质上无法实现重金属含量的高灵敏度检测。

发明内容

本发明的目的在于针对上述技术的不足，提供一种线形激光光束增强型重金属含量检测方法，具有光能利用率高、激光诱导的荧光信号强、稳定性好、在线原位监测、无需原子化、检测灵敏度高等特点。

本发明的基本构思是：利用激光腔增强原理，几何参数相同的两个椭球面反射镜设置于相同几何参数的一个椭球曲面上，并且位于椭球曲面长轴方向的两侧椭球曲面上，两个椭球面反射镜的光反射层均位于椭球曲面内侧，构成椭球面光学稳定腔；激光束从椭球面光学稳定腔侧面斜入射到一个椭球面反射镜上后，在两个椭球面反射镜之间往返传播，并且每次反射后均更靠近于椭球曲面长轴，沿着椭球曲面长轴形成线形强激光束；激光束区域中的重金属受激吸收光子后释放出荧光，荧光被椭球面光学稳定腔侧面设置的光束会聚元件收集，输入到光谱检测仪器中，光谱检测仪器检测重金属的特征谱线强度，得到空气中重金属的含量。此方法无需原子化、系统简单、稳定性好、可靠性高、在线原位检测，检测灵敏度高。

本发明方法的具体步骤如下，

步骤(1)将入射椭球面反射镜和出射椭球面反射镜设置于同一个椭球曲面长轴方向的两侧椭球曲面上，入射椭球面反射镜和出射椭球面反射镜所位于的椭球曲面的几何参数与入射椭球面反射镜和出射椭球面反射镜的几何参数相同，入射椭球面反射镜和出射椭球面反射镜的圆形开口直径均小于椭球曲面短轴的五分之四，入射椭球面反射镜和出射椭球面反射镜的光反射层均位于椭球曲面内侧，反射率均高于85%，构成椭球面光学稳定腔。

步骤(2)激光光源设置在入射椭球面反射镜和出射椭球面反射镜的椭球面光学稳定腔侧面开口处，激光光源离椭球曲面的长轴距离均大于入射椭球面反射镜和出射椭球面反射镜的圆形开口半径。

步骤(3)激光光源出射光束从椭球面光学稳定腔侧面经过椭球曲面的入射椭球面反射镜一侧的焦点，斜入射到入射椭球面反射镜的反射面上后，光束在入射椭球面反射镜和出射椭球面反射镜之间往返传播，并且每次反射后均更趋向于椭球曲面长轴，椭球面光学稳定腔的稳定光场模式是沿着椭球曲面长轴形成线形强激光束，并且在椭球曲面两个焦点处最强。

步骤(4)激光束区域中的重金属受激吸收光子后释放出荧光，将光束会聚元件设置在椭球面光学稳定腔的侧面开口处，并且与激光光源位置不重合，荧光被椭球面光学稳定腔侧面设置的光束会聚元件会聚，在光束会聚元件的荧光会聚区设置有光谱检测仪器，光谱检测仪器检测重金属的特征谱线强度，得到重金属的含量。

所述的激光光源为气体激光器、固态激光器、染料激光器中的一种。

所述的光束会聚元件为单透镜、透镜阵列、菲涅尔透镜中的一种。