[发明专利]一种激光诱导元素分析装置

说明书

技术领域：

本发明涉及一种元素分析装置，尤其是一种对固态待测样品的激光诱导元素分析装置。

背景技术：

激光诱导光谱击穿技术(laser-induced breakdown spectroscopy,简称LIBS)是一种新兴的原子发射光谱分析技术，它将脉冲激光束聚焦到样品表面，使样品表面微量物质气化、电离、激发，形成高温等离子体；通过光学系统收集等离子体发射的元素谱线，经光纤耦合到光谱仪；光谱仪再将光谱数据传输到计算机中进行处理。LIBS技术具有快速、实时、无需样品准备、微损耗、多元素同时分析等特点。目前，LIBS技术应用领域广泛，包括传统的化学分析还有环境监测、工业在线测量、生物技术、文物保护、核工业、海洋科学、表面分析等。

但在实际应用中，LIBS检测存在灵敏度低、检出限过高的不足，限制了该技术更深入的发展和更广泛的应用。为了充分发挥LIBS的技术优势，增强信号强度和降低LIBS检出限是LIBS技术的重要发展方向。从提高LIBS光谱信号强度出发，国内外报道的主要有电-磁场信号增强装置、双脉冲激光激发装置。

电-磁场信号增强装置对于提高纯金属样品的LIBS光谱信号强度效果明显，但对于原子晶体材料不起作用。因为原子晶体通过共价键形成空间网状结构，具有很高的熔沸点和不导电的晶体特性，即原子晶体材料等离子体电离度很低，一般小于0.1％，因此，外加均匀电-磁场装置对其光谱信号增强不起作用。

双脉冲激光激发是指相隔数纳秒至数十微秒的相继两个激光脉冲作用到被测样品的同一位置上，第一束激光脉冲形成稀薄的泡沫状等离子体，第二束激光脉冲将等离子体进行加热，不断膨胀，谱线强度增强，从而降低光谱分析的检出限。但是，双脉冲技术存在空间上尚不能充分均匀激发等离子体的不足，不能让等离子体内的粒子得到充分的撞击和压缩。另外，单纯的双脉冲技术，缺少机械约束装置，等离子体很容易向外逃逸，无法形成谐振加强效果，其等离子体辐射光谱信号的增强效果也是不够理想的。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种激光诱导元素分析装置，其可从空间上均匀地对等离子体进行谐振再激发，可形成谐振加强效果，具有更强的等离子体光谱信号强度、更低的元素检出限和更高的检测灵敏度。

一种激光诱导元素分析装置，包括

初激发脉冲激光器，用于发射高能量的脉冲激光束来激发出待测样品的等离子体；

再激发脉冲激光器，用于发射高能量的脉冲激光束对由初激发脉冲激光器激发出的等离子体进行谐振再激发；

信号接收单元，用于接收采集所述经过谐振再激发后的等离子体的光谱信号；

数据分析单元，与信号接收单元的输出端连接，用于对信号接收单元采集到的光谱信号进行分析比对，以确定待测样品中所含元素的成分和/或含量；以及

控制单元，与所述初激发脉冲激光器、再激发脉冲激光器、以及信号接收单元电连接，用于控制所述初激发脉冲激光器和再激发脉冲激光器的开启顺序、以及控制信号接收单元对等离子体信号的采集时间；

其特征在于：还包括一用于谐振增强等离子体信号的空心球形约束装置，该球形约束装置的内部竖直设置有一与其球心相对的顶部用于水平放置待测样品的支撑杆，且该支撑杆的高度可调，以使待测样品的上表面刚好位于过球形约束装置球心处的水平面上；

所述初激发脉冲激光器所发射的脉冲激光束穿过球形约束装置后垂直入射至待测样品上表面中心位置，以激发出待测样品的等离子体；

所述再激发脉冲激光器包括若干台，各台再激发脉冲激光器分别周向均匀间隔分布设置于过球形约束装置球心处的水平面上，且各台再激发脉冲激光器所发射的脉冲激光束穿过球形约束装置后与待测样品上表面处于同一水平面上水平入射至待测样品上表面中心位置，以从空间上均匀地对等离子体进行谐振再激发。

本发明之激光诱导元素分析装置，具有如下有益效果：在检测分析过程中，待测样品表面先由初激发脉冲激光器所发射高能量的脉冲激光束激发出等离子体，然后由多台再激发脉冲激光器同时发射激光束从空间上均匀地对等离子体进行谐振再激发，从而产生等离子体波，等离子体波呈球形急速向外膨胀；等粒子体波与球形约束装置的内壁发生激烈碰撞后会反射回来压缩等离子体，导致压缩后的等离子体中的粒子碰撞几率大大增加，从而将低能级轨道上的粒子激发至高能级，使得高能级轨道上的受激原子数增加，辐射强度随之增加；球形约束装置与等离子体向外膨胀的波形基本匹配，因而可大大提高等离子体的压缩效率，进而提高等离子体光谱增强效应，具有更强的等离子体光谱信号强度、更低的元素检出限和更高的检测灵敏度。