[发明专利]扫描式激光诱导光谱面范围分析检测系统

说明书

本发明公开了一种扫描式激光诱导光谱面范围分析检测系统，激光发射头与外置的激光诱导光源连接，外置的激光诱导光源产生激光，经激光发射头将激光发射，实现激光诱导等离子的发生。调焦光学装置将激光发射头发射的诱导激励的激光束汇聚到被测样品表面上。之后，反射镜采集被测样品的宽光谱范围诱导等离子体散射光信号汇聚到收光装置中。所述的收光装置将诱导等离子体散射光汇聚到光纤中，并传输给外置的光谱仪，该外置的光谱仪对等离子体形成的光谱进行分光，获得不同波长光谱强度数据。因此，本发明同光学轴实现数百纳米宽范围光谱采集，能够承载焦耳级大能量激光诱导，效率高至90％以上。

技术领域

本发明涉及光电无损检测技术领域，特别是指一种扫描式激光诱导光谱面范围分析检测系统。

背景技术

激光诱导等离子体光谱(Laser Induced Plasma Spectroscopy，LIPS)检测技术，是一种利用脉冲激光烧蚀物质产生等离子体，通过等离子体发射光谱来定性或定量研究物质成份的分析技术。它具有适用范围广、分析速度快、测量破坏性小、可远程非接触测量以及可实现实时检测等优点。激光诱导等离子体光谱技术是基于激光和材料相互作用产生的发射光谱的一种定量分析技术，该方法在测量过程中只需几微克，可实现非破坏测量，并且无需样品预处理即可实现对任何物理状态物质的元素分析。激光诱导等离子体光谱技术可通过定标对物质中的元素进行定量分析，且检测限和精密度完全满足应用需求。

基于与激光诱导技术的元素分析的专利已经较多，但是主要是对不同应用领域的检测的应用方案及方法。例如申请号为201510566291.5的专利，保护了一种基于激光诱导击穿光谱的水稻品种鉴别方法；申请号为201110360773.7的专利，保护了一种采用激光汇聚在钢水表面，通过针对所激发等离子体光谱进行分析，得到钢水成分的在线检测系统。另外，有部分激光诱导检测技术专利，针对激光诱导技术实现信号增强和改进。例如申请号为201510073090.1的专利，保护了一种二维能量相关激光诱导击穿光谱的分析系统及方法，提供了一种基于二维能量相关的激光诱导击穿光谱的分析系统及方法，能更为清晰地解析光谱特征，提高常规激光诱导击穿光谱方法的检测能力和重复性。申请号为201480041306的发明专利，公开了一种利用通过双重脉冲激光诱导击穿光谱仪进行元素成分分析的方法。

大范围扫描采集对于动态检测、提高检测效率具有重要价值。对于现有的激光诱导击穿光谱检测技术方案，都难以实现便捷的大范围扫描采集样品。例如申请号201180054843.4、201220330846.8的专利，通过了多个反光板、透镜的汇聚，实现了激光诱导击穿光谱分析，但是仅能在激光轴向上调焦，无法实现激光诱导检测的扫描。

此外，大多数现有的专利，需要采用双向分光的二向色光学器件(如二向色反射镜)，即根据光的波长不同，实现对特定波长光透射，另外对其他特定波长光反射的器件。例如申请号为201310610554.9的专利，保护了一种便携式激光诱导击穿光谱分析仪和方法。该分析仪就包括二向色镜来实现激发激光(通常是光谱宽度小于1纳米的强激光信号)透过，采集光谱信号(通常是数百纳米范围的宽光谱低能量信号)分光。而在光学加工领域，对于二向色光学器件，加工难度大，对百纳米宽光谱范围进行反射时，反射率低，器件损伤阈值比单波长成熟技术低5至10倍，这会限制诱导激光的能量，研制设备的信噪比、稳定性等重要性能指标。例如典型的200至800nm增透，1064nm波长附近高反射率的器件，对于脉冲宽度10ns、重复频率10Hz的典型诱导激光脉冲，损伤阈值通常200～300MW/cm2，很难达到500MW/cm2以上。而现有的1064nm波长附近高反射率器件的镀膜技术十分成熟，损伤阈值可达2GW/cm2以上。因此会限制系统的诱导激光能量在数十毫焦耳以内，使得光学器件容易损坏。同时，200至800nm增透，1064nm波长附近高反射率的器件镀膜难度很大，效果差。例如200至800nm增透，1064nm波长附近高反射的器件在200至800nm范围内增透的剩余反射率在0.5～1.0％，是常规窄光谱范围增透膜的剩余反射率在0.05％的10至20倍。

发明内容