[发明专利]激光诱导击穿光谱ICCD时间分辨测量方法和系统

说明书

本发明属于光谱测量领域，为提出激光诱导击穿光谱技术的分析过程，观测等离子体随时间的变化情况的新途径，本发明激光诱导击穿光谱ICCD时间分辨测量方法和系统，由激光器、聚焦镜、像增强电荷耦合器件ICCD、驱动电路、数据、时序控制部件、信号调理电路组成，其中，ICCD由光学镜头、像增强器、光纤面板、面阵CCD器件构成，镜头后焦面与像增强器阴极接收面重合，像增强器阳极荧光屏与光纤面板前表面耦合固定，光纤面板后表面与面阵CCD器件前表面耦合固定，激光器产生的激光经聚焦镜投射到被测物体并在其表面产生瞬间等离子体，数据、时序控制部件控制可调的延时时间。本发明主要应用于时间分辨测量场合。

技术领域

本发明属于光谱测量领域，特别是一种用于激光诱导击穿光谱技术的ICCD时间分辨测量系统与装置。

背景技术

激光诱导击穿光谱(LIBS)技术，是原子发生光谱技术中新兴且极具发展潜力的一项分析技术，其利用聚焦的高能量脉冲激光照射在待测物质表面，激发产生等离子体，并对辐射出的光谱进行定性或定量分析。激光诱导击穿光谱技术可实现原位、准无损、非金属样品的检测且几乎无需样品制备，吸引了大量研究学者的关注，在冶金、石油化工、农业、医药、环境科学、生命科学等各个领域正发挥着越来越大的作用。

激光诱导击穿光谱技术的进一步发展，同时也对相应检测仪器性能的提高和相关光谱分析方法的改进提出了更高的要求。激光诱导击穿光谱具有显著的时间分辨特性，其诱导产生的等离子体寿命极短(3-4us)，等离子体在这一过程中不同时刻的变化和光谱研究至关重要，目前采用ICCD的高性能光谱仪是唯一实现方法。ICCD(Intensified Charge-Coupled Device)即像增强电荷耦合器件，实际是由像增强器与CCD相机组合形成的一种微光探测器。像增强器用于将微弱光信号放大增强，再经过光纤面板耦合至光电传感器——CCD的像面上，最终输出电信号形成图像。ICCD性能远远超过一般的成像仪器，最重要的是ICCD能够实现时间分辨测量，可精确控制延时和曝光时间(us甚至ns级)，能够用于对瞬态的物理、化学、生物过程开展时间尺度上的精细研究。

然而，目前我国尚没有自主知识产权的ICCD相机，相关技术领域几乎空白，激光诱导击穿光谱研究中的所有科研级ICCD相机均依赖进口，而进口的ICCD相机一方面价格昂贵(数十万人民币)，一旦出现问题维修困难，另一方面国外对我国某些技术处于封锁状态，特别是涉及微光成像、夜视等可能应用于军事的产品，其出口受国外有关部门的严格管制。因此，研制用于激光诱导击穿光谱技术的ICCD时间分辨测量系统与装置十分必要。

发明内容

为克服现有技术的不足：

(1)本发明的目的是提供一种用于激光诱导击穿光谱技术的ICCD时间分辨测量系统，可在微秒量级控制ICCD的延时或曝光时间，利用FPGA、SRAM、ARM等核心电子元器件，实现高可靠、精密的时序控制；系统采用完全自主开发的ICCD模组，解决时间分辨测量的关键技术问题；该系统可推广应用于军事(微光夜视)、天文(星空摄像)、化学分析(光谱成像)等领域，具有控制精度高、灵活性强的优点；

(2)本发明的另一目的是提供一种(1)中所述系统的实现装置，用于激光诱导击穿光谱技术的分析过程，观测等离子体随时间的变化情况；装置主要包括光学镜头、国产紫外像增强器、光纤面板、面阵CCD芯片和信号调理与控制电路，装置全部采用基础电子器件，具有成本低廉、可靠性强的特点，可替换国外同类产品，实现在激光诱导击穿光谱技术中的时间分辨测量。