[发明专利]一种基于光束整形的激光击穿光谱测量系统

说明书

一种基于光束整形的激光击穿光谱测量系统，该系统含有脉冲激光器、聚焦透镜、待测样品、探头、光纤、光谱仪、计算机、ICCD相机以及可编程光束整形器；该光束整形器设置在脉冲激光器和聚焦透镜之间。激光束通过可编程光束整形器和聚焦透镜后照射到样品上并产生等离子体，由ICCD相机采集等离子体空间强度分布，通过调节可编程光束整形器的程序不断的改变光束空间强度分布，使得ICCD相机采集得到的等离子体空间强度分布呈现为均匀分布。此时，激光对待测样品的烧蚀量和等离子体光谱的稳定性均得到提高。本发明可使激光更有效、更均匀的烧蚀样品，从而降低了等离子体内部波动，对提高LIBS技术测量可重复性和准确性具有很重要的意义。

技术领域

本发明涉及一种激光击穿光谱测量系统，尤其涉及一种基于光束整形的激光击穿光谱测量系统,属于激光诱导击穿光谱技术与测量技术领域。

背景技术

激光诱导击穿光谱技术，是一种新型的原子发射光谱法，激光击穿光谱技术(LIBS)系统主要包括脉冲激光器、光谱仪等设备，其基本技术原理为：使用一束高能量的激光脉冲作为激励源，激光在样品表面聚焦成一个光斑，光斑内具有很高的能量密度，使得样品在很短时间内被气化并产生等离子体，等离子体温度很高，其中处于高能级的原子和离子会自发跃迁到较低能级并释放出特定频率的光子，利用光谱仪和CCD记录下不同频率的光子数量即可得到光谱，光谱中不同波长的特征谱线代表了样品中不同的元素，特征谱线的相对强度则代表了相应元素的浓度信息。通过分析样品的光谱，即可得到待测物质中元素的种类和浓度信息。由于所有的元素在激发到足够高的温度时都会发出特征频率的光，所以LIBS原理上可以检测所有的元素。

与现有的其他分析技术相比，LIBS技术主要具有以下优点：㈠、所适用的样品范围广，几乎适用于各种形态的物质，在固体、液体或气体测量上都具有非常广泛的应用，而且也可以分析高硬度以及难溶的物质；㈡、是一种全元素分析技术，只需一束激光脉冲，即可基本得到样品所含的所有元素信息；㈢、样品制备简单，不需要或只需要很简单的样品预处理过程；㈣、是一种微损测量方法，由于每个激光脉冲烧蚀的物质量极少，样品不会在检测过程中被破坏或者发生二次污染，因此可以用于贵重物品的检测，如艺术品、古董、文物等；㈤、分析速度很快，通过搭建完整的LIBS系统和数据处理模块，只需几秒钟即可得到分析结果，便于实现真正的在线测量；㈥、设备价格相对低廉，且无辐射危害，后期运行维护成本也比较低。

基于上述优点，LIBS可以为很多生产过程提供原位、在线、或快速的关键元素浓度信息，对提高某些工业生产过程的效率或者产品的品质，比如煤炭生产与利用、冶金、水泥生产等有着非常巨大的作用和意义，并在土壤检测、污水检测、核安全、深海勘探、外太空勘探等各个方面也有着巨大的应用潜力。

但是，目前实现LIBS的精确定量化存在着可重复性较差等问题，其稳定有待进一步提高。对于常见的用于LIBS的激光，其光束剖面的能量分布为高斯分布，光束中心较小区域内聚集着大量激光能量，在光束边缘较大范围内具有相对较低的能量。使用这样的激光照射样品，一方面会使得在一个激光脉冲的时间内，位于光束中心区域内的样品首先被烧蚀，相比于其他区域更早的产生等离子体，等离子体在产生之后会迅速膨胀变大，很快就能覆盖住整个光斑，由于等离子体对激光具有屏蔽效应，从而抑制了激光光束边缘区域对于样品的烧蚀，使得总烧蚀量降低。另一方面，激光剖面的能量的集中分布会导致等离子体中心和边缘区域接收到的能量不同，从而在等离子体内部产生较大的温度梯度、电子密度梯度等，从而导致等离子体内部发生剧烈的震荡，使得等离子体辐射强度随之震荡，直接导致了我们使用光谱仪收到的谱线具有很大的不确定性。目前，在优化光斑质量，提高激光击穿光谱稳定性方面，仍缺少相应的研究和应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于光束整形的激光击穿光谱测量系统，旨在克服激光剖面的能量分布过于集中导致等离子体中心和边缘区域接收到的能量存在明显差异的问题，以使激光可以更有效、更均匀的烧蚀样品，从而增加激光对待测样品的烧蚀量和提高等离子体光谱的稳定性。

本发明的技术方案如下：