[发明专利]激光诱导击穿光谱信号误差校正系统和方法

说明书

本公开公开了一种激光诱导击穿光谱信号误差校正系统和方法，所述系统包括：激光诱导光源、一个或多个基准源、聚焦透镜、第一激光诱导光源分光镜、第二激光诱导光源分光镜、一个或多个基准源分光镜、全反镜、收集透镜、光纤探头、光谱仪、计算机、n维可调样品台。本发明可补偿样品表面性状对于激光诱导击穿光谱的影响，且可适用于所有类型的光谱仪。

技术领域

本发明属于激光诱导击穿光谱检测领域，更具体地，涉及一种激光诱导击穿光谱信号误差校正系统和方法，目的在于补偿实验过程中发生的光谱波长与谱强漂移，以及样品表面性状对于激光诱导击穿光谱的影响，从而提高LIBS定量分析的精度与稳定性。

背景技术

激光诱导击穿光谱检测(Laser Induced Breakdown Spectroscopy，LIBS)技术，是基于激光和材料相互作用所产生的等离子体发射光谱的一种定量分析技术，该方法在进行测量时只需消耗几微克被检测材料即可实现对其元素成分比例的定量分析，属于无损检测技术。LIBS技术具有如下优点：(1)无损检测。检测过程只需几微克样品，对被测样品几乎无消耗；(2)快速检测。整个检测过程只需几秒钟，具有实时性和快速性；(3)多元素同时检测。可实现数种至全元素的同时定量分析；(4)无需样品的预处理。对样品尺寸、形状及物理性质要求不严格；(5)远距离测量。能够胜任于危险(生物武器、爆炸物等)、高温、辐射等恶劣环境下的远程分析，检测距离达到数十米。

但是，与电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP-AES)和光电直读光谱法等物质成分分析方法相比，使用激光诱导激发的等离子体较不稳定，因此LIBS检测方式会受到很多因素的影响，这也导致了目前LIBS的检测可重复性与精度不如前者。由于使用LIBS检测的样品往往包含多种元素成分，等离子光谱中的峰群非常密集，仅仅0.1nm的等离子光谱波长漂移很可能就会导致寻峰时发生谬误，而将某些元素的谱峰误判为其他元素的。而等离子光谱的谱强漂移，则对样品中元素浓度的定量分析非常不利。

绝大部分的LIBS检测装置仅在测量开始前对光谱仪进行校正，然而在测量过程中，温度改变、振动等因素，都可造成光谱仪自身的波长与谱强漂移，从而对检测精度造成影响。温度改变会直接导致光谱仪中色散元件的色散系数(dn/dλ)改变，也可能使光谱成像系统结构材料发生膨胀或变形，从而导致系统镜面发生面形变化和刚体位移，从而在成像面产生谱线漂移。而振动引起的成像元件的刚体位移对检测精度的影响则更为严重，以中阶梯光栅光谱仪为例，其中的中阶梯光栅入射角每偏离理论入射角一度，可使中心波长光斑半径增宽0.07mm，中心波长光斑位置偏移12.4mm。

此外，除了光谱仪自身的波长与谱强漂移外，LIBS检测过程中由于激光持续对样品表面进行烧蚀，烧蚀面的折射率、曲率等会随脉冲数的增加而发生改变，由此也会引起光谱仪对各波长的等离子信号收集效率的改变，而导致所测光谱的脉冲间一致性下降。

通常，为提高烧蚀点处的激光功率密度以提高等离子体的激发强度，激光的光斑需要被聚焦到很小的尺寸，因而当样品位置固定不动时，LIBS检测仅能对极小区域进行采样。为减小样品成分分布不均对于LIBS检测精度的影响，往往需要进行多点采样，但这样又需要考虑样品表面性状(平整程度、光滑程度等)分布不均带来的影响。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种激光诱导击穿光谱信号误差校正系统和方法，在LIBS检测过程中持续收集从样品表面反射的多个基准信号的光谱，利用计算机读出其中各主峰波长与谱强，结合检测开始前测得的基准波长与谱强，通过多项式拟合分别得到实测波长、实测谱强漂移与基准波长间所满足的关系曲线，从而对受测样品的等离子光谱图中各波长及其谱强漂移进行补偿。

根据本发明的一方面，提出一种激光诱导击穿光谱信号误差校正系统，所述系统包括：激光诱导光源、一个或多个基准源、聚焦透镜、第一激光诱导光源分光镜、第二激光诱导光源分光镜、一个或多个基准源分光镜、全反镜、收集透镜、光纤探头、光谱仪、计算机、n维可调样品台，其中：