[发明专利]一种光谱在线诊断方法及装置

说明书

本发明提出一种光谱在线诊断方法及装置，旨在解决现有激发光谱在线测量系统在高温状态下应用效果不佳的问题。该方法包括以下步骤：1)建立共轭反射面，将试样和探测组件分别放置于共轭反射面的焦点A和焦点B处；2)对试样进行加热，实现高温/高升温率条件；3)探测光入射至试样表面发生反射或拉曼散射，反射或拉曼散射光经所述共轭反射面反射汇聚后入射至焦点B，进入探测组件，对光谱信号进行接收检测，并计算给出变温过程中试样表面的反射或散射光谱曲线。本发明具有实时在线、测试精度高、抗污染、结构简单等特点。

技术领域

本发明属于光学技术及应用领域，涉及一种光谱在线诊断方法及装置。

背景技术

材料光谱反射、散射特性分析是研究获取材料成分及其微观结构信息的主要手段。材料微观结构等的变化是其物理、化学性质改变的基础，研究材料损伤或改性过程中的光谱反射、散射特性变化，对损伤机理研究、制备工艺改进等具有重要意义。通常做法是进行离线光谱测试分析，如拉曼光谱、红外光谱、荧光光谱等，离线分析无法检测变温状态下的材料成分与微观结构。

现有光谱反射特性在线分析主要通过光纤光谱仪配合反射式光纤探头实现，即利用单色器对标准光源进行分光，不同波长单色光入射到试样，经试样反射后被反射式光纤探头接收，进入光谱仪进行信号检测处理等。受光纤芯径、数值孔径、试样与光纤探头之间距离等的限制，测量信号强度低、信噪比小，需通过提高光谱仪灵敏度、增大动态范围、增加光纤芯径等方式解决上述问题。此外，若待测试样发生烧蚀，可能会对光纤探头造成污染，进一步降低测量精度。现有激发光谱在线测量系统，如激光共聚焦拉曼光谱仪，光学系统距离待测试样近，即便部分装置中引入旋转半椭球反射面，其近焦点(物)位于反射面与远焦点(测试系统)之间，这些均限制了其在高温状态下的应用。

发明内容

为了解决现有激发光谱在线测量系统在高温状态下应用效果不佳的问题，本发明提出一种新的光谱在线诊断方法及装置。

本发明的基本原理是：利用非旋转半椭球反射面(不限于半椭球)共轭汇聚特性，即从一个焦点发出的光经内壁反射后汇聚到另一个焦点上，焦点远离反射面且与椭球截面等距；结合光纤光谱仪或激光拉曼光谱仪等实现材料光谱反射率或激光拉曼光谱等的在线测量，具有实时在线、测试精度高、抗污染、结构简单等特点。

本发明的技术解决方案为：

一种光谱在线诊断方法，包括以下步骤：

1)建立共轭反射面，将试样和探测组件分别放置于共轭反射面的焦点A和焦点B处；

2)对试样进行加热，实现高温/高升温率条件；

3)探测光入射至试样表面发生反射或拉曼散射，反射或拉曼散射光经所述共轭反射面反射汇聚后入射至焦点B，进入探测组件，对光谱信号进行接收检测，并计算给出变温过程中试样表面的反射或散射光谱曲线。

进一步的，步骤2)中，根据需要，将整个系统置于真空中或充入不同气体，实现不同的气氛环境。

相应的，一种实现上述光谱在线诊断方法的装置，包括非旋转椭球共轭反射器件、探测组件、加热机构和探测光源；所述加热机构用于对试样加热，实现高温/高升温率条件；所述非旋转椭球共轭成像器件用于提供共轭反射面；试样和所述探测组件分别放置于共轭反射面的焦点A和焦点B处；所述探测光源位于共轭反射面的外部，在所述共轭反射面上开设有对应于探测光源的光窗，探测光透射该光窗至试样表面，发生反射或拉曼散射，反射或拉曼散射光经所述共轭反射面反射汇聚后入射至焦点B，进入探测组件进行测量；其中，所述探测组件包括积分球和光谱信号探测器；所述焦点B即对应于积分球入口；光谱信号探测器用于对光谱信号进行接收检测，并计算给出变温过程中试样表面的反射或散射光谱曲线。

进一步的，所述加热机构可以有多种形式，例如：