[发明专利]微弱光源罗兰光栅线阵CCD/CMOS检测器分光系统及方法

说明书

本发明属于原子发射光谱技术领域，涉及一种微弱光源罗兰光栅线阵CCD/CMOS检测器分光系统及方法，应用于大于等于5μm的微米级微束激光诱导击穿光谱仪。该分光系统沿光束的传播方向依次包括平凸透镜(2)、第一柱面透镜(3)、入射狭缝(4)、凹面光栅(5)、第二柱面透镜(6)和CCD/CMOS检测器(7)；其中，入射狭缝(4)、凹面光栅(5)和CCD/CMOS检测器(7)位于罗兰圆上，光源(1)、平凸透镜(2)和第一柱面透镜(3)位于罗兰圆外，并与入射狭缝(4)和凹面光栅(5)共线。本发明与传统罗兰光学系统对比，具有光学分辨力强、信号放大倍数高、信噪比高等特点，特别适用于微束激光光谱仪的单脉冲和多个脉冲的光谱分析。

技术领域

本发明属于原子发射光谱领域，特别涉及一种可应用于微米级微束激光(≥5μm)诱导击穿光谱仪的微弱光源罗兰光栅线阵CCD/CMOS检测器分光系统及方法。

背景技术

激光诱导击穿光谱仪(Laser-Induced Breakdown Spectroscopy，简称LIBS)，使用高峰值功率的脉冲激光照射样品，光束聚焦到一个很小的分析点(微米级)，在激光照射的光斑区域，样品中的材料被烧蚀剥离，并在样品上方形成纳米粒子云团。由于激光光束的峰值能量是相当高的，其吸收及多光子电离效应增加了样品上方生成的气体和气溶胶云团的不透明性，即便只是很短暂的激光脉冲激发，由于激光的能量显著地被该云团吸收，等离子体逐渐形成，高能量的等离子体使纳米粒子熔化，将其中的原子激发并且发出特征波长的光。原子发出的光可以被检测器捕获并记录为光谱，通过对光谱进行分析，即可获得样品中存在何种元素的信息，通过软件算法可以对光谱进行进一步的定性分析(例如材料鉴别，PMI)和定量分析(例如，样品中某一元素的含量)。采用线阵CCD或CMOS作为检测器铁、镍基样品的原子发射光谱存在的分析谱线及其丰富，要实现定量分析需要的光谱分辨率必须小于0.01nm。通过数发(通常5发以内)激光脉冲尤其是在对样品表面的微小夹杂物(约10微米)分析时必须克服光源小、发射光谱弱的信号放大问题。信号放大分为光学放大和电学放大，电学放大在保证信噪比的前提下，放大有限；光学放大即提升光通量，可以避免在有效信号放大的同时，提高信噪比。现有技术中，对于微弱光源时罗兰光栅的分光系统，至今还未见报道。

发明内容

针对上述技术问题，本发明的一个目的是，提供一种微弱光源罗兰光栅线阵CCD/CMOS检测器分光系统，由柱面透镜、入射狭缝、凹面光栅、CCD/CMOS检测器组成，该系统的光学分辨率高，信号放大倍数高，信噪比高，可实现对微小光源、微小信号的超级放大，适用于微小光源，数发脉冲激光(甚至单发)的激光光谱仪分光系统。

本发明的另一个目的是，提供一种微弱光源罗兰光栅线阵CCD/CMOS检测器分光方法。

为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种微弱光源罗兰光栅线阵CCD/CMOS检测器分光系统，应用于≥5μm的微米级微束激光诱导击穿光谱仪。

该分光系统沿光束的传播方向依次包括平凸透镜2、第一柱面透镜3、入射狭缝4、凹面光栅5、第二柱面透镜6和CCD/CMOS检测器7；

其中，入射狭缝4、凹面光栅5和CCD/CMOS检测器7位于罗兰圆上，光源1、平凸透镜2和第一柱面透镜3位于罗兰圆外，并与入射狭缝4和凹面光栅5共线。

所述第二柱面透镜6与第一柱面透镜3的轴向子午线相互垂直。

所述第二柱面透镜6与CCD/CMOS检测器7的芯片表面之间的距离与第二柱面透镜6的焦距匹配，距离范围为6～15mm。

所述平凸透镜2将光源1的光线收集为平行光束，光束截面光斑直径与平凸透镜2的口径及发散角相匹配，光束截面光斑直径为6～12mm。