[发明专利]一种远距离变焦距激光诱导击穿光谱的检测方法及装置

权利要求书

1.一种远距离变焦距激光诱导击穿光谱的检测装置，其特征在于，所述装置包括测距单元、等离子体激发单元、聚焦与等离子体信号收集单元、分光与光电转换单元、光谱信息处理单元、等离子体诊断单元和时序控制单元，其中：

所述测距单元，用于测定被测样品和所述聚焦与等离子体信号收集单元间对应的检测距离；

等离子体激发单元，用于输出激光诱导击穿光谱LIBS的激光，所述激光经所述聚焦与等离子体信号收集单元传输后聚焦于不同位置的被测样品表面或表面以下适当位置，对所述被测样品进行LIBS激发，产生等离子体信号；

产生的等离子体信号再经所述聚焦与等离子体信号收集单元接收后，由所述聚焦与等离子体信号收集单元将接收的等离子体信号传递给所述分光与光电转换单元；

所述分光与光电转换单元将传递来的等离子体信号按照不同波长分光，并转换为数字信号的光谱信息；

所述光谱信息处理单元对所述光谱信息进行数据处理，得到所述被测样品元素成分的分析结果；

所述等离子体诊断单元与所述等离子体激发单元电连接，用于测定或计算所述被测样品产生的等离子体信号的关键物理参数，对产生的等离子体信号进行特征诊断，并由此反馈调节所述等离子体激发单元的激光能量，对不同检测距离下收集到的等离子体光谱信息进行修正，使其满足当前标定模型的适用条件；

其中，所述等离子体诊断单元通过建立描述光谱信息与不同检测距离之间关系的物理模型；对该物理模型中涉及的相关物理参数、函数进行采集或计算；再将被测样品的初始检测光谱信息S与需要的相关信息带入所述物理模型，计算获得修正后的检测光谱信息S^*；

其中，所建立的物理模型为：

I_i，j＝F₁(λ，l_detect)＊F₂(λ，l_detect)＊F₃(λ，T)＊F₄(E_laser，l_detect)+O_ff

其中，函数F₁、F₂、F₃、F₄分别是LIBS系统传递效率函数、等离子体光场空间分布函数、等离子体状态函数、烧蚀量函数；O_ff为常数补偿量；

进一步采用如下物理模型来实现：

其中，p(λ)为望远镜系统的光学传递效率函数；T(λ)光电转换效率函数；I(λ)为单位时间内等离子体发出的波长为λ的光强；l_detect为检测距离；d为望远镜系统收集窗口的半径；O_ff为光电转换效率补偿常量；Int为光谱采集积分时间；S(θ，λ)为等离子体中不同波长的谱线投影在望远镜系统收集窗口的区域分布函数；

θ为收集视场角的1/2，定义为：

进一步的，

其中，h为普朗克常数，c为光速，λ为辐射波长，A_mn为跃迁几率，U(T)为当前温度下该离子对应的配分函数，代表当前温度下原子内部不同电子能级状态的总和；g_i为高能级简并度；K_b为玻尔兹曼常数，T为等离子体温度；E_m为高能级能量，N为I_mn对应激光烧蚀的原子或离子的粒子数；

N与激光能量密度的关系如下式：

其中，E_laser表示单个激光脉冲的能量；A(l_detect)表示光斑面积；T_laser表示单位能量密度的激光穿过等离子体最终到达被测样品表面并被物质吸收的的比例；E_thre表示单位面积内的被测样品完成相变需要的能量阈值；E_trans表示单位体积的被测样品最终形成等离子体所吸收激光能量；

所述时序控制单元分别与所述测距单元、等离子体激发单元、聚焦与等离子体信号收集单元、分光与光电转换单元、光谱信息处理单元、等离子体诊断单元电连接，用于产生时序控制信号，控制所述测距单元、等离子体激发单元、聚焦与等离子体信号收集单元、分光与光电转换单元、光谱信息处理单元、等离子体诊断单元。