[发明专利]诊断探头、气体成分的激光诱导击穿光谱诊断系统及方法

说明书

本发明公开了一种诊断探头、气体成分的激光诱导击穿光谱诊断系统及方法，系统包括激光器、耦合模块、光谱仪、控制模块和诊断探头；控制模块输出第一控制指令，以使激光器输出第一光信号，第一光信号经耦合模块耦合至光纤并传输至聚焦探头，聚焦探头将第一光信号聚焦至金属衬底以产生等离子体，被探测气体在等离子体的作用下产生第二光信号；控制模块输出第二控制指令，第二控制指令作用于光谱仪，以使光谱仪对聚焦探头采集的第二光信号进行光谱测试。本发明的目的在于提供一种诊断探头、气体成分的激光诱导击穿光谱诊断系统及方法，能在气体击穿阈值下进行气体成分与混合比的远程探测，具有实时响应、在线测量、应对恶劣环境的优势。

技术领域

本发明涉及光谱测试领域，具体涉及一种诊断探头、气体成分的激光诱导击穿光谱诊断系统及方法。

背景技术

大气污染物、空气中的有毒物质测量一直是科学研究以及社会关注的重大问题，发动机燃料混合比、尾气成分测量也是航空航天亟待解决的关键问题，所有以上场景都涉及到如何远程实时地进行气体成分测量。激光诱导击穿光谱技术(LIBS)是一种原子光谱技术，主要用于元素的检测，原理是采用激光等离子的发光光谱中谱线的波长、强度等信息分析材料所含元素以及各元素成分之间的比例，具有简便、快速、无需样品预处理、多元素同时测量、复杂环境原位实时检测等优点。LIBS在环境检测、工业控制、生物安全、矿产勘探等方面具有巨大的应用前景。

LIBS同样可以应用于气体成分的检测，然而气体的击穿阈值相比固体或者金属材料高100倍以上。受制于空气的击穿能量要求，目前激光诱导击穿光谱对气体成分的测量都采用短焦透镜进行高能激光聚焦，该方法对激光的能量以及诊断布局都要求极高，且激光只能采用空间光传输的方式，使用起来不太方便，离工程应用还有较远的距离。

发明内容

本发明的目的在于提供一种诊断探头、气体成分的激光诱导击穿光谱诊断系统及方法，能在气体击穿阈值下进行气体成分与混合比的远程探测，具有实时响应、在线测量、应对恶劣环境的优势。

本发明通过下述技术方案实现：

一种诊断探头，所述诊断探头是一个用于激光诱导击穿光谱的诊断探头，包括聚焦探头和金属衬底，所述金属衬底设置在所述聚焦探头的焦点处。

优选地，所述金属衬底为铜板或铝板。

一种气体成分的激光诱导击穿光谱诊断系统，包括激光器、耦合模块、光谱仪、控制模块以及如上所述的诊断探头；其中，所述耦合模块和所述诊断探头通过光纤连接；

所述控制模块输出第一控制指令，所述第一控制指令作用于所述激光器，以使所述激光输出第一光信号，所述第一光信号经所述耦合模块耦合至所述光纤并经所述光纤传输至所述聚焦探头，所述聚焦探头将所述第一光信号聚焦至所述金属衬底，所述金属衬底在所述第一光信号的作用下产生等离子体，被探测气体在所述等离子体的作用下产生第二光信号；

所述控制模块输出第二控制指令，所述第二控制指令作用于所述光谱仪，以使所述光谱仪对所述聚焦探头采集的所述第二光信号进行光谱测试。

优选地，所述耦合模块包括第一耦合镜头、二向色镜以及第二耦合镜头，所述二向色镜与所述聚焦探头通过所述光纤连接；

当所述激光器输出所述第一光信号时，所述第一光信号经所述第一耦合镜头耦合后传输至所述二向色镜，经所述二向色镜透射后经所述光纤传输至所述聚焦探头；

当所述聚焦探头采集到所述第二光信号时，所述第二光信号经所述光纤传输至所述二向色镜，经所述二向色镜反射后传输至所述第二耦合镜头，所述第二耦合镜头将所述第二光信号耦合至所述光谱仪。

优选地，所述控制模块包括同步控制单元，所述同步控制单元用于同步生成所述第一控制指令和所述第二控制指令。

使用如上所述的一种气体成分的激光诱导击穿光谱诊断系统的方法，包括以下步骤：