[发明专利]一种共线异焦信号增强激光诱导击穿光谱分析装置及其方法

说明书

本发明公开一种共线异焦信号增强激光诱导击穿光谱分析装置及其方法，包括单体Nd:YAG脉冲激光器、中阶梯光谱仪、以及光学光路系统等。其功能实现包括以下步骤：1)利用单体脉冲激光器输出不同波长组合的双脉冲激光，通过内部电路设置控制脉冲间隔，以及脉冲激光输出模式；2)调节光学光路系统部件，实现两束脉冲激光在样品表面及其上方或下方一定距离的共线非同面聚焦；3）在共线异焦双脉冲激发条件下，增强激光诱导等离子体光谱信号强度，提升元素LIBS检测的灵敏度。

技术领域

本发明涉及激光诱导击穿光谱分析技术领域，尤其涉及一种共线异焦信号增强激光诱导击穿光谱分析装置及其方法。

背景技术

激光诱导击穿光谱(Laser-induced breakdown spectroscopy,LIBS)技术将脉冲激光聚焦作用于样品表面产生激光诱导微等离子体，通过探测等离子体的发射谱线信号，经定性和定量分析即可对样品中元素的种类进行准确识别，获取其含量。LIBS分析通常对样品预处理制备要求小，甚至不需制备，而且所需样品量少，因此在微损或无损分析条件下，即可实现对不同形态样品中元素的快速检测。由于LIBS装置仅使用光学光路即可调节脉冲激光的激发与信号收集，使得LIBS技术具备在恶劣环境或者远程遥测条件下进行元素的原位、实时和在线检测能力。

LIBS用于元素分析是基于脉冲激光与物质、以及脉冲激光与等离子体的相互作用，面临的最大问题就是元素检测的灵敏度有时不够高，不能满足实际应用需求。为提高元素检测的灵敏度，人们设计开发了不同形式的双脉冲激光诱导击穿光谱(DP-LIBS)分析技术。在已有的DP-LIBS技术中，两个脉冲激光通常以同轴或正交的几何方式进行设计，实现脉冲激光在样品表面的聚焦，通过调节脉冲间隔实现等离子体的再加热，或者改善等离子体的生成与演化环境，最终达到增强LIBS信号的目的。然而由于这些DP-LIBS分析装置的光路系统普遍复杂，而且受激光诱导微等离子体时空瞬态演化波动的影响，在面向复杂类型样品的实际分析时，要想获得稳定增强的元素特征谱线信号，不可避免需要对DP-LIBS分析系统进行复杂、费时费力的调节，降低了其实用性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种共线异焦信号增强激光诱导击穿光谱分析装置及其方法，通过设置激光参数控制两个脉冲激光输出条件，通过光路系统调节获取脉冲激光共线异面几何聚焦，最终实现LIBS元素的高灵敏度检测与技术实用性。

本发明采用的技术方案是：

一种共线异焦信号增强激光诱导击穿光谱分析装置，其包括激光器、收集镜头、光谱仪、三维样品台、气瓶和电脑；三维样品台用于放置样品；激光器具有两个光路输出口并分别输出不同波长的脉冲激光，一路脉冲激光通过第一扩束器以第一倍数扩束后入射到偏振器的一个入光面，另一路脉冲激光通过第二扩束器以第二倍数扩束后入射到第一反射镜，第一反射镜将对应的脉冲激光发射至偏振器的另一入光面；偏振器将两个波长脉冲激光汇聚在同一光路实现合束共线传输；合束后的两路脉冲激光共同经第二反射镜和聚焦透镜汇聚并分别在样品表面和样品上方的共线非平面聚焦；气瓶用于在聚焦周围提供激光诱导等离子体产生的环境气体氛围，光谱仪通过采集聚焦区域的等离子体光谱信号得到光谱数据并与电脑电连接；电脑用于实现激光器和光谱仪的协同控制以及记录光谱数据。

进一步地，激光器为Nd:YAG激光器，具体地，Nd:YAG激光器为具有多波长脉冲输出功能的单腔体激光器，内置电路控制系统控制脉冲激光输出参数。

进一步地，第一扩束器和第二扩束器将脉冲光斑扩大至原来2-5倍，优化脉冲激光能量分布。

进一步地，两路脉冲激光分别通过一个能量衰减器再入射至对应的扩束器。

进一步地，三维样品台根据实验需求具备自动调整样品位置的功能。

进一步地，光谱仪通过光纤连接有收集镜头，收集镜头采集聚焦区域的等离子体光谱信号，收集镜头用于减小光谱采集色差和提升宽波段光谱采集效率。