CN109030466A

CN109030466A - 一种基于光束整形的激光击穿光谱测量系统

Info

Publication number: CN109030466A
Application number: CN201811156791.1A
Authority: CN
Inventors: 王哲; 侯宗余; 李天奇; 傅杨挺; 俞建龙; 顾炜伦
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2018-09-30
Filing date: 2018-09-30
Publication date: 2018-12-18

Abstract

一种基于光束整形的激光击穿光谱测量系统，该系统含有脉冲激光器、聚焦透镜、待测样品、探头、光纤、光谱仪、计算机、ICCD相机以及可编程光束整形器；该光束整形器设置在脉冲激光器和聚焦透镜之间。激光束通过可编程光束整形器和聚焦透镜后照射到样品上并产生等离子体，由ICCD相机采集等离子体空间强度分布，通过调节可编程光束整形器的程序不断的改变光束空间强度分布，使得ICCD相机采集得到的等离子体空间强度分布呈现为均匀分布。此时，激光对待测样品的烧蚀量和等离子体光谱的稳定性均得到提高。本发明可使激光更有效、更均匀的烧蚀样品，从而降低了等离子体内部波动，对提高LIBS技术测量可重复性和准确性具有很重要的意义。

Description

一种基于光束整形的激光击穿光谱测量系统

技术领域

本发明涉及一种激光击穿光谱测量系统，尤其涉及一种基于光束整形的激光击穿光谱测量系统,属于激光诱导击穿光谱技术与测量技术领域。

背景技术

激光诱导击穿光谱技术，是一种新型的原子发射光谱法，激光击穿光谱技术(LIBS)系统主要包括脉冲激光器、光谱仪等设备，其基本技术原理为：使用一束高能量的激光脉冲作为激励源，激光在样品表面聚焦成一个光斑，光斑内具有很高的能量密度，使得样品在很短时间内被气化并产生等离子体，等离子体温度很高，其中处于高能级的原子和离子会自发跃迁到较低能级并释放出特定频率的光子，利用光谱仪和CCD记录下不同频率的光子数量即可得到光谱，光谱中不同波长的特征谱线代表了样品中不同的元素，特征谱线的相对强度则代表了相应元素的浓度信息。通过分析样品的光谱，即可得到待测物质中元素的种类和浓度信息。由于所有的元素在激发到足够高的温度时都会发出特征频率的光，所以LIBS原理上可以检测所有的元素。

与现有的其他分析技术相比，LIBS技术主要具有以下优点：㈠、所适用的样品范围广，几乎适用于各种形态的物质，在固体、液体或气体测量上都具有非常广泛的应用，而且也可以分析高硬度以及难溶的物质；㈡、是一种全元素分析技术，只需一束激光脉冲，即可基本得到样品所含的所有元素信息；㈢、样品制备简单，不需要或只需要很简单的样品预处理过程；㈣、是一种微损测量方法，由于每个激光脉冲烧蚀的物质量极少，样品不会在检测过程中被破坏或者发生二次污染，因此可以用于贵重物品的检测，如艺术品、古董、文物等；㈤、分析速度很快，通过搭建完整的LIBS系统和数据处理模块，只需几秒钟即可得到分析结果，便于实现真正的在线测量；㈥、设备价格相对低廉，且无辐射危害，后期运行维护成本也比较低。

基于上述优点，LIBS可以为很多生产过程提供原位、在线、或快速的关键元素浓度信息，对提高某些工业生产过程的效率或者产品的品质，比如煤炭生产与利用、冶金、水泥生产等有着非常巨大的作用和意义，并在土壤检测、污水检测、核安全、深海勘探、外太空勘探等各个方面也有着巨大的应用潜力。

但是，目前实现LIBS的精确定量化存在着可重复性较差等问题，其稳定有待进一步提高。对于常见的用于LIBS的激光，其光束剖面的能量分布为高斯分布，光束中心较小区域内聚集着大量激光能量，在光束边缘较大范围内具有相对较低的能量。使用这样的激光照射样品，一方面会使得在一个激光脉冲的时间内，位于光束中心区域内的样品首先被烧蚀，相比于其他区域更早的产生等离子体，等离子体在产生之后会迅速膨胀变大，很快就能覆盖住整个光斑，由于等离子体对激光具有屏蔽效应，从而抑制了激光光束边缘区域对于样品的烧蚀，使得总烧蚀量降低。另一方面，激光剖面的能量的集中分布会导致等离子体中心和边缘区域接收到的能量不同，从而在等离子体内部产生较大的温度梯度、电子密度梯度等，从而导致等离子体内部发生剧烈的震荡，使得等离子体辐射强度随之震荡，直接导致了我们使用光谱仪收到的谱线具有很大的不确定性。目前，在优化光斑质量，提高激光击穿光谱稳定性方面，仍缺少相应的研究和应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于光束整形的激光击穿光谱测量系统，旨在克服激光剖面的能量分布过于集中导致等离子体中心和边缘区域接收到的能量存在明显差异的问题，以使激光可以更有效、更均匀的烧蚀样品，从而增加激光对待测样品的烧蚀量和提高等离子体光谱的稳定性。

本发明的技术方案如下：

一种基于光束整形的激光击穿光谱测量系统，该系统含有脉冲激光器、聚焦透镜、待测样品、探头、光纤、光谱仪和计算机，其特征在于：所述系统还包括ICCD相机和一个能改变激光束剖面能量分布的可编程光束整形器；所述可编程光束整形器设置在脉冲激光器和聚焦透镜之间；ICCD相机通过信号线与可编程光束整形器连接；脉冲激光器发出的激光束通过可编程光束整形器和聚焦透镜后作用在待测样品上，产生等离子体，由ICCD相机采集等离子体空间强度分布，不断调整可编程光束整形器的程序直至ICCD相机采集到的等离子体空间强度变为均匀分布；等离子体发出的光信号经探头、光纤和光谱仪收集后，将光信号转换为电信号输入计算机。

本发明具有以下优点及突出性的技术效果：在理想情况下，等离子体应该是空间上较为均匀的椭球形，在实际情况下，由于各种干扰的因素使得等离子体空间分布发生变化，等离子体的光谱稳定性较差，不利于进行定量分析。激光如果不进行光束整形，其剖面呈圆形，强度服从高斯分布，即中心处光强较强，边缘处较弱，激光聚焦后在待测样品表面形成的光斑，中心处高能量密度更快的导致样品的烧蚀和电离，更早的产生等离子体。由于等离子体屏蔽效应，中心处产生的等离子体会对光斑边缘的烧蚀过程产生干扰，从而降低激光对样品的总烧蚀量；中心处的等离子体和边缘处的等离子体具较大的差异，使得等离子体内部具有较大的温度和电子密度梯度，从而使得等离子体变得不均匀不稳定，对光谱稳定性具有较大影响。本发明使用光束整形技术，改变了激光剖面的强度分布，使得激光聚焦后在待测样品表面形成的光斑中心处的强度与边缘处不再具有明显的差异，可以增加激光对待测物质的烧蚀量和提高等离子体光谱的稳定性。因此，本发明降低了在激光击穿光谱技术中，来自于激光烧蚀样品过程中的不确定性因素，使得激光可以更有效、更均匀的烧蚀样品，同时使得激光的能量可以更均匀的传递给等离子体，降低等离子体内部波动，具有提高光谱的稳定性的效果。对提高LIBS技术测量可重复性和准确性具有很重要的意义。

附图说明

图1是本发明提供的一种基于光束整形的激光击穿光谱测量系统的原理结构示意图。

图2a为不使用光束整形情形下的Al 237.3nm谱线强度。

图2b为使用光束整形情形下的Al 237.3nm谱线强度。

图中：1-脉冲激光器；2-可编程光束整形器；3-聚焦透镜；4-待测样品；5-ICCD相机；6-探头；7-光纤；8-光谱仪；9-计算机；10-等离子体。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，本发明提供的一种基于光束整形的激光击穿光谱测量系统，该系统包括脉冲激光器1、聚焦透镜3、待测样品4、ICCD相机5、可编程光束整形器2、探头6、光纤7、光谱仪8和计算机10；所述可编程光束整形器2设置在脉冲激光器1和聚焦透镜3之间，是一个能将激光束剖面的能量分布从高斯分布改变成均匀分布的光学器件；ICCD相机5通过信号线与可编程光束整形器2连接；脉冲激光器1发出的激光束进入可编程光束整形器2内，被整形后的激光束经聚焦透镜3作用在待测样品4上产生等离子体10，等离子体发出的光信号经探头6、光纤7和光谱仪8收集后，将光信号转换为电信号输入计算机9，得到待测样品的光谱信号。

由ICCD相机5采集等离子体空间强度分布，反馈到可编程光束整形2，通过不断调整光束空间强度分布，使得激光束聚焦后在待测样品表面能够均匀且充分的烧蚀样品。对于不同样品，不同的实验装置，可分别优化激光束的空间强度分布。

本发明的工作原理为：脉冲激光器1发出一束高能量的脉冲激光，通过可编程光束整形器2改变激光剖面光斑形状后，经聚焦透镜3聚焦到待测样品4的表面，在强激光脉冲作用下被烧蚀并产生等离子体10，由ICCD相机5采集空间强度分布，并反馈到可编程光束整形器2，不断调整可编程光束整形器2的程序直至ICCD相机5采集到的等离子体空间强度变为均匀分布；等离子体10发出的光信号经探头6、光纤7和光谱仪8收集后，电信号被计算机采集即可得到待测样品的光谱，通过分析光谱特性可以得到待测样品的元素组成信息。

实施例1：

以铝合金样品为例，对铝合金样品进行LIBS实验，实验所用的脉冲激光器为ND:YAG固体激光器，激光波长为1064nm，脉冲激光器可以发射脉冲激光，每个脉冲激光的总能量为50mJ，激光脉冲的脉宽为10ns。整形之前的激光光斑为圆形，在光斑中心处能量密度较高，边缘处较低。可编程光束整形器将激光束剖面形状从高斯分布改变成如下分布：整形后的激光剖面形状依然为圆形，剖面中心处具有几乎相同的能量密度，边缘处激光能量略高于中心。将激光聚焦在样品表面并且烧蚀样品，产生等离子体后对谱线进行分析。

在此案例中，在不使用光束整形器和使用光束整形器两种情况下，分别进行30次实验，采集光谱，从每个光谱中挑选出铝元素的波长为237.3nm的一条谱线，分析比较了这条谱线的强度和稳定性，实验结果表明，使用光束整形器后，对于谱线强度具有小幅提高，平均强度从4.5×10⁵提升至5.1×10⁵，对于稳定性具有明显提升，以相对标准偏差(RSD)衡量，RSD从11.7％下降至6.3％。图2a、2b是采用本发明的光束整形前后得到的光谱的强度和重复性的对比图。

对同一实验条件下的等离子体进行拍摄，比较每一次拍摄到的图像之间的差异，以此来更直观的说明可重复性和稳定性的提升。在不使用光束整形的情形下，根据拍摄到的等离子体图像，发现等离子体在位置和强度等多个方面均有明显的变化，表面等离子体具有很大的不确定性，其稳定性较差。而在使用了光束整形后，每一次拍摄到的等离子体图像之间的差异较小，说明等离子体较为稳定。

Claims

1.一种基于光束整形的激光击穿光谱测量系统，该系统含有脉冲激光器(1)、聚焦透镜(3)、待测样品(4)、探头(6)、光纤(7)、光谱仪(8)和计算机(9)，其特征在于：所述系统还包括ICCD相机(5)和一个能改变激光束剖面能量分布的可编程光束整形器(2)；所述可编程光束整形器(2)设置在脉冲激光器(1)和聚焦透镜(3)之间；ICCD相机(5)通过信号线与可编程光束整形器(2)连接；脉冲激光器(1)发出的激光束通过可编程光束整形器(2)和聚焦透镜(3)后作用在待测样品(4)上，产生等离子体(10)，由ICCD相机(5)采集等离子体空间强度分布，不断调整可编程光束整形器(2)的程序直至ICCD相机采集到的等离子体空间强度变为均匀分布；等离子体发出的光信号经探头(6)、光纤(7)和光谱仪(8)收集后，将光信号转换为电信号输入计算机(9)。