CN207730671U - 手持式libs光学系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种手持式LIBS光学系统，包括激光器、检测器，所述光学系统还包括：二色镜、第一透镜、第二透镜、第三透镜，激光器发射的激光透过二色镜后经第一透镜汇聚将光斑聚焦在样品表面，样品发出的特征光由第一透镜汇聚、二色镜反射后经第二透镜耦合、光纤传输、第三透镜汇聚后到达狭缝；凹面光栅，所述凹面光栅将狭缝出射的特征光分光，并经第四透镜后进入检测器检测；所述狭缝、凹面光栅和检测器的两端位于直径等于所述凹面光栅曲率半径的罗兰圆圆周上；第四透镜，所述第四透镜使得分光后的特征光从凹面光栅经第四透镜到达检测器的光程与从凹面光栅直接到罗兰圆圆周的光程相等。本实用新型具有体积小、分辨率高、检测波长范围宽等优点。

Description

手持式LIBS光学系统

技术领域

本实用新型涉及光谱分析领域，特别涉及一种紧凑型手持式LIBS光学系统。

背景技术

激光诱导击穿光谱仪，简称LIBS，是一种利用脉冲激光产生等离子体烧蚀并激发样品中的物质，通过光谱仪获取被等离子体激发的原子所发射的光谱，以此来识别样品中的元素组成，进而进行材料的识别、分类、定性以及定量分析的仪器，既可以用于实验室，也可以应用于工业现场的在线检测。为了便于现场检测，手持式LIBS应运而生。但目前的手持式LIBS存在以下缺陷：

1.多采用对称或者非对称Czerny-Turner型光学系统，这种系统需要多个准直镜、成像镜，导致仪器结构复杂，体积较大；或者为了减小体积而缩短焦距，而导致分辨率降低；

2.光学系统波长范围较窄，无法覆盖全波段，元素检测种类少。

实用新型内容

为了解决上述现有技术方案中的不足，本实用新型提供了一种结构简单、体积小、分辨率高、波长范围宽的手持式LIBS光学系统。

本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的：

一种手持式LIBS光学系统，包括激光器、检测器，所述光学系统还包括：

二色镜，所述激光器发射的激光透过所述二色镜；

第一透镜，透过所述二色镜的激光经所述第一透镜汇聚，将光斑聚焦在样品表面；

第二透镜，样品表面发出的特征光由第一透镜汇聚、二色镜反射后经所述第二透镜耦合进入光纤；

第三透镜，从所述光纤输出的特征光经第三透镜汇聚至狭缝；

凹面光栅，所述凹面光栅将狭缝出射的特征光分光，并经第四透镜后进入检测器检测；所述狭缝、凹面光栅和检测器的两端位于直径等于所述凹面光栅曲率半径的罗兰圆圆周上；

第四透镜，所述第四透镜对光程差进行补偿，使得分光后的特征光从凹面光栅经第四透镜到达检测器的光程与从凹面光栅不经过第四透镜直接到罗兰圆圆周的光程相等。

根据上述的光学系统，优选地，所述第四透镜为柱透镜，所述柱透镜的两端呈楔形。

根据上述的光学系统，优选地，所述柱透镜为平凸柱面镜，邻近凹面光栅的一侧为曲面，对所述特征光进行汇聚。

根据上述的光学系统，可选地，所述柱透镜的焦距也即所述柱透镜到检测器成像面的距离f＝R/(n-1)，R为柱透镜曲面的曲率半径，n为柱透镜材料的折射率。

根据上述的光学系统，优选地，所述柱透镜固定在检测器的表面。

根据上述的光学系统，优选地，所述凹面光栅、第四透镜和检测器构成一组测量光路，所述光学系统包括至少二组测量光路，第一组测量光路的入射光为狭缝出射的特征光，其他组测量光路的入射光为前一组测量光路中凹面光栅的0级光。

根据上述的光学系统，优选地，所述检测器两端在罗兰圆圆周上的位置由波长测量范围决定。

根据上述的光学系统，优选地，所述检测器为阵列探测器。

与现有技术相比，本实用新型具有的有益效果为：

1、本实用新型采用罗兰圆设计，不需要准直镜和成像镜，结构简单、体积小；通过在检测器前加一个两端呈楔形的柱透镜，实现通过光栅后的光谱都成像在罗兰圆上，增加检测光强，提高光谱仪的信噪比，提高分辨率。

2、本实用新型采用阵列探测器进行检测，一次采集可以得到一个级次的光谱信息，光谱采集速度快。

3、本实用新型通过多个凹面光栅、柱透镜和检测器的叠加，实现170-800nm 全谱采集。

附图说明

参照附图，本实用新型的公开内容将变得更易理解。本领域技术人员容易理解的是：这些附图仅仅用于举例说明本实用新型的技术方案，而并非意在对本实用新型的保护范围构成限制。图中：

图1是本实用新型实施例1的手持式LIBS光学系统的光路图。

具体实施方式

图1和以下说明描述了本实用新型的可选实施方式以教导本领域技术人员如何实施和再现本实用新型。为了教导本实用新型技术方案，已简化或省略了一些常规方面。本领域技术人员应该理解源自这些实施方式的变型或替换将在本实用新型的范围内。本领域技术人员应该理解下述特征能够以各种方式组合以形成本实用新型的多个变型。由此，本实用新型并不局限于下述可实施方式，而仅由权利要求和它们的等同物限定。

实施例1

图1示意性地给出了本实施例的手持式LIBS光学系统的光路图，如图1所示，所述光学系统包括：

激光器1，所述激光器发出激光至二色镜；

二色镜2，所述激光透过所述二色镜；

第一透镜3，透过所述二色镜的激光经所述第一透镜汇聚，将光斑聚焦在样品4表面；

第二透镜4，样品表面发出的特征光由第一透镜汇聚、二色镜反射后经所述第二透镜耦合进入光纤5；

第三透镜6，从所述光纤输出的特征光经第三透镜汇聚至狭缝7；

凹面光栅8，所述凹面光栅将狭缝出射的特征光分光，并经第四透镜9后进入检测器10检测；所述狭缝7、凹面光栅8和检测器10的两端位于直径等于所述凹面光栅曲率半径的罗兰圆圆周上；

第四透镜9，所述第四透镜为柱透镜，所述柱透镜两端91、92呈楔形；所述第四透镜对光程差进行补偿，使得分光后的特征光从凹面光栅经第四透镜到达检测器的光程与从凹面光栅不经过第四透镜直接到罗兰圆圆周的光程相等；

检测器10，所述检测器为阵列探测器，对样品元素的特征光进行检测。

阵列检测器的检测区域较小，为了增加检测光强，提高信噪比，故：

进一步地，所述柱透镜为平凸柱面镜，邻近凹面光栅的一侧为曲面，对所述特征光进行汇聚；所述柱透镜的焦距也即所述柱透镜到检测器成像面的距离 f＝R/(n-1)，R为柱透镜曲面的曲率半径，n为柱透镜材料的折射率。

优选地，所述柱透镜固定在检测器的表面，简化结构。

待测量元素的波长与其在检测器的成像位置一一对应，因此，检测器两端在罗兰圆圆周上的位置由波长测量范围决定。然而，受检测器长度的限制，单个检测器能测量的检测范围较窄，故：

进一步地，所述凹面光栅、第四透镜和检测器构成一组测量光路，所述光学系统包括至少二组测量光路，第一组测量光路的入射光为狭缝出射的特征光，其他组测量光路的入射光为前一组测量光路中凹面光栅的0级光。也即，前一组测量光路确定了下一组测量光路中凹面光栅在罗兰圆圆周上的位置，下一组测量光路中检测器的位置由待测量波长范围确定，可接续前一组测量光路的可测量波长范围。

本实施例的益处在于：采用罗兰圆设计，光谱仪结构简单、体积小，分辨率高，可测量的波长范围宽。

Claims (8)

1.一种手持式LIBS光学系统，包括激光器、检测器，其特征在于：所述光学系统还包括：

二色镜，所述激光器发射的激光透过所述二色镜；

第一透镜，透过所述二色镜的激光经所述第一透镜汇聚，将光斑聚焦在样品表面；

第二透镜，样品表面发出的特征光由第一透镜汇聚、二色镜反射后经所述第二透镜耦合进入光纤；

第三透镜，从所述光纤输出的特征光经第三透镜汇聚至狭缝；

凹面光栅，所述凹面光栅将狭缝出射的特征光分光，并经第四透镜后进入检测器检测；所述狭缝、凹面光栅和检测器的两端位于直径等于所述凹面光栅曲率半径的罗兰圆圆周上；

第四透镜，所述第四透镜对光程差进行补偿，使得分光后的特征光从凹面光栅经第四透镜到达检测器的光程与从凹面光栅不经过第四透镜直接到罗兰圆圆周的光程相等。

2.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于：所述第四透镜为柱透镜，所述柱透镜的两端呈楔形。

3.根据权利要求2所述的光学系统，其特征在于：所述柱透镜为平凸柱面镜，邻近凹面光栅的一侧为曲面，对所述特征光进行汇聚。

4.根据权利要求3所述的光学系统，其特征在于：所述柱透镜到检测器成像面的距离f＝R/(n-1)，R为柱透镜曲面的曲率半径，n为柱透镜材料的折射率。

5.根据权利要求4所述的光学系统，其特征在于：所述柱透镜固定在检测器的表面。

6.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于：所述凹面光栅、第四透镜和检测器构成一组测量光路，所述光学系统包括至少二组测量光路，第一组测量光路的入射光为狭缝出射的特征光，其他组测量光路的入射光为前一组测量光路中凹面光栅的0级光。

7.根据权利要求6所述的光学系统，其特征在于：所述检测器两端在罗兰圆圆周上的位置由波长测量范围决定。

8.根据权利要求1-7任一所述的光学系统，其特征在于：所述检测器为阵列探测器。