精確靶點定位的激光誘導擊穿光譜元素分析儀的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及元素分析儀，特別涉及激光誘導擊穿光譜法的元素分析儀。一種精確靶點定位的激光誘導擊穿光譜元素分析儀，其主要特點在于包括有脈沖激光器通過激光傳輸系統將激光束傳導到樣品室內的分析樣品上，靶點精確定位系統設在樣品室上，靶樣品發射光譜通過固定在靶點精確定位系統的傳輸光纖與光譜儀連接。本實用新型的優點是整套LIBS分析儀由獨立的激光系統、導光系統、定位系統以及樣品室組成，既可以作為一臺設備使用，也可以方便的更換不同參數的激光源使用，或不使用樣品室直接對原位樣品分析，擴展該分析儀的應用范圍，促進儀器的實用化、商業化。靶點精確定位系統可實現三維空間的微米量級定位，以及靶點的自動修正，提高分析儀器測量分析結果的準確性，提升儀器分析元素的靈敏度。
【專利說明】精確靶點定位的激光誘導擊穿光譜元素分析儀
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及元素分析儀，特別涉及激光誘導擊穿光譜法的元素分析儀。
【背景技術】
[0002]元素分析在冶金、食品安全、環境監測、空間探測等各個領域具有廣泛的應用需求。常用的元素分析手段包括X射線熒光分析儀、電感耦合等離子體光譜儀、電感耦合等離子體質譜儀、原子吸收分光光度計、激光燒蝕感應耦合等離子體質譜等。但是傳統的元素分析儀器多需要進行采樣，并對樣品進行預處理后才可以分析，有些分析方法對樣品形態、所分析元素種類等都具有較大限制。
[0003]激光誘導擊穿光譜(LIBS)技術是利用強激光聚焦于樣品表面形成等離子體，通過測量等離子體發射光譜中的特征譜線來分析樣品中元素成分的分析手段。該方法已經在金屬、液體、氣體等樣品中的痕量元素的定性、定量分析應用研究方面開展了大量工作。與傳統分析方法相比，尚在發展中的LIBS技術最大的特點是幾乎不需要制備，對樣品破壞小，靈敏度高等特點，并且由于該分析方法僅有光束與目標靶材的接觸，因而可實現多元素、原位分析。
[0004]由于LIBS技術是以激光燒蝕分析樣品形成等離子體為基礎，而激光等離子體參數、發射光譜強度以及激光燒蝕靶材料后其組分的分餾效果等均與激光功率密度密切相關。對于特定的激光源，其脈沖寬度、激光波長均已固定，而現在的激光技術已經可以實現激光脈沖能量的高穩定性(抖動〈3%)，因此，對激光聚焦后功率密度影響最大的因素則是精確控制聚焦透鏡至樣品表面的距離；對于表面不平整或者非規則樣品，如果能及時修正透鏡至分析點的距離，則可以大幅度提高LIBS技術元素分析精度，進一步降低元素的檢測限。
[0005]目前，國際上可以提供商業化LIBS設備的主要廠商有法國IVEA、英國AppliedPhotonics等公司。其中在IVEA公司的EasyLIBS等產品上已經采用了兩束半導體激光進行靶點定位，并通過攝像頭采集光斑，由肉眼判斷靶點的設計。對于手持式LIBS設備進行快速分析而言，這種設計已經可以滿足快速分析需求。但是對于不規則樣品的靶點精確定位，提高樣品中元素含量分析精度以及重復測量等，該裝置還具有一定的局限性。在AppliedPhotonics公司的多款LIBS產品中，盡管已經應用了一些錐形面光學元件布局的設計，但在其設計中，脈沖激光沿中軸線傳輸，這樣設計減少了激光傳輸結構，但是也減少激光傳輸的可調節性，并且對于激光器與LIBS裝置的尺寸提出了嚴格要求，不利于更換不同參數的激光源。在其光學元件只是按照錐形結構分布，并沒有固定在錐面上，穩固性減弱。該設計中攝像頭并不在中軸線安裝，并且也未采用三束激光定位，因此，該設計對于開展不規則樣品的靶點精確定位以及元素分布測量尚有局限性。并且該LIBS設備中，也未有環境氣體噴嘴設計，也限制了其在基礎研究以及特殊環境氣體下元素分析的應用。
【發明內容】
[0006]本實用新型的目的在于，為避免現有技術的不足，提供一種可精確靶點定位，易于操作和推廣，具有較高分析精度的激光誘導擊穿光譜分析裝置。本實用新型的目的是將半導體激光定位、CCD圖像分析以及電控精密平移臺等技術設備相結合，建立可實現靶點精確定位的激光誘導擊穿光譜元素分析儀器。
[0007]為實現上述目的，本實用新型采取的技術方案為:一種精確靶點定位的激光誘導擊穿光譜元素分析儀，其主要特點在于包括有脈沖激光器通過激光傳輸系統將激光束傳導到樣品室內的分析樣品上，靶點精確定位系統設在樣品室上，靶樣品發射光譜通過固定在靶點精確定位系統的傳輸光纖與光譜儀連接。
[0008]所述的精確靶點定位的激光誘導擊穿光譜元素分析儀，所述的激光傳輸系統包括有在脈沖激光束傳輸的通道上設有第一激光擴束準直透鏡組中的凹透鏡、紫外石英直角棱鏡及第二激光擴束準直透鏡組中的凸透鏡，在聚焦透鏡安置腔內設有激光聚焦紫外石英透鏡，在聚焦透鏡安置腔外還設有特征波長全反射鏡，脈沖激光束依次通過第一激光擴束準直透鏡組中的凹透鏡、紫外石英直角棱鏡及第二激光擴束準直透鏡組中的凸透鏡及激光聚焦紫外石英透鏡由特征波長全反射鏡反射后照射在分析樣品上。
[0009]所述的精確靶點定位的激光誘導擊穿光譜元素分析儀，所述的靶點精確定位系統包括有內部為錐形、外部為圓柱形的金屬底座，在金屬底座的中心設有攝像裝置CCD，并在金屬底座的錐面上設有三臺帶調焦的半導體準直激光器，發射準直激光束聚焦于分析樣品表面同一點，并且該點在放置分析樣品的定位臺的軸線上，且距離脈沖激光束聚焦透鏡距離為焦距；等離子體光譜收集透鏡組設置在光纖耦合器安置腔內，等離子體光譜收集透鏡組的透鏡中心與半導體準直激光器在錐面上的位置同心，且聚焦點在分析樣品的表面；等離子體光譜收集透鏡組通過光纖法蘭上的光纖連接光譜儀；在靶點精確定位系統的錐面上設有用于樣品室內照明的LED照明燈；還設有用于為樣品表面制造特定種類的環境氣體的環境氣體噴嘴。
[0010]所述的精確靶點定位的激光誘導擊穿光譜元素分析儀，所述的樣品室其頂部與靶點精確定位系統連接，連接部分以橡膠圈密封，樣品室設有帶有激光波段防護鏡片的用于送取樣品窗口 ；在其下部設有放置分析樣品的三維電控位移臺，以實現樣品的三維空間精確掃描。
[0011]由于本設計采用三束半導體準直激光束，故可定位不規則樣品靶點，降低了 LIBS分析對樣品平整度的要求，并且，帶有聚焦透鏡的半導體激光器經仔細優化后其焦斑可達到微米量級，而工業級CCD經光學系統成像后分辨率可達微米量級，因此，該系統定位具有很聞的精度。
[0012]本實用新型的有益效果:
[0013]I)整套LIBS分析儀由獨立的激光系統、導光系統、定位系統以及樣品室組成，既可以作為一臺設備使用，也可以方便的更換不同參數的激光源使用，或不使用樣品室直接對原位樣品分析，擴展該分析儀的應用范圍，促進儀器的實用化、商業化。
[0014]2)結合三束半導體激光共焦定位、CXD圖像采集分析系統的LIBS靶點精確定位系統可實現三維空間的微米量級定位，以及靶點的自動修正，提高分析儀器測量分析結果的準確性，提升儀器分析元素的靈敏度。
[0015]3) 一體化的光路傳輸、精確定位、激光聚焦以及光譜采集系統的設計，使得該LIBS分析儀器更加穩固、可靠，并且降低了儀器操作人員操作經驗、維護調節技術的要求，使儀器易于廣泛推廣。
[0016]4)通過CXD對靶材料的成像與手工描繪，可實現目標樣品元素空間分布測量；
[0017]5)結合實驗室研究成果，增加了與靶心共軸的環境氣體噴嘴，可創造各種氣體環境，增強光譜信號、提高譜線信噪比以及去除大氣背景干擾等，可滿足科學研究需求以及特殊行業應用需求。
【專利附圖】
【附圖說明】:
[0018]圖1典型LIBS裝置原理示意圖；
[0019]圖2本實用新型的結構示意圖；
[0020]圖3本實用新型的靶點精確定位系統實施例1的主視剖面示意圖；
[0021]圖4本實用新型的祀點精確定位系統實施例1仰視不意圖；
[0022]圖5本實用新型的樣品室主視剖面示意圖；
[0023]圖6本實用新型的樣品室俯視示意圖；
[0024]圖7本實用新型的靶點精確定位系統實施例3的主視示意圖；
[0025]圖8本實用新型的靶點精確定位系統實施例3仰視示意圖；
[0026]圖9本實用新型的測試流程示意圖。
[0027]圖中:1脈沖激光器；2激光傳輸系統；3LIBS祀點精確定位系統；4樣品室；5傳輸光纖；6光譜儀；7紫外石英直角棱鏡；8脈沖激光束；9激光擴束準直透鏡組；10激光聚焦紫外石英透鏡；11聚焦透鏡安置腔；12特征波長全反射鏡；13光譜收集耦合透鏡組；14光纖法蘭；15光纖耦合器安置腔；16靶點定位工業級CXD ; 17環境氣體噴嘴；18三維精密電控樣品臺；19分析樣品；20等離子體羽；21靶點定位半導體激光器；22照明LED光源；23帶激光波段防護窗的樣品窗；24樣品室主體框架；25脈沖閥。
【具體實施方式】
[0028]以下結合附圖所示之最佳實例作進一步詳述:
[0029]實施例1:見圖2，一種精確靶點定位的激光誘導擊穿光譜元素分析儀，其主要特點在于包括有脈沖激光器I通過激光傳輸系統2將激光束傳導到樣品室4內的分析樣品19上，靶點精確定位系統3設在樣品室4上，靶點精確定位系統3通過傳輸光纖5與光譜儀6連接。光譜儀采用商用的光纖光譜儀或者是配有像增強CCD探測器的中階梯光譜儀。
[0030]所述的LIBS分析裝置中的脈沖激光系統I通常采用Nd:YAG商業激光器產品，輸出脈沖寬度為納秒量級，具有固定波長及倍頻波長輸出，根據不同實驗需要，亦可選用皮秒、飛秒激光系統等。
[0031]所述的激光傳輸系統2包括有在脈沖激光束8的傳輸通道上設有第一激光擴束準直透鏡組凹透鏡9-1、紫外石英直角棱鏡7及第二激光擴束準直透鏡組凸透鏡9-2，在聚焦透鏡安置腔11內設有激光聚焦紫外石英透鏡10，在聚焦透鏡安置腔11外還設有特征波長全反射鏡12，脈沖激光束8依次通過第一激光擴束準直透鏡組中的凹透鏡9-1、紫外石英直角棱鏡7及第二激光擴束準直透鏡組中的凸透鏡9-2及激光聚焦紫外石英透鏡10由特征波長全反射鏡12反射后照射在分析樣品19上。脈沖激光系統I由于采用在聚焦透鏡安置腔11內設有激光聚焦紫外石英透鏡10設計，因而可以根據不同實驗需要，容易地替換為皮秒、飛秒激光等其他光源系統。
[0032]見圖3及圖4，所述的靶點精確定位系統3包括有內部為錐形、外部為圓柱形的金屬底座3-1，在金屬底座3-1的中心設有攝像裝置(XD16，并在金屬底座3-1的錐面上設有三臺帶調焦的半導體準直激光器21，發射準直激光束聚焦于分析樣品19表面同一點，并且該點在放置分析樣品19定位底座18的軸線上，且距離脈沖激光束聚焦透鏡10距離為焦距；等離子體光譜收集透鏡組13設置在光纖耦合器安置腔15內，等離子體光譜收集透鏡組13的透鏡中心與半導體準直激光器21在錐面上的位置同心，且聚焦點為分析樣品19表面；等離子體光譜通過透鏡組13聚焦至光纖法蘭14上的光纖5連接光譜儀6。金屬底座3-1上設有環境氣體噴嘴17指向靶樣品表面以創造所需的氣體環境；金屬底座3-1上還設有照明光源LED。
[0033]見圖5及圖6，所述的樣品室4其頂部設有與定位系統底座3-1尺寸相匹配的圓形接口，可與靶點精確定位系統3連接，樣品室為敞口，連接部分以橡膠圈24-1密封，樣品室4設有帶有激光波段防護鏡片的窗口 23，用于送取樣品；在其下部設有放置分析樣品19的三維電控位移臺18，被分析樣品放置在三維電控位移臺18上，以實現樣品的三維空間精確掃描。
[0034]由于三維電控精密平移臺精度可達納米級的，且激光焦斑尺寸在微米量級，通過CCD16獲取分析樣品形貌，并人工繪制掃描軌跡后，可實現目標樣品中元素空間分布的分析。
[0035]本實用新型所述的精確靶點定位的激光誘導擊穿光譜元素分析儀，其精確定位測量原理在于三臺準直半導體激光器發射準直激光束聚焦于分析樣品表面同一點，并且該點在靶點定位底座中軸線上，靶點距離脈沖激光束聚焦透鏡10距離與透鏡焦距匹配；工業級CCD16采集分析準直激光器21的光斑，判斷三個激光束是否在同一點，若CCD只觀測到一個光斑，即可進行測量分析，如果CCD觀測到三個光斑，則說明樣品未處于激光焦點處，即控制三維電控平移臺修正樣品位置直至觀測到一個光斑為止；由于本設計采用三束半導體準直激光束，故可定位不規則樣品靶點，降低了 LIBS分析對樣品平整度的要求，并且，帶有聚焦透鏡的半導體激光器經仔細優化后其焦斑可達到微米量級，而工業級CCD經光學系統成像后分辨率可達微米量級，因此，該系統定位具有很高的精度。
[0036]所述的LIBS分析裝置中的激光傳輸系統2，包括由紫外石英棱鏡組成的反射鏡7，具有伽利略望遠鏡結構的擴束系統9，該望遠鏡系統的兩塊透鏡9-1及9-2分布在一個石英直角棱鏡7的兩側，可以縮短對兩段導光臂的長度要求，使得裝置更加緊湊。
[0037]使用時，激光束8在導光臂里經透鏡組9擴束后從3-1外側壁進入激光傳輸通道，并經嵌入聚焦透鏡安置腔11內的石英透鏡10進行聚焦，聚焦透鏡位置利用螺紋卡環調節；聚焦后的激光束由安裝在錐形座底部的高反鏡12反射后照射在分析樣品19的表面，形成等離子體羽20 ;透鏡到樣品表面距離與透鏡焦距一致；錐體支座中心位置安裝工業級CCD16，用于拍攝激光靶點等離子體發光圖像、半導體激光光斑以及樣品形貌等；見圖4，在錐面對稱安裝3臺帶調焦的半導體準直激光器21，三臺準直激光器經聚焦優化后形成微米級光斑并照射于分析樣品表面同一位置；等離子體光譜收集透鏡組13被安裝在光纖耦合器安置腔15內，透鏡中心與三束半導體激光在錐面上的位置同心，并精確指向靶點，透鏡組將等離子體光譜收集聚焦后由連接在光纖法蘭14上的光纖傳輸至光譜儀6內進行分析；由于等離子體光譜信號在不同環境氣體下具有不同的演化規律，本系統中在半導體激光位置圓環上還設置了環境氣體噴嘴17，其方向亦精確指向靶點；此外，為了放置樣品方便以及CCD能夠清楚獲取樣品形貌照片，在該系統中還配置了 LED照明燈22。
[0038]所述的LIBS分析裝置中，激光器、光譜儀以及CXD之前的時序一般由成熟的脈沖信號延遲器，例如美國斯坦福的DG535、DG645精確控制，也可以自行設計加工，其控制精度好于I納秒。LIBS設備常用的商業光譜儀一般也都配有激光器觸發信號模塊，并利用軟件進行延遲時間控制，因此，也可以由光譜儀軟件實現各硬件之間的時序同步于延遲。
[0039]本實用新型的測試過程，由緊湊型Nd:YAG激光器I作為燒蝕光源，激光束經過一對紫外石英棱鏡9傳輸，并由紫外石英透鏡10聚焦后，照射在分析樣品19表面，樣品固定在三維電控平移臺18上，并按照設定軌跡移動樣品。三束由半導體激光器21輸出的激光束照射在樣品表面上的光斑由(XD16采集，并判斷是否同心，通過控制精密電控升降臺，至三束激光束同心為止，即靶點定位完成，此時，脈沖激光束在樣品表面光斑與三束定位激光同心，即開始測量。同時樣品運動過程中，C⑶持續監測三束半導體激光光斑，并控制步進電機修正位置。由脈沖激光燒蝕樣品表面產生的等離子體光譜由耦合透鏡組13耦合進光纖5并輸入光譜儀6進行分析。光譜儀與激光器以及CCD之前的延遲時間由脈沖信號延遲器DG645 (美國SRS公司)進行精確控制。
[0040]實施例2:—種精確祀點定位的激光誘導擊穿光譜兀素分析儀,使用于礦物、巖石等不規則樣品分析，結構與實施例1相同，不同的是使用移動電源，不使用樣品室，直接將激光束焦點對準野外目標樣品進行測量并分析其中的元素。
[0041]通常LIBS光譜分析對于激光功率密度非常敏感，因此，樣品表面的平整度會LIBS分析結果有很大的影響。對于未經處理的礦石樣品等，其表面非常不平整，如果不能仔細對焦以及優化光纖收集耦合，很可能會測不到任何信號。但是采用本實用新型的帶有靶點精確定位的LIBS分析儀，由于三點可以確定一個平面，并且該三束激光共有焦點與光纖收集耦合透鏡組共線，故對于不規則礦石樣品等，只要調整三束定位激光交匯，即可很好耦合光譜收集系統并獲得最優化的光譜信號。
[0042]實施例3:—種精確靶點定位的激光誘導擊穿光譜元素分析儀，在真空條件下激光質譜或光譜分析。見圖7及圖8，所述的C⑶攝像系統16設于金屬底座3-1的錐面上，以真空密封連接方式將脈沖閥25設于金屬底座3-1的中心；同時選用不銹鋼材料加工定位底座3 -1，并在其圓柱端面加工法蘭刀口，與所擬連接真空腔密封對接。本實用新型精確靶點定位系統即可用于真空條件下的激光燒蝕質譜、光譜分析定位，并且可實現真空腔外原位樣品燒蝕、真空腔內質譜分析等功能。其余結構與實施例1相同。
[0043]實施例4 一種精確靶點定位的激光誘導擊穿光譜元素分析儀，元素空間分布測量。結構與實施例1相同。不同的是電控精密升降臺組成的三維電控位移臺上，以實現樣品的三維空間精確掃描。由于三維電控精密平移臺精度可達納米級的，且激光焦斑尺寸在微米量級，通過CCD16獲取分析樣品形貌，并人工按照CCD所采集圖像繪制電控平移臺掃描軌跡后，由平移臺控制程序讀取軌跡數據后運動，同時光譜儀器采集分析LIBS光譜信號，通過強度分析即可獲得特定區域的元素含量信息。通過不同區域的掃描，該系統可實現目標樣品中元素空間分布的分析。[0044]實施例5:見圖9，一種精確靶點定位的激光誘導擊穿光譜元素分析儀的使用方法，其主要步驟為:
[0045]首先在儀器安裝時初始設置三臺準直半導體激光器發射準直激光束聚焦于分析樣品表面同一點，并且該點在靶點定位底座軸線上，且距離脈沖激光束聚焦透鏡10距離為透鏡焦距；工業級(XD16采集分析準直激光器21的光斑，判斷三個激光束是否在同一點，若CCD只觀測到一個光斑，即分析樣品處于脈沖激光焦點處，即可進行測量分析，如果CCD觀測到三個光斑，則說明樣品未處于激光焦點處，即停止測量，并控制升降臺移動直至觀測到一個光斑為止。
[0046]以上所述僅為本實用新型的較佳實施例，并不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種精確靶點定位的激光誘導擊穿光譜元素分析儀，其特征在于包括有脈沖激光器通過激光傳輸系統將激光束傳導到樣品室內的分析樣品上，靶點精確定位系統設在樣品室上，靶樣品發射光譜通過固定在靶點精確定位系統的傳輸光纖與光譜儀連接。
2.如權利要求1所述的精確靶點定位的激光誘導擊穿光譜元素分析儀，其特征在于所述的激光傳輸系統包括有在脈沖激光束傳輸的通道上設有第一激光擴束準直透鏡組中的凹透鏡、紫外石英直角棱鏡及第二激光擴束準直透鏡組中的凸透鏡，在聚焦透鏡安置腔內設有激光聚焦紫外石英透鏡，在聚焦透鏡安置腔外還設有特征波長全反射鏡，脈沖激光束依次通過第一激光擴束準直透鏡組中的凹透鏡、紫外石英直角棱鏡及第二激光擴束準直透鏡組中的凸透鏡及激光聚焦紫外石英透鏡由特征波長全反射鏡反射后照射在分析樣品上。
3.如權利要求1所述的精確靶點定位的激光誘導擊穿光譜元素分析儀，其特征在于所述的靶點精確定位系統包括有內部為錐形、外部為圓柱形的金屬底座，在金屬底座的中心設有攝像裝置CCD，并在金屬底座的錐面上設有三臺帶調焦的半導體準直激光器，發射準直激光束聚焦于分析樣品表面同一點，并且該點在放置分析樣品的定位臺的軸線上，且距離脈沖激光束聚焦透鏡距離為焦距；等離子體光譜收集透鏡組設置在光纖耦合器安置腔內，等離子體光譜收集透鏡組的透鏡中心與半導體準直激光器在錐面上的位置同心，且聚焦點在分析樣品的表面；等離子體光譜收集透鏡組通過光纖法蘭上的光纖連接光譜儀；在靶點精確定位系統的錐面上設有用于樣品室內照明的LED照明燈；還設有用于為樣品表面制造特定種類的環境氣體的環境氣體噴嘴。
4.如權利要求1所述的精確靶點定位的激光誘導擊穿光譜元素分析儀，其特征在于所述的樣品室其頂部與靶點精確定位系統連接，連接部分以橡膠圈密封，樣品室設有帶有激光波段防護鏡片的用于送取樣品窗口 ；在其下部設有放置分析樣品的三維電控位移臺，以實現樣品的二維空間精確掃描。
【文檔編號】G01N21/62GK203824908SQ201420129663
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年3月21日 優先權日:2014年3月21日
【發明者】張大成, 馬新文, 趙冬梅 申請人:中國科學院近代物理研究所