基于共線激光誘導擊穿光譜作物營養元素快速檢測的裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種基于共線激光誘導擊穿光譜作物營養元素快速檢測的裝置，包括用于產生共軸雙脈沖激光的雙脈沖固體激光器，雙脈沖固體激光器的重復頻率為1～10Hz，激光532nm的能量為80～200mJ，激光1064nm的能量為80～300mJ，兩束激光之間的間隔時間為200～2000ns；沿所述雙脈沖固體激光器的光軸依次布置有能量衰減器、光路爬高系統和樣品臺，由光路爬高系統出射的激光垂直擊打在樣品表面產生等離子體；還包括信號采集和處理系統，采集等離子體冷卻發出的特征譜線，并輸入建立好的數據模型，計算出營養元素的含量。本實用新型實現了作物營養元素的快速檢測，具有操作簡單，成本低等特點。有效克服了傳統檢測方法檢測時間長、操作復雜的特點，避免了化學試劑對環境的污染。
【專利說明】基于共線激光誘導擊穿光譜作物營養元素快速檢測的裝置
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及作物營養元素檢測技術，特別涉及一種基于共線激光誘導擊穿光譜作物營養元素快速檢測的裝置。
【背景技術】
[0002]作物營養元素(氮、磷、鉀等)與作物的生長狀況以及產量密切相關。氮、磷、鉀是作物三大主要營養元素。氮是色素的組成成分，能促進植物光合作用，增加作物產量；磷是作物多種化合物的組成元素，對作物品質具有重要影響；鉀能促進作物光合作用，增強作物抗逆性。獲取作物營養元素信息有利于了解作物的生長狀況，根據作物的缺素情況實現早期定量施肥。目前，作物營養元素的檢測方法主要有凱式定氮法、杜馬氏燃燒法、比色法、火焰燃燒法等。然而，這些方法操作復雜、成本高，通常需要消耗大量化學試劑并造成環境污染，無法滿足農田作物營養信息快速獲取的要求。
[0003]激光誘導擊穿光譜儀(Laser-1nducedBreakdown Spectroscopy, LIBS)利用脈沖激光產生的等離子體燒蝕并激發樣品(通常為固體)中的物質，并通過光譜儀獲取激發等離子體原子所發射的光譜，以此來識別樣品中的元素組成成分，進而可以進行材料的識別、分類、定性以及定量分析。該技術無需對樣品進行預處理，能夠快速實現遠程、微損對樣品元素(尤其是金屬元素)進行檢測，可用于固體、氣體、液體樣品的檢測。近年來，激光誘導擊穿光譜技術發展迅速，廣泛應用于多個領域，如生物醫學、考古學、環境監測、水中重金屬檢測以及爆炸物探測等。
[0004]應用激光誘導擊穿光譜技術能快速獲取作物營養信息，有利于實現農業精準化、智能化和信息化。然而，由于激光誘導擊穿光譜分析量很小，基體效應對分析結果具有明顯的影響。因此對于作物樣本通常需要進行制樣壓片來保證檢測的重復性。
實用新型內容
[0005]本實用新型提供了一種作物營養元素快速檢測裝置，實現了基于激光誘導擊穿光譜對作物壓片營養元素快速檢測，能同時滿足不同作物激光光譜的檢測，具有系統調節方便，成本低，檢測快速，微損等特點。
[0006]一種基于共線激光誘導擊穿光譜作物營養元素快速檢測的裝置，包括用于產生共軸雙脈沖激光的雙脈沖固體激光器，所述的雙脈沖固體激光器的重復頻率為I?10HZ，激光532nm的能量為80?200mJ，激光1064nm的能量為80?300mJ，兩束激光之間的間隔時間為200?2000ns ;沿所述雙脈沖固體激光器的光軸依次布置有能量衰減器、光路爬高系統和樣品臺，由光路爬高系統出射的激光垂直擊打在樣品表面產生等離子體；還包括信號采集和處理系統，采集等離子體冷卻發出的特征譜線，并輸入建立好的數據模型，計算出營養兀素的含量。
[0007]優選的，所述的信號采集和處理系統包括:光纖收集系統，用于收集等離子體冷卻發出的特征譜線；分光系統，用于對特征譜線進行分光；ICCD探測器，用于將分光系統的光信號轉換為電信號；計算機，根據所述的電信號，輸入建立好的數據模型，計算出營養元素的含量。
[0008]優選的，所述的分光系統為中階梯光柵光譜儀。
[0009]中階梯光柵光譜儀是以中階梯光柵作為色散元件的光譜儀，無需光柵掃描即可一次性得到全譜數據，能避免普通光譜儀多通道首尾段拼接問題。中階梯光柵光譜儀內部無機械部分，穩定性更高，分辨率能達到0.08nm，能滿足譜線分光要求。
[0010]優選的，所述的光路爬高系統由依次布置的第一反射鏡、第二反射鏡和第三反射鏡組成，所述第二反射鏡位于第一反射鏡的正上方，第三反射鏡位于樣品臺的正上方。
[0011]光路爬高系統主要用于抬升光路，并將沿水平方向激光轉化為沿垂直方向傳播。應用光路爬高系統能有效避免升高激光器位置導致激光不穩定的因素。激光從樣品正上方擊打樣品表面，有利于等離子體的有效激發，保證等離子體均勻對稱分布。
[0012]優選的，所述的第一反射鏡、第二反射鏡和第三反射鏡均采用I英寸雙頻Nd:YAG激光反射鏡，532nm、1064nm處的反射率在98%以上。
[0013]由于雙脈沖固體激光器的激光波長為532nm和1064nm，為減少激光能量在光路系統的損失，保證激光能量的有效利用率，所述的反射鏡均采用雙頻Nd:YAG激光反射鏡，其在532nm、1064nm處的反射率在98%以上。
[0014]優選的，所述的樣品臺包括具有四自由度的電移臺、活動安裝在電移臺上的升降板和滑動配合在電移臺上的載物臺；所述升降板上設有透明的約束窗口，激光透過約束窗口后擊打樣品；所述升降板的下方設有約束板，該約束板置于樣品的正上方，約束板上分布有約束腔，該約束腔用于約束樣品激發的等離子體。
[0015]樣品臺通過空間限制增強譜線強度，能對等離子體橫向以及縱向進行約束，并根據不同的樣本需求調節約束空間大小調節譜線強度，譜線強度增強范圍為2?10倍。約束窗口主要用于對等離子體縱向進行約束，并對入射激光與等離子體產生的特征譜線具有較好的透射率。約束板主要用于對等離子體的橫向進行約束，并使特征譜線進行約束傳播，提高譜線收集效率和譜線強度。
[0016]優選的，所述的升降板上設有透光口，該透光口處覆蓋有透光板，所述透光口與透光板組成所述的約束窗口。
[0017]其中，透光板為有機玻璃板，選用材料為N-BK7，厚度為I?5mm，透過率大于90 %，能量閾值大于lOJ/cm2。譜線增強效果受到約束窗口離樣品距離的影響。由于樣品性質和所要檢測的元素譜線強度不同，本實用新型的約束窗口能在垂直方向進行移動，根據需要調節譜線強度。為保證激光有效激發和特征譜線的有效收集，透光板對激光波長和特征譜線的透過率應大于90%。同時，為防止激光對有機玻璃板造成損害，其能量閾值應大于1J/
2
cm ο
[0018]本實用新型具有的有益效果是:
[0019](I)能快速調節儀器的參數，實現最佳檢測參數的優化；
[0020](2)實現了作物營養元素的快速檢測，具有操作簡單，成本低等特點。有效克服了傳統檢測方法檢測時間長、操作復雜的特點，避免了化學試劑對環境的污染。
[0021](3)樣品臺通過空間限制增強譜線強度，能對等離子體橫向以及縱向進行約束，提高譜線收集效率和譜線強度；能避免激發顆粒重新覆蓋到樣品表面；并平整樣品表面，使樣品到聚焦透鏡的距離保持不變從而提高檢測重復性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0022]圖1為作物營養元素快速檢測的裝置結構圖；
[0023]圖2為樣品臺的結構圖；
[0024]圖3為圖2中樣品臺的俯視圖。
【具體實施方式】
[0025]如圖1所示，一種基于共線激光誘導擊穿光譜作物營養元素快速檢測的裝置，包括雙脈沖固體激光器1，延時發生器2，能量衰減器3，激光能量實時監測系統4，光路爬高系統5，探測器6，光譜儀7，樣品臺8，聚焦透鏡9，光纖收集系統10和樣本表面成像系統11。
[0026]雙脈沖固體激光器I具有4種工作方式:(I) 1064nm同軸輸出，(2)532nm同軸輸出，(3) 1064nm異軸輸出(4) 1064nm、532nm異軸輸出。雙脈沖固體激光器I可由2個單脈沖1064nm固體激光器、倍頻晶體和合束光路實現。雙脈沖固體激光器I的重復頻率為1-lOHz，能量為80-200mJ(@532nm)，80-300mJ(@1064nm)，兩束激光之間的間隔時間為200 ?2000ns。
[0027]延時發生器2控制雙脈沖固體激光器I調Q觸發時間、氙燈開啟觸發時間和ICXD探測器的門控時間。延時發生器設置雙脈沖固體激光器調Q信號的觸發時間在氙燈信號觸發之后150±20ys。優化探測器的控制開啟時間為第二路激光調Q開關觸發時間之后
1.5 μ S0
[0028]能量衰減器3由半波片31和第一分束鏡32組成。激光能量實時監測系統4包括熱電脈沖探頭42、第二分束鏡41、USB連接線和計算機13。
[0029]光路爬高系統5由第一反射鏡52、第二反射鏡51和第三反射鏡53組成，第一反射鏡52、第二反射鏡51和第三反射鏡53選用I英寸雙頻Nd:YAG激光反射鏡，532nm、1064nm處的反射率在98%以上。
[0030]光纖收集系統10由光收集器和光纖組成。樣本表面成像系統11用于監測激光擊打位置，包括CXD相機114、成像鏡頭113、第三分束鏡112、照明LED光源111。
[0031]探測器6為ICXD探測器。光譜儀7為中階梯光柵光譜儀。
[0032]聚焦透鏡9安裝于沿光軸方向具有調節自由度的透鏡安裝架中，用于調節樣本與透鏡的距離，從而控制擊打到樣品上的激光參數。聚焦透鏡選用N-BK7，鍍V形膜，其在532nm、1064nm處的反射率小于0.25%。
[0033]如圖2和圖3所示，樣品臺8包括齒條升降桿901，齒輪滑塊902，直角轉接板903，等離子體約束窗口 904，圓柱導軌905，等離子體約束板906，V型滑塊907，組合電移臺909，拉桿910，約束腔911。組合電移臺909采用四自由度(X，y, z, w)組合電移臺，包括三個單自由度(x、y和ζ)脈沖電動位移臺和一個旋轉自由度(w)電動旋轉臺。齒條升降桿901豎直安裝在組合電移臺909上，齒輪滑塊902與齒條升降桿901嚙合，可沿垂直方向上下移動。直角轉接板903通過螺栓固定于齒輪滑塊902上，平面設有矩形的透光口，透光口邊緣設有支撐臺階，透光口內設有透光板，形成等離子體約束窗口 904。圓柱導軌905固定在組合電移臺909，等離子體約束板906可沿圓柱導軌905上下滑動。圓柱導軌905和齒條升降桿901均通過螺栓聯接于組合電移臺909上。組合電移臺909開有V型槽，V型滑塊907在拉桿910作用下可沿V型槽左右滑動，拉桿910通過螺紋固定于V型滑塊907內。樣品908放置V型滑塊907 (相當于載物臺)上，激光從上方向下擊打，通過等離子體約束窗口 904，并經過等離子體約束板906，擊打到樣品表面，激發等離子體，冷卻發出特征譜線由光纖收集系統10收集。
[0034]等離子體約束窗口 904的材料為N-BK7，厚度為I?5mm，透過率大于90%，能量閾值大于lOJ/cm2。等離子體約束窗口 904主要用于對等離子體縱向進行約束，并對入射激光與等離子體產生的特征譜線具有較好的透射率。N-BK7是一種常見的光學玻璃，能夠透過350nm?2000nm波段的光，其激光的透射率大于90%，能量閾值大于lOJ/cm2。因此等離子體約束窗口 904選用材料為N-BK7，厚度為I?3m。等離子體約束窗口 904可在齒輪滑塊902作用下沿垂直方向進行移動。譜線增強效果受到約束窗口離樣品距離的影響。由于樣品性質和所要檢測的元素譜線強度不同，本實用新型的等離子體約束窗口 904能在垂直方向進行移動，根據需要調節譜線強度。
[0035]在本實施例中，等離子體約束板906的材料為鍍鉻的鋁板，厚度為1mm，其中間均勻布有圓錐形約束腔911，上錐面直徑和下錐面直徑分別是2mm和3mm。約束腔911之間距離應與組合電移臺909規劃位移相一致。等離子約束板6主要用于對等離子體的橫向進行約束，并使特征譜線進行約束傳播，提高譜線收集效率和譜線強度，譜線強度增強范圍為2?10倍。在鋁板的約束腔911內進行鍍鉻，使內腔具有較高的反射率，使特征譜線約束傳播，提高譜線收集效率。約束腔采用圓錐形結構，由于其上小下大的結構，比起圓柱型的結構能更好得對等離子體進行約束。另外，當等離子體從圓錐形約束腔射出時，由于其空間約束加大，其電子密度與運動速度均會得到增強，因此更加有利于譜線信號的增強。本實用新型的等離子體約束板906的約束腔之間距離與組合電移臺909規劃位移相一致，能適用于激光誘導擊穿光譜面掃描的工作方式。本實用新型采用等離子體約束板906覆蓋樣品表面，有利于平整樣品表面提高檢測重復性，同時避免激發顆粒污染其它待測區域。當待測樣品為新鮮葉片等表面不平整樣品時，其待測區域與透鏡距離存在差異，進而影響激光到達樣品的激光參數。激光誘導擊穿光譜的檢測穩定性與待檢測區域的激光參數息息相關，因此平整樣品表面有利于固定激光參數提高檢測的重復性。此外，等離子體約束板906的上小下大圓錐形結構有利于最大程度地避免由上一個檢測區域激發顆粒污染，保證所檢測對象為待檢測區域的元素。
[0036]V型滑塊907在拉桿910作用下可沿V型槽移動，采用此V型滑塊導軌結構，避免升高等離子約束窗口和等離子約束板等繁瑣操作。等離子體約束板906與圓柱導軌905之間的連接為緊連接，在重力作用下等離子體約束板906不能自由下滑。
[0037]本樣品臺工作時，控制組合電移臺909使等離子體約束板906的圓錐型約束腔911與上方激光的位置相對應，設置組合電移臺909的工作步長是圓錐形約束腔相鄰距離或倍數。共軸雙脈沖激光經過光路系統，經聚焦透鏡從上方向下傳播，穿過等離子體約束窗口904，并經過圓錐形約束腔擊打樣品。等離子體約束窗口 904的其激光透過率大于90%，能量閾值大于lOJ/cm2。等離子體冷卻發出特征譜線由上方的光纖收集系統10收集。每個位置可根據實際要求選擇所需擊打的次數，當完成一個位置之后通過組合電移臺909移動進行多個位置光譜采集。當無等離子體約束窗口 904和等離子體約束板906時，激發出的等離子體為自由激發狀態；當對激發的等離子體進行限制后，等離子體的密度增加，等離子體溫度升高，增強了激發原子的譜線強度。
[0038]延時發生器2控制雙脈沖固體激光器I的調Q開關觸發時間和氙燈開啟觸發時間。在延時發生器2控制下，雙脈沖固體激光器I產生共軸532nm(1064nm)雙脈沖激光。激光經過能量衰減器3對激光能量進行衰減。通過轉動半波片31控制從分束鏡32出來的能量。衰減后激光分別經過第一反射鏡52和第二反射鏡51，再經過第三反射鏡53改變光路，向下傳播。激光經過聚焦透鏡9聚焦擊打樣品表面，產生等離子體。等離子體冷卻產生的特征譜線經光纖收集系統10收集，經過光譜儀7分光，最終由探測器6上的光電倍增管轉化為電信號，通過USB連接到計算機12上，通過建立好的模型數據庫，計算出作物營養元素含量。
[0039]本實用新型的發明點僅涉及光路設計和裝置結構，采集特征譜線信息后，計算機應用現有的技術，可計算出作物營養元素的含量，并不涉及軟件和計算方法上的改進。
[0040]以上所述僅為本實用新型的較佳實施舉例，并不用于限制本實用新型，凡在本實用新型精神和原則之內，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】
1.一種基于共線激光誘導擊穿光譜作物營養元素快速檢測的裝置，其特征在于，包括用于產生共軸雙脈沖激光的雙脈沖固體激光器，所述的雙脈沖固體激光器的重復頻率為I?1Hz，激光532nm的能量為80?200mJ，激光1064nm的能量為80?300mJ，兩束激光之間的間隔時間為200?2000ns ； 沿所述雙脈沖固體激光器的光軸依次布置有能量衰減器、光路爬高系統和樣品臺，由光路爬高系統出射的激光垂直擊打在樣品表面產生等離子體； 還包括信號采集和處理系統，采集等離子體冷卻發出的特征譜線，并輸入建立好的數據模型，計算出營養元素的含量。
2.如權利要求1所述的基于共線激光誘導擊穿光譜作物營養元素快速檢測的裝置，其特征在于，所述的信號采集和處理系統包括: 光纖收集系統，用于收集等離子體冷卻發出的特征譜線； 分光系統，用于對特征譜線進行分光； ICCD探測器，用于將分光系統的光信號轉換為電信號； 計算機，根據所述的電信號，輸入建立好的數據模型，計算出營養元素的含量。
3.如權利要求2所述的基于共線激光誘導擊穿光譜作物營養元素快速檢測的裝置，其特征在于，所述的分光系統為中階梯光柵光譜儀。
4.如權利要求1所述的基于共線激光誘導擊穿光譜作物營養元素快速檢測的裝置，其特征在于，所述的光路爬高系統由依次布置的第一反射鏡、第二反射鏡和第三反射鏡組成，所述第二反射鏡位于第一反射鏡的正上方，第三反射鏡位于樣品臺的正上方。
5.如權利要求4所述的基于共線激光誘導擊穿光譜作物營養元素快速檢測的裝置，其特征在于，所述的第一反射鏡、第二反射鏡和第三反射鏡均采用I英寸雙頻Nd:YAG激光反射鏡，532nm、1064nm處的反射率在98%以上。
6.如權利要求1所述的基于共線激光誘導擊穿光譜作物營養元素快速檢測的裝置，其特征在于，所述的樣品臺包括具有四自由度的電移臺、活動安裝在電移臺上的升降板和滑動配合在電移臺上的載物臺； 所述升降板上設有透明的約束窗口，激光透過約束窗口后擊打樣品； 所述升降板的下方設有約束板，該約束板置于樣品的正上方，約束板上分布有約束腔，該約束腔用于約束樣品激發的等離子體。
7.如權利要求6所述的基于共線激光誘導擊穿光譜作物營養元素快速檢測的裝置，其特征在于，所述的升降板上設有透光口，該透光口處覆蓋有透光板，所述透光口與透光板組成所述的約束窗口。
【文檔編號】G01N21/63GK204214779SQ201420688747
【公開日】2015年3月18日 申請日期:2014年11月17日 優先權日:2014年11月17日
【發明者】彭繼宇, 劉飛, 何勇, 周菲, 張初, 孔汶汶, 馮雷 申請人:浙江大學