一種增強型等離子體發光信號收集器的制造方法
【技術領域】
[0001] 本實用新型具體涉及一種增強型等離子體發光信號收集器，屬于光信號接收器領 域。
【背景技術】
[0002] LIPS技術是激光誘導等離子體光譜技術的簡稱，又稱激光誘導擊穿光譜技術 (LIBS)或激光激發光譜技術（LSS)，將激光聚焦到一定高能量密度從而電離樣品，產生激 光誘導等離子體，在等離子體冷卻過程中電子能級躍迀從而發射特征光譜，通過分析特征 光譜可對樣品所含元素進行定性和定量分析。LIPS不受樣品外觀的限制，可檢測各種處于 固態、液體、氣溶膠形態的樣品。此外，LIPS技術還有檢測極限高（可以達到ppb量級），測 量速度快（短于一秒）、可遠程非接觸測量等優點。
[0003] LIBS技術的關鍵點在于提高獲得的信號強度，一般情況下科研人員從三方面提 高：富集樣品（液體或者氣體固態化等），提高等離子體溫度或者密度（提高激光能量，采 用雙脈沖技術，外加電場，加約束場等），采用ICCD等。本裝置擬利用提高收集立體角的方 法提高探測信號強度。一般提高收集立體角的方法是拉近收集距離或者用F數較大的聚焦 透鏡來收集等離子體發光。在LIBS中加入橢圓和半圓球組合成的反射鏡來提高收集立體 角的方法作者在文獻和專利中尚未找到。卡爾海因茨?施特羅布爾等人在其專利（利用橢 球面反射鏡的光學會聚和收集系統，【申請號】94192947)中提到了利用橢球面反射鏡收集 點光源發射出的電磁輻射，如圖1所示，該方法同樣利用了橢圓的光學性質，將點光源放置 在橢圓的一個焦點上，部分圓球面反射鏡將光源發射出的光反射到橢圓反射鏡上，反射鏡 將點光源發出的光以及圓面反射鏡反射過去的光會聚到另一個焦點上，用光纖進行收集， 半圓球球面和橢球面平行于橢球的長軸線，屬于開放式收集腔。 【實用新型內容】
[0004] 激光誘導等離子體光譜技術（LIPS)中探測靈敏度和收集到的信號強度相關，本 實用新型旨在增強探測器收集到的信號，同時優化收集到的光斑形狀（等離子體發光為彗 星狀，不利于收集），增長光纖探頭與等離子體的距離從而減小光學表面污染，延長壽命。
[0005] 本實用新型利用橢球面反射鏡和球面反射鏡組合的方式增加光收集立體角。提供 一種增強型等離子體發光信號收集器，所述收集器包括一個橢球面反射鏡以及一個半圓球 面反射鏡，所述橢球的通徑等于圓球的直徑，圓球的半徑等于橢球兩焦點距離，所述橢球面 反射鏡的開口邊緣和半圓球面反射鏡的開口邊緣吻合從而構成一個封閉式收集光腔，所述 橢球和圓球的交接線垂直于橢球長軸。
[0006] 進一步地，如上所述的增強型等離子體發光信號收集器，所述橢球面的剖面橢圓 的兩個焦點分別是所述半圓球面的球心和頂點。
[0007] 進一步地，如上所述的增強型等離子體發光信號收集器，所述橢球長徑，短徑和圓 球半徑比例為：
[0008] 進一步地，如上所述的增強型等離子體發光信號收集器，所述頂點處設置光纖探 頭。
[0009] 進一步地，如上所述的增強型等離子體發光信號收集器，所述橢球和圓球的交接 處，一邊放置一個凸透鏡，另一邊放置窗口或者光收集器。
[0010] 本實用新型具有如下有益效果：
[0011] 1 :該裝置能提高收集立體角，通過理論計算該裝置對光的收集效率約為96%，相 對于用透鏡收集光斑（最大不超過28% )要高很多。
[0012] 2:可以優化收集光斑，對于一個非特定光斑經過該裝置收集后光斑形狀改變成圓 形，對于不要求成像質量的光路系統，這樣的光斑更有利于光線收集。
[0013] 3:拉遠等離子體發光點與收集光纖探頭距離，減少探頭表面光學污染，延長光纖 壽命。
[0014] 4 :封閉式收集光腔隔絕外界環境，可以控制LIPS激發點所處的環境。
【附圖說明】
[0015] 圖1為現有技術中的等離子體發光信號收集器的結構示意圖。
[0016] 圖2為本實用新型增強型等離子體發光信號收集器的剖面示意圖。
[0017] 圖3為現有技術中的光斑通過凸透鏡收集成像的示意圖。
[0018] 圖4為本實用新型的光斑收集裝置后成像的軟件模擬示意圖。
[0019] 圖5為本實用新型的LIBS聚焦光路分布圖（俯視剖面圖）。
[0020] 圖6為本實用新型的LIBS聚焦光路分布圖（正視剖面圖）。
【具體實施方式】
[0021] 下面結合附圖和實施例對本實用新型進行詳細的描述。
[0022] 如圖2所示，為本實用新型設計的收集裝置的剖面圖，包括一個橢球面反射鏡以 及一個半圓球面反射鏡，所述橢球面反射鏡的開口邊緣和半圓球反射鏡的開口邊緣吻合從 而構成一個封閉式收集光腔。虛線G左邊的曲線為橢圓，右邊為半圓，虛線F為橢圓的長 軸線所在的直線，A點和B點為左邊橢圓的兩個焦點，同時A點是右邊半圓的圓心，B點是 右邊半圓的頂點。A點為發光點，A點向左側發出的光經過橢球面反射鏡聚焦到另一個焦 點B處（即A-C-B)，而A點向右半邊發出的光經過半圓球面反射鏡原路返回到A點，之后 經過橢球面反射鏡再次聚焦到B點（即A-D-A-E-B)，B點處光纖將會聚的光線收集至探 測器中。橢球和圓球的交接線垂直于橢球長軸。橢球和圓球有固定的比例關系，橢球的通 徑等于圓球的直徑，圓球的半徑等于橢球兩焦點距離，橢球長徑，短徑和圓球半徑比例為： ii; b t r = (I + -\f2); 2 + 2-/z"; z 〇
[0023] 圖3為現有技術中的光斑通過凸透鏡收集成像的示意圖，從左到右依次為原光 斑、凸透鏡和透鏡成像。圖4為本實用新型的光斑收集裝置后成像的軟件模擬示意圖，其中 左面的橢圓是圖2中A點的光斑，右邊的圓形是B點的光斑。如圖3、4對比所示，本實用新 型可以優化收集光斑，對于一個非特定光斑經過該裝置收集后光斑形狀改變成圓形，對于 不要求成像質量的光路系統，這樣的光斑更有利于光線收集。
[0024] 以LIBS中檢測氣體等離子體為例，如圖5所示，激光通過C點凸透鏡聚焦到A點 即圖2中A點擊穿空氣產生等離子體，D處放窗口濾掉剩余激光或者放光收集器將剩余強 激光收集掉。B處放置光纖探頭（與圖2中B點對應），將聚焦到該點的等離子體發光收集 到光纖中傳輸至探測器中。圖6中上下兩個管道分別為所測氣體樣品的進氣口和出氣口， 由于激光聚焦到空氣中激發的等離子體火焰為彗星狀，故直接用凸透鏡成像的形狀也是長 條的彗星狀，而用來收集的光纖探頭形狀是圓形，降低了收集效率，而本裝置利用軟件模擬 過程中彗星狀光源通過橢圓會聚成一極小圓形焦斑，可以增大光纖收集效率。
[0025] 顯然，本領域的技術人員可以對本實用新型進行各種改動和變型而不脫離本實用 新型的精神和范圍。這樣，倘若對本實用新型的這些修改和變型屬于本實用新型權利要求 及其同等技術的范圍之內，則本實用新型也意圖包含這些改動和變型在內。
【主權項】
1. 一種增強型等離子體發光信號收集器，其特征在于： 所述收集器包括一個橢球面反射鏡以及一個半圓球面反射鏡，所述橢球的通徑等于圓 球的直徑，圓球的半徑等于橢球兩焦點距離，所述橢球面反射鏡的開口邊緣和半圓球面反 射鏡的開口邊緣吻合從而構成一個封閉式收集光腔，所述橢球和圓球的交接線垂直于橢球 長軸。2. 如權利要求1所述的增強型等離子體發光信號收集器，其特征在于： 所述橢球面的剖面橢圓的兩個焦點分別是所述半圓球面的球心和頂點。3. 如權利要求2所述的增強型等離子體發光信號收集器，其特征在于： 所述橢球長徑，短徑和圓球半徑比例為：a4. 如權利要求2或3所述的增強型等離子體發光信號收集器，其特征在于： 所述頂點處設置光纖探頭。5. 如權利要求4所述的增強型等離子體發光信號收集器，其特征在于： 所述橢球和圓球的交接處，一邊放置一個凸透鏡，另一邊放置窗口或者光收集器。
【專利摘要】本實用新型涉及一種增強型等離子體發光信號收集器。所述收集器包括一個橢球面反射鏡以及一個半圓球面反射鏡，所述橢球的通徑等于圓球的直徑，圓球的半徑等于橢球兩焦點距離，所述橢球面反射鏡的開口邊緣和半圓球面反射鏡的開口邊緣吻合從而構成一個封閉式收集光腔，所述橢球和圓球的交接線垂直于橢球長軸。該裝置能提高收集立體角，大幅提高光的收集效率，優化收集光斑，拉遠等離子體發光點與收集光纖探頭距離，減少探頭表面光學污染，延長光纖壽命。封閉式收集光腔隔絕外界環境，可以控制LIPS激發點所處的環境。
【IPC分類】G01N21/63
【公開號】CN204832034
【申請號】CN201520454747
【發明人】韓麗璇, 高智星, 湯秀章
【申請人】中國原子能科學研究院
【公開日】2015年12月2日
【申請日】2015年6月29日