手持式激光誘導擊穿光譜裝置的制造方法
【專利摘要】公開了一種管理手持式結構中的LIBS激光器部件和光譜儀的散熱問題的新型裝置、方法和系統，以及使用包括裸光纖的簡化的光信號收集裝置收集測試材料附近（或接觸測試材料）的發射光。在手持式LIBS裝置的一個示例實施例中，使用頻率為4 kHz的突發脈沖，產生脈沖之間的時間約250μs，這是現有技術中其他裝置中的10倍以上的因數。在相關實施例中，主動調Q OPO激光器模塊與使用透射光柵的緊湊型光譜儀模塊一起使用，以改進LIBS測量，同時大幅減小手持式分析儀的尺寸。
【專利說明】手持式激光誘導擊穿光譜裝置
[0001 ]優先權主張
本申請要求于2013年10月16日提交的發明名稱為“HANDHELD LASER INDUCEDBREAKDOWN SPECTROSCOPY DEVICE”的美國臨時專利申請號為61/891，743的文獻的優先權和權益，其全部內容通過參考引入此處。
技術領域
[0002]本發明通常涉及激光誘導擊穿光譜(LIBS)領域，更具體地，涉及用于激光誘導擊穿光譜測量的裝置和系統。
【背景技術】
[0003]對于各種應用，需要用于確定樣品的材料構成的方法。一種已知的方法為激光誘導擊穿光譜(LIBS)，其涉及將激光束聚焦至樣品表面，利用足夠高的功率密度將樣品材料的小部分轉換成等離子體狀態。利用光收集裝置收集來自等離子體羽的光發射，并在光譜儀中分析收集的光發射的光譜分布(即，強度作為波長的函數)，光譜儀產生描述光譜分布的電子形式的信息。由于樣品材料的原子和分子構成具有光發射光譜的特征，所以由光譜儀產生的信息揭示了激光束聚集或涉及的樣品的那部分的構成。
[0004]原則上樣品可以是固體、液體或氣體。在氣體樣品的情況下，樣品的“表面”的概念并不存在，激光束僅聚焦至氣體樣品。已知的LIBS測量裝置的缺點在于其龐大的結構，以及對現場使用應用的限制。傳統的LIBS通常僅考慮在實驗室條件下使用。已經做了努力來減少LIBS裝置的外形，如Lindfors等的美國專利7，394，537和0丨11011等的7，821，634。但是，由于在包括熱量消耗、用于光收集的復雜的光學元件和缺少連續合金分析的穩健設計的其他限制中，能量消耗和輸出波長的穩定性所需的尺寸的原因，當為便攜式形式時，這些裝置仍對用戶產生安全事件，且激光器部件仍會受損。
【發明內容】
[0005]本文中提供一種手持式LIBS裝置，其對于用戶是人眼安全的，并可以快速收集光譜測量，具有預期的工業和商業應用的相當高的精確度。其他優點包括利用比現有技術的LIBS裝置快得多的內置光譜儀進行測量，同時發射約等同于其他裝置1/3的熱量，從而延長激光源的壽命，并降低電池消耗。一種新型配置的手持式LIBS裝置還便于使用裸光纖部件，其將在靠近待測材料處收集光和信號樣本，從而大幅簡化收集由于激光照射在測試材料上而產生的光信號所需的光學裝置。
[0006]在本發明的一個示例實施例中，提供一種手持式LIBS裝置，其配置為主要用于區分并識別鋁合金。該裝置為小型、質輕、由電池供電、并可環保地用于戶外。該示例實施例的手持式LIBS裝置能夠在元素濃度方面表征鋁樣品，和其他預計要識別的金屬合金和確定的元素濃度，LIBS相對于XRF而言的主要優點在于其能夠確定輕元素的元素濃度，例如Li，B,Be, C，Al, Na和Mg。該示例實施例的優點在于，它可以在未做或做很少表面處理時進行快速分析，同時使用在足以燒穿污染的能量下操作的激光源，但設計為光學上為人眼安全(人眼安全波長，每個脈沖低激光能量，和高度發散的激光束設計)。在一個示例實施例中，該手持式測量裝置使用1535納米(nm)Er:玻璃激光(在相關實施例中，本領域技術人員可將Er3:Yb3激光配置為獲得相似人眼安全波長)，而非標準1064nm激光，當與合適的光束焦點和光束能量密度修改結合時，其被視為“人眼安全”的波長，從而當使用該手持式裝置時，用戶將不需要佩戴眼保護件。
[0007]在上述示例手持式裝置中的優點之中，該手持式裝置配置為穩定并重復地使用1535nm激光。這與現有技術的裝置不同，因為已知這些1535nm激光對于熱沖擊具有敏感性，并且不能高重復率運行。現有技術的裝置還具有非常低的脈沖能量(例如Uj/脈沖)，并需要與待測樣品材料接近來使用。在一個示例實施例中，手持式LIBS裝置配置為運行激光源和監測激光器溫度，以防止激光被損傷并保持一致的結果。可以直接(利用熱電偶)或通過測量每個激光電流脈沖(脈沖寬度)的時間量間接監測激光器溫度。大部分現有技術的手持式裝置使用激光能量的單一脈沖(SP)，以從待測量的樣品產生等離子體羽。從而，本文的教導提供一種手持式LIBS裝置，其利用新型的“突發模式”，其中小脈沖的脈沖串(PT)與光譜儀結合，該光譜儀配置為獲取所有信號，并將它們整合至單一數據點，以與通過單一脈沖傳遞的相同激光能量而獲得的信號相比，有效地大幅提升信號。這些創新使得人眼安全的1535nm激光可有效以小外形、并具有此前未獲得的高效能循環下進行LIBS測量。這種特定的激光和操作方法對于商用LIBS市場是新穎的。
[0008]由于其低成本，Nd:YAG激光通常用于LIBS裝置。但是，基于該目的使用1535nm激光，特別是在手持式裝置中使用，在先前沒有商業價值，因為大多數1535nm激光對于熱沖擊具有敏感性，并且不能在大于I Hz的高重復率下運行。進一步地，激光源單次發射至檢測材料上僅產生相對小的信號，且俘獲該信號所需的光學元件使其昂貴并繁瑣。用戶需要市場可接受的手持式裝置的更快的反應。因此，在突發模式下運行系統(憑此由通過有效的熱管理促進的一個栗浦脈沖產生多個脈沖)，這便于1535nm激光手持式裝置的尺寸減小和穩定性的增加。與利用單一脈沖方式相比，這種獨特的“突發模式”特征極大地減少了分析時間并大幅提高返回信號。在開發這種產品中克服的一個問題是表征突發模式中的激光的行為，其涉及熱管理系統的唯一的實現，包括使用于激光的散熱器位于器具外部，以冷卻激光，而同時利用散熱器作為用于容易地定位樣品-激光位置的瞄準部件。
[0009]在該示例實施例中，與XRF裝置或者甚至1064nmLIBS裝置相比，手持式LIBS裝置配置為對于用戶更安全。1535nm波長與超過消融區的低激光能量密度(J/cnf 2)結合，確保激光器可以分類為類別I裝置，其在可損傷人眼的范圍之外。批準并監督用于工作場所的產品的管理者或安全官員沒有對人眼安全、類別I激光器產品的限制，但是在目前市場中，當前的類別IIIB手持式LIBS器具可能需要使用安全眼鏡和/或受控的測試環境。此外，使用人眼安全的激光將有益于用戶和管理者，因為他們將不必進行輻射安全培訓和發放許可證，這需要有競爭力的XRF(X射線熒光)技術。作為額外的安全特征，該裝置配備有近端傳感器，以在發射之前感測目標區的材料。激光可設計為僅聚焦在樣品位置，并極大偏離樣品平面。
[0010]本文公開的新穎的裝置、方法和系統教導了管理手持式結構中的LIBS激光器部件和光譜儀的散熱問題，以及使用簡化的包括裸光纖的光信號收集裝置，以收集測試材料附近(或接觸測量材料)的發射光。在該手持式LIBS裝置的一個示例實施例中，突發脈沖頻率為4 kHz，產生脈沖之間的時間約250μ s，這是現有技術中其他裝置中的1倍以上。在脈沖間的250μ8&，脈沖間具有很小的相互作用至沒有相互作用，相互作用將導致產生的等離子體羽的變化。如果沒有增強的體羽，手持裝置可以保持在測試樣品的附近。此外，監控、消散并控制來自激光器的脈沖串模式操作的熱量，以提供這種緊湊并精確的設計。
[0011 ]在一個示例實施例中，用于進行激光誘導擊穿光譜的裝置設置為包括配置為作為手持式裝置的外殼，和具有可操作地連接至激光器模塊的控制器系統的二極管栗浦激光器模塊，該激光器模塊包括固體激光介質和被控制器控制的被動調Q單元，以在多脈沖激光束配置中進行操作。該裝置還包括光纖部件和光譜儀模塊，光纖部件配置為在光纖部件的遠端傳輸來自通過多脈沖激光束誘導的樣品材料的等離子體的光，光譜儀模塊配置為接收來自所述光纖部件的光，并配置為從所述多脈沖產生與樣品材料對應的光譜分布。該裝置包括電源，其位于所述外殼內，并配置為將電能傳遞至至少栗浦激光器和光譜儀，其中多脈沖激光束配置包括激光脈沖的多個突發，每個突發與下一個突發間隔第一時間，以使激光源冷卻，且其中每個突發內的每個脈沖被第二時間間隔開，以限制等離子體的延續。在該實施例中，多脈沖激光束配置處于突發模式，該突發模式由至少約4 kHz的10-12個脈沖組成，每個突發在大約4 Hz至1Hz的頻率范圍內循環。該裝置進一步包括散熱器部件，其設置在外殼上，接近光纖部件的遠端，其中該散熱器部件適合是用于手持式裝置的遠端的瞄準件。該裝置還包括光譜儀模塊，其包括配置為在紫外波長范圍內操作的第一光譜儀和配置為在可見光波長范圍內操作的第二光譜儀。
[0012]在另一個示例實施例中，提供一種利用人眼安全的激光源，進行激光誘導擊穿光譜測量的方法，包括產生多脈沖激光束并將脈沖激光束導向樣品材料的步驟，每個突發與下一個突發間隔第一時間，以使激光源冷卻，且其中每個突發內的每個脈沖被第二時間間隔開，以限制等離子體的延續。下一步為在光纖部件的遠端傳輸來自通過所述多脈沖激光束誘導的所述樣品材料的等離子體的光，并從所述多脈沖，由所述被傳輸的光產生與所述樣品材料對應的光譜分布。該方法進一步包括在產生多脈沖激光束之前，感測位于光纖部件遠端附近的樣品材料的步驟。
[0013]在相關示例實施例中，提供一種用于進行激光誘導擊穿光譜的裝置，其包括配置為手持式裝置的外殼，和主動的調Q Nd:YAG OPO(光參數振蕩器)激光器模塊，所述外殼具有用于在外殼內產生的電磁輻射的出口，該主動的調Q Nd:YAG OPO(光參數振蕩器)激光器模塊具有可操作地連接至其的、位于外殼內的控制器系統，激光器模塊配置為引導激光束通過出口。該裝置還包括光纖部件，其配置為在纖維部件遠端傳輸來自被激光束誘導的樣品材料的等離子體的光，光纖部件的遠端位于出口附近，光譜儀模塊配置為接收來自所述光纖部件的近端的光，并配置為通過接收的光產生與樣品材料對應的光譜分布。該裝置還包括采樣點接口部件，其具有設置在外殼出口上方的近端開口，激光束適于投射穿過該近端開口并穿過接口部件的遠端開口，光纖部件設置在鄰近接口部件的遠端開口。在相關實施例中，光譜儀模塊包括配置為在紫外線波長范圍內操作的第一光譜儀和配置為在可見光波長范圍內操作的第二光譜儀。在另一個相關實施例中，該裝置進一步包括電源和顯示器，所述電源設置在外殼內并配置為將電能傳輸至至少所述激光器模塊和光譜儀模塊，所述顯示器配置為顯示信息并接收來自用戶的命令。該裝置還包括瞄準部件，其配置為協助用戶引導激光束，其中瞄準部件選自位于激光器模塊上方的散熱部件，和適于將光投射在樣品材料的目標上的對準LED部件。在相關實施例中，該裝置還包括位于外殼出口附近的至少一個近端傳感器，該近端傳感器配置為感測樣品材料的位置。在另一個實施例中，該裝置包括觸覺反饋模塊，其配置為提供樣品分析處于可接受的精度等級的反饋。在相關實施例中，該裝置包括激光器模塊，其配置為以超過一個的能級發射激光束，第一能級用于清洗樣品材料，第二能級用于分析采集。
[0014]在另一個相關實施例中，提供一種用于使手持式激光誘導擊穿光譜裝置與樣品材料相互作用的裝置，其包括電磁輻射源和電磁輻射檢測和處理模塊。該裝置還包括外殼，其配置為具有用于電磁輻射和用于俘獲來自樣品材料的發射的電磁輻射的出口，該裝置還包括外殼到樣品材料相互作用部分，其設置在外殼的出口周圍，該相互作用部分具有小于2cnT2的面積。在一個示例實施例中，該外殼到樣品相互作用部分設置在錐形部件的末端，其中該錐形部件具有比電磁輻射的直徑大兩倍的開口。在相關實施例中，該外殼到樣品材料相互作用部分設置在圓柱形部件的末端。在另一個實施例中，外殼的一部分以朝向外殼出口的向下的角度突出，從而增強相互作用部分與樣品材料的視域。在示例實施例中，電磁輻射源為Nd:YAG OPO激光器，其配置為將激光束投射穿過外殼出口并投射至樣品材料。在另一個示例實施例中，該裝置進一步包括穿孔鏡，其設置在所述外殼內，并鄰近外殼出口，其中該穿孔鏡俘獲從樣品材料發射的光，并將其傳輸至電磁輻射檢測和處理模塊，其中該電磁輻射檢測和處理模塊包括具有至少一個透射光柵的光譜儀模塊。在相關實施例中，該裝置具有為X射線裝置電磁輻射源，該X射線裝置配置為將X射線束投射穿過外殼出口并投射至樣品材料。在另一個實施例中，該裝置進一步包括具有設置在外殼出口上方的近端開口的采樣點接口部件，電磁輻射適于被投射穿過該近端開口并穿過接口部件的遠端開口，發射信號傳輸部件設置在接口部件遠端開口附近，其中采樣點接口部件消除自動對焦，并增加了通過發射信號傳輸部件傳輸的電磁輻射。
【附圖說明】
[0015]結合附圖，通過以下詳細實施例的描述，可以更明白本發明的各個實施例的新穎性的特征自身，以及其構成和操作方法，與其額外特征。
[0016]圖1A-1D展示了根據本發明實施例的手持式LIBS測量裝置的各種視圖；
圖2展示了根據本發明實施例的LIBS測量系統的原理圖；
圖3展示了對用于具有已知含量和百分比的Mg、Cu和Al的特定材料樣品的單脈沖模式和脈沖串模式的測量的比較結果的表；
圖4A-4C展示了根據本發明另一個實施例的LIBS測量裝置的側視圖、后視圖、和前視圖；
圖5展示了圖4的LIBS裝置的部件的內部視圖；
圖6展示了圖4的LIBS裝置的原理圖；
圖7展示了本發明的激光脈電源的示意圖；
圖8展示了當從裝置中移除電池或電源時，圖4的LIBS裝置的關機方案的流程圖；
圖9A-9B展示了根據本發明教導的采樣錐形接口的側視圖和放大視圖。
【具體實施方式】
[0017]以下為與本發明的方法和裝置的各種相關概念和實施例的詳細說明。應該理解的是，可以很多方式實施以上引入的、以及以下將更詳細討論的主題的各個方面，因為該主題并不限于任何具體方式的實施。此處提供的具體實施和應用的例子主要用于說明目的。
[0018]參考附圖1A-1D和圖2，為手持式裝置100的各種視圖，其具有用于進行LIBS測量的用戶便攜式的尺寸和形狀。在該示例實施例中，手持式LIBS裝置100具有槍形，且類似稍大無繩電鉆式外殼101(見圖1A和1B)。小1535nm被動調Q 二極管栗浦固體激光器102(具有位于該裝置上部并位于該裝置外表面的散熱器104)和控制器模塊103A和顯示器103B在裝置100內，控制器模塊103A配置為控制栗浦激光器102的操作。激光器電源107可操作地連接至激光器102，而光學支架106(1組為3個，其中一個)可操作地將激光器102連接至激光器出口108。散熱器104的位置允許快速冷卻并允許用戶機械地使用散熱器的頂部，作為視覺引導件，以將激光束射導向被瞄準的樣品的區域。
[0019]裝置100進一步包括光纖110，其將二極管栗浦激光器102發射的激光傳輸至光譜儀模塊112。裝置100的特征為可充電電池、彩色觸屏顯示器103B(類似于智能手機)和啟動樣品分析過程的觸發器120。收集來自樣品(未示出)的光發射，并通過光纖110將其傳輸至光譜儀112，其產生描述光發射的光譜分布的電子形式的信息。該信息被傳輸至控制器103A，其處理并存儲該信息，并可以在顯示器103B上提供解釋該信息的視覺指示。除了顯示器之外，該裝置的用戶界面可以包括各種開關，其中圖2中示意地展示了觸發器開關。在一個示例實施例中，將支撐觸發器120的裝置100的把手116保護起來，以為用戶提供額外的保護，防止受到熱和任何雜散輻射。操作所述裝置所需的運行功率來自電源114，其可以是例如電池(常規或可充電的)或燃料電池。在相關實施例中，電源為交流電源。
[0020]在該示例實施例中，裝置100包括小1535nm被動調Q二極管栗浦固體激光器。有一系列激光器光學元件將激光束放大并聚焦至目標樣品。在該示例實施例中，利用光纖收集來自等離子體的光，并利用微型車爾尼-特納光譜儀通過CCD分析儀對其進行分析。在相關實施例中，利用本領域技術人員公知的其它光譜儀和光收集裝置分析來自等離子體的光。在該示例實施例中，裝置100使用控制裝置100內的單板計算器，并處理光譜數據。外殼101密封為NEMA3標準，并設計用于耐用的戶外使用。在其他相關實施例中，1500nm至1600nm范圍的人眼安全的激光源也可以用于本文中所述的便攜式手持式LIBS系統。
[0021]圖2示意地展示了根據本發明實施例的手持式LIBS測量系統150。當使用手持式裝置100時，用戶通過裝置100的突出部或出口 108直接或非常近距離(約Imm)接觸測試樣品，以獲得最好的結果。這是在激光發射前，利用感測樣品的接近程度的一個或多個近端傳感器在裝置100內監測的。在這點上，觸發器的拉動將啟動分析，激光器將發射脈沖的突發至樣品。計算機(或控制器或處理器)103A將處理光譜儀數據，并在3秒或更少時間內為用戶提供結果。該LIBS裝置100通常揭示合金類型(例如鋁6061)和化學組成(例如元素濃度)。在相關實施例中，系統150配置為基于光譜信息相對于已知光譜信息的置信度提供合金類型的識別的置信度信息(confidence informat1n)，和允許的組成濃度范圍。
[0022]系統150包括調Q固體二極管栗浦激光器模塊102和光譜儀模塊112，二者都電連接至系統控制器和電路板103A。電路板103A包括微處理器160，用于反饋裝置100的操作的觸覺驅動器162，和為激光器模塊102提供電力的激光器電源170。電池組14、充電器單元122和觸發器電路120都電連接至電路板130A。除了其他功能，系統150還包括顯示器處理器板115，其電連接至電路板103A，并連接至顯示數據并作為命令輸入裝置的(通過LCD觸摸控制器103D)顯示器103B。顯示器板115包括SMARC處理器117，以幫助裝置100在低功率下管理應用，并與激光器控制板通信。
[0023]在樣品上發射多個發射(shots)的一個目的是準備用于分析的樣品，以及校準裝置100的內部部件。建議在記錄數據之前，用大量的激光脈沖去除待測材料表面的污染。在一個實施例中，突發模式為在約4 kHz處約10至12個脈沖。該突發通常在約10 Hz的重復率發生。通常，每十分之一秒，具有10-12個脈沖的突發，每個脈沖的頻率為4 kHz。該激光器能量約為每個脈沖2-3 mj(毫焦耳)。每個脈沖的時間長度約為6納秒。在另一個實施例中，該樣品經受約為I OHz重復率的強度約為4-5m J的脈沖。
[0024]在本文中所述的各示例實施例中，使用Kigre 1535nm激光源(model MK-88 ;Kigre Inc., Hilton Head Island, SC)，其利用3.5 ms栗浦脈沖能夠產生5 mj脈沖。該激光源可以提供約12個脈沖，在脈沖串中每個小型或子脈沖之間具有100微秒的間隔。雖然Kigre在相關文獻中公開了利用1535nm激光源的人眼安全LIBS系統system withcompact fiber spectrometer, head mounted spectra display and hand held eye-safe erbium glass laser gun.SPIE Photonics West 2010, Sol id State LasersXIX: Technology and Devices Conference LAlOl, # 7578-87， January 26， 2010)，其內容通過參考引入此處，但是用于該系統的各部件物理地承載在用戶身上(例如通過背包和背帶)，且并非是本文中教導的完全整體的單一手持式便攜單元。雖然，在前述2010年的文獻中討論了利用在脈沖之間具有非常短的時間延遲(約25ns)的連續脈沖，這種脈沖通常持續lOOys，并用于與來自之前的脈沖的等離子體羽相互作用并使其增強，以改善從等離子體羽收集的光信號。最后，當與設置在手持式裝置的單一外殼內的其他系統部件接近時，在2010年的文獻中公開的這種非整體式的系統不能解決激光源的散熱管理問題。
[0025]在本文中教導的各實施例中，通過將現有技術中使用的單脈沖模式轉變為脈沖串來實現激光源的熱管理，用于延長激光器和電池的壽命。在單脈沖模式中，激光器的溫度快速升高或達到尖峰，而在脈沖串模式中，溫度升高固定，并且低于單脈沖模式，從而當產生光譜測量所需的能量更少時，釋放更少的熱量，減少電池消耗。此外，光譜儀將由脈沖串中的脈沖產生的多數據位整合為一體(實質上加起來)，以在手持式裝置100的顯示屏上產生光譜圖，以使用戶決定是否處理手頭上的樣品(例如分類應用)。
[0026]參考圖3，展示了對用于具有已知含量和百分比的Mg、Cu和Al的特定材料樣品的單脈沖模式和脈沖串模式的測量的比較結果的表。從左至右看表，單一脈沖模式首先產生元素存在的識別和準確度。采取越多的樣品，測量越準確，因此列中的數值減少，表明測量和技術表現出對一個元素的存在的更準確的識別。在單脈沖發射的150次發射處，所有的值都很低，表明高度的準確度。
[0027]另一方面，脈沖串模式(表的右側)表明脈沖串的一次發射提供比單脈沖的一次發射更準確的讀數。進一步地，脈沖串模式的15次發射(每次具有10個脈沖)，相當于總的150個脈沖，產生的光譜讀數比單脈沖模式的150個單獨的脈沖的光譜讀數更準確，且獲取時間大幅減少。
[0028]現在參考圖4-9，圖4A-4C、5和9展示了根據本發明另一個實施例的另一LIBS測量裝置400的側視圖、后視圖、前視圖和內部視圖。手持式LIBS測量裝置的該示例實施例具有各種優點，包括:主動調Q激光器模塊，其便于基于按壓手持式裝置上的觸發器立即發射激光;采樣錐形接口部件，其用于提高激光聚焦并協助俘獲來自樣品材料的光信號(從或向手持式LIBS裝置)；和至少兩個緊湊型光譜儀，提供廣泛范圍波長的光譜分布，不僅采集弱光信號，還能夠利用廣泛的光譜特征識別廣泛的材料。同樣地，具有多個光譜儀的更高的解析能力允許區分具有很多發射峰的材料，例如鐵合金。本文中教導的光譜儀的優點在于該光譜儀采用專業的透射光柵操作，以提供定義良好的光譜分布，該光譜分布可以為用戶實時顯示在手持式裝置的顯示器上。透射光柵的使用提供比本領域其他光譜儀中使用的類似尺寸的反射光柵更多的光通量(從而提高效率和靈敏度)。這在此類應用中是重要的，其中由于LIBS裝置投射的較低的功率/能量束，而導致的從樣品材料發射的信號能量較低，以及剩余有效處理的光或樣品發射的能量很少。在美國專利號為7，515，262的文獻中進一步可以發現具有透射光柵的光譜儀的教導和例子，其全部內容通過參考引入此處。
[0029]在激光器模塊的一個示例實施例中，Nd: YAG激光器包含OPO(光學參數振蕩器)，其將1064nm Nd: YAG波長轉化為1574nm。在操作中，當拉動觸發器時，激光器被以20Hz (50ms)速率觸發。收集每次發射的光譜。丟棄(清理)了一些發射，但是每次發射都可以獨立地用于分析或進行平均。當為測量的置信度收集了足夠的數據，或者當檢測到錯誤，例如當用戶沒有正確地將樣品材料放置至采樣錐形接口處時，或者當已經發射了一定數目的發射(100個發射-5秒)時，停止采樣。在相關實施例中，具有延遲光譜儀模塊計時孔徑(O至1us)的內置能力，以在最初LIBS等離子體形成之后就開始收集。我們現在不使用這個特征(延遲通常=O)，但是硬件將允許我們探索通常的LIBS技術并允許利用我們的CCD基光譜儀分析儀得到更好的動態范圍，并改善某些元件的測量靈敏度。這是動態設置，其可用于基于發射的發射，以及具有用于每個光譜儀的獨立的延遲。這種延遲特征不與被動調Q激光器系統一起研究，因為它需要激光脈沖與光譜儀快門之間精確計時(大約<20ns )。
[0030]進一步地，通過主動調Q激光器，提供具有發射之間非常高的激光能量精度的可調/可控的激光器，以及對檢測器具有可控靈敏度的光譜儀，從而更容易獲得裝置之間的校準。這同樣便于遠程校準，而不需要將該單元送回工廠用于校準，因為可以添加文庫或在現場售出文庫。主動調Q的方法提供高的發射之間的重現性，以獲得非常快速的分析。快速分析允許“基于接觸”的觸發和分析，類似于在釘槍中的基于接觸的觸發。利用該實施例和激光器模式也能夠進行更深入的分析，從而防止使用柵格化光學元件，或者必須使樣品柵格化。更深的滲透允許更大的斑點尺寸和更深度的分析以及改善的焦點深度，從而便于使用材料的采樣點。具有鋒利的采樣點更容易在儀器接口采樣，以及對非平坦表面采樣。在相關實施例中，能夠使用兩種操作模式，用于清潔分析和采樣分析。激光能量可以處于10 Hzaomj的第一能級，或20 Hz、5 mj的第二能級，第一能級用于清潔(更高的功率)，第二能級用于分析采集。這些能級可以利用能量控制觸發器控制。
[0031]在該示例實施例中，手持式LIBS裝置400包括外殼401，其類似于稍大的無繩電鉆。外殼401其中具有由光學支架支撐的小1574 nm主動調Q二極管栗浦固體激光器模塊402。再次參考圖5，用于冷卻激光器模塊的散熱器402A設置并位于該裝置的頂部和外表面，而顯示器403設置在外殼401上。裝置400還包括控制器模塊405，其配置為控制栗浦激光器模塊402的操作。激光器電源404可操作地連接至激光器402，而光學支架406可操作地將激光器模塊402連接至激光器出口 409處的采樣錐形接口 408。錐形接口 408的出口還設有(鄰近激光器模塊402的激光束)光纖，其采集來自樣品材料的光信號。散熱器402A的位置允許裝置400的快速冷卻，并允許用戶機械地使用散熱器402A的頂部作為視覺引導件，以引導激光束導向被瞄準的樣品的區域。
[0032]在一個示例實施例中，該主動調Q激光器配置為每分鐘提供5個樣品，每個樣品60個脈沖，樣品之間間隔12秒。在相關實施例中，樣品之間間隔小于3秒。在另一個示例實施例中，遮蔽前五個發射，以允許熱穩定(諧振腔的熱穩定)。激光器模塊在24伏直流下操作，電流水平如下:停止模式〈70mA;發射模式(fire mode)l.2A和電源模式(power modeX 30ffo
[0033]圖5和9展示了圖4的LIBS裝置的部件的內部視圖。裝置400進一步包括光纖410，在栗浦激光器402發射之后，光纖將被樣品材料發射的激光傳導或傳輸至一組光譜儀412A和412B。裝置400的特征為可充電電池414、彩色觸屏顯示器403B(類似于智能手機)和啟動樣品分析過程的觸發器120。收集來自樣品(未示出)的光發射，并通過光纖410將其傳輸至光譜儀412A和412B，其產生描述來自樣品的光發射的光譜分布的電子形式的信息。該信息被傳輸至控制器405，其處理并存儲該信息，并可以在顯示器403上提供解釋該信息的視覺指示。除了顯示器之外，該裝置的用戶界面可以包括各種開關，其中圖4A和5中展示了觸發器開關420。在一個示例實施例中，將支撐觸發器420的裝置的把手保護起來，以為用戶提供額外的保護，防止受到熱和任何雜散輻射。操作所述裝置所需的運行功率來自電源414，其可以是例如電池(常規或可充電的)或燃料電池。在相關實施例中，電源為交流電源。
[0034]在如圖5和9A和9B所示的該示例實施例中，裝置400包括有一系列激光器光學元件，以將激光束放大并聚焦至目標樣品。利用在支架406中的光纖部件410收集由激光發射產生的等離子體的光，并利用光譜儀412A和412B分析。該裝置利用內部的PCB板計算器控制該單元并處理數據。外殼密封至NEMA 3標準，并設計用于耐用的戶外使用。在其他相關實施例中，1500nm至1600nm范圍的人眼安全的激光源也可以用于結合入本文中所述的便攜式手持式LIBS系統的各個實施例中。
[0035]圖6示意地展示了圖4的LIBS測量系統400的示例實施例的原理圖600。當使用手持式裝置400時，用戶通過裝置400的采樣錐形接口 408，直接或非常近距離(約0.5mm)接觸測試樣品，以獲得最好的結果。采樣錐形接口408允許用戶使用更小的接口尺寸，以從樣品材料獲得樣品信號，以及在那個斑點處為用戶提供更深的滲透，從而克服樣品材料上的非平滑表面的挑戰。在一個示例實施例中，在激光發射前，利用感測樣品的接近程度的一個或多個近端傳感器在裝置400內監測。在這點上，觸發器的拉動將啟動分析，激光器將發射多個激光發射至樣品。計算機(或控制器或處理器)將處理光譜儀數據，并在3秒或更少時間內為用戶提供結果。如果需要的話，該LIBS裝置通常揭示合金類型(例如鋁6061)和化學組成(例如元素濃度)。
[0036]在該示例實施例中，不必利用主動調Q光參量振蕩器Nd:YAG激光器模塊在樣品上發射多個發射，以準備用于分析的樣品(但是如果需要清潔樣品也可以選擇使用)，以及校準裝置400的內部部件，因為激光器模塊配置為在啟動觸發器的同時激光器發射。在該示例實施例中，激光器在1547nm波長，重復率約為20Hz的5mJ(毫焦耳)的能級下操作。該裝置的數值孔徑多0.0555，焦點位置為+/- 250 ym。每個脈沖的時間長度約為6納秒。在另一個例子中，樣品經受強度約為4-10mJ，重復率為20Hz的脈沖。在美國專利號為7，839，904的文獻中可以發現Nd:YAG OPO激光器模塊和操作參數和突發脈沖的進一步的例子和教導，其內容通過參考引入此處。
[0037]參考圖6，在該示例實施例中，系統600包括激光器模塊602，其是在波長為1574nm下操作的主動調Q光參量振蕩器Nd: YAG激光器，其電連接至激光器電源607，并連接至位于控制器電路組件或電路板605上的一對微處理器609A和609B。電路板還包括觸覺驅動器611，其電連接至觸覺發動機組件，并連接至觸發器電路620，電池組614和充電電路622。在激光器模塊602發射之后，一對光譜儀612A和612B中的至少一個從光纖部件(或其他能量或輻射傳輸部件或介質)接收來自樣品的光信號，并產生顯示在顯示器603上的光譜分布。在該示例實施例中，光譜儀612A配置為主要用于紫外線(UV)范圍的光信號，而光譜儀612B配置為主要用于可見光。顯示器603電連接至顯示器撓性板604，其反過來電連接至顯示器處理器組件615，其提供SMARC處理器617，用于控制顯示器603和連接至手持式LIBS單元的其他外部輸入器，例如用于傳輸數據進入和離開所述單元的無線模塊、用于數據存儲的存儲器模塊、電源按鈕、以太網(RJ45)輸入接口和USB連接輸入器。在該示例實施例中，處理器組件615電連接至控制器組件605，以接收功率，以及來自光譜儀、并將被顯示給用戶的數據。在該示例實施例中，具有充電器單元622的電池組單元620電連接至電路板605。
[0038]現在參考圖7，展示了用于手持式LIBS裝置100和400的示例激光脈沖電源607。圖8展示了當從手持式LIBS裝置中移除電池或電源時，LIBS裝置100和400的關機方案的流程圖。
[0039]現在參考圖9A和9B，展示了根據本發明教導的錐形形式的采樣接口部件408的側視圖和放大視圖。該采樣接口部件(錐形或圓柱形，但不限于這些)是該技術的一種進步，在市場上沒有出現具有尖銳尖端或聚焦在該特征上的輻射的可行的手持式XRF或手持式LIBS解決方案。大部分當前的分析儀具有平坦的、長的采樣接口。因此，該實施例不需要用于圖像俘獲的攝像機，也不需要自動聚焦，還不需要為了平整度而碾碎采樣表面。相反，本文中描述的實施例提供類似于鉆頭的激光束或輻射流(直徑小，且當其從外殼中發出時容易看到)。在相關實施例中，通過使用穿孔鏡子代替光纖(例如但不限于此)將光傳輸或傳遞光譜儀的更長的接口和更小的點尺寸，可以最小化樣品與裝置的距離依賴性，并減少激光器窗口被弄臟的可能性(即更低的維護)。此外，采樣接口部件可以確保等離子體不與錐形相互作用，或與窗口或透鏡產生交叉感染。
[0040]圖9A展示了具有采樣接口部件408和激光器出口409的裝置400的側視圖。還展示了激光器電源407和激光器控制板405。圖9B為裝置400的出口部分的放大視圖，展示了激光器402通過出口 409，通過采樣接口部件408發射激光束。鄰近激光束和出口 409(和光學元件/透鏡411)并位于錐形接口部件408內部的是具有套圈410A的光纖410，從而光纖410的遠端俘獲并傳輸從樣品材料發射的光能量，并將其傳遞至用于處理的光譜儀模塊。在一個相關實施例中，接口部件為圓柱形。
[0041]在相關實施例中，用于進行激光誘導擊穿光譜(LIBS)的裝置設置為包括配置為手持式裝置的外殼，其具有用于在外殼內產生的電磁輻射的出口，和位于所述外殼內的電磁輻射模塊，其具有可操作地連接至其的控制器系統，該電磁輻射模塊配置為引導電磁輻射通過出口。LIBS裝置還包括電磁輻射傳輸部件，其配置為在樣品材料與電磁輻射相互作用之后，傳遞或傳輸從樣品材料發射的輻射。還包括光譜儀模塊，其配置為接收被傳輸的輻射，并配置為產生與樣品材料對應的光譜分布；以及采樣點接口部件，其具有設置在外殼出口上的近端開口，電磁輻射適于通過近端開口并通過接口部件的遠端開口被發射出去，傳輸部件設置在接口部件遠端開口附近，其中采樣點接口部件消除了自動聚焦，并通過傳輸部件提高了電磁輻射的傳遞或傳輸。
[0042]手持式裝置100和400的主要應用包括但不限于:I)在廢鋁區，用戶快速需要某些東西，并且比市場主導的XRF槍更容易使用，和2)接受廢鋁、并評估和驗證進來的鋁的再生鋁冶煉廠。其他應用包括分析其他非鐵金屬、鐵金屬或土壤。
[0043]以下專利涉及這種LIBS裝置，其內容通過參考引入此處并構成本公開的一部分:U.S.Pat.Nos.6,771,368; 7,394,537; 7,821,634 和U.S.Pat.Publ.N0.2012/0033212ο
[0044]通過描述的幾個示例實施例，應該理解的是本領域技術人員可以容易地作出各種改變、修改和改進。這種改變、修改和改進旨在構成本公開的一部分，并包含在本公開的精神和范圍內。雖然此處展示的一些例子涉及功能或結構元件的特定組合，但是應該理解的是，這些功能或元件可以根據本發明的其他方式組合，以實現相同或不同目的。具體地，與一個實施例結合討論的行為、元件和特征不旨在排除其他實施例中類似或其他角色。因此，前述描述和附圖僅用于舉例說明，而不是用于限制。
【主權項】
1.用于進行激光誘導擊穿光譜的裝置，其包括: 外殼，其配置為手持式裝置； 二極管栗浦激光器模塊，其具有可操作地連接至其的控制器系統，所述激光器模塊包括固體激光介質和被所述控制器控制的被動調Q單元，以在多脈沖激光束配置中操作； 光纖部件，其配置為在所述光纖部件的遠端傳輸來自通過多脈沖激光束誘導的所述樣品材料的等離子體的光； 光譜儀模塊，其配置為接收來自所述光纖部件的光，并配置為從所述多脈沖產生與所述樣品材料對應的光譜分布;和 電源，其設置在所述外殼內，并配置為將電能傳輸至至少一個所述栗浦激光器和所述光譜儀，其中所述多脈沖激光束配置包括激光脈沖的多個突發，每個突發與下一個突發間隔第一時間，以允許激光器冷卻，且其中每個突發中的每個脈沖被第二時間間隔開，與限制等離子體的延續。2.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述多脈沖激光束配置處于突發模式，所述突發模式由約4 kHz的約10-12個脈沖構成，每個突發在約4 Hz至約1Hz的頻率范圍內循環。3.根據權利要求1所述的裝置，進一步包括散熱器部件，其設置在所述外殼上、在所述光纖部件的遠端的附近，其中所述散熱部件適于作為用于所述手持式裝置的遠端的瞄準部件。4.根據權利要求2所述的裝置，其特征在于，所述光譜儀模塊包括第一光譜儀，其配置為在紫外線波長范圍內操作;和第二光譜儀，其配置為在可見光波長范圍內操作。5.—種利用人眼安全的激光源進行激光誘導擊穿光譜測量的方法，其包括以下步驟: 產生多脈沖激光束，并將所述脈沖激光束引導至樣品材料，其中，所述多脈沖激光束包括激光脈沖的多個突發，每個突發與下一個突發間隔第一時間，以使激光源冷卻，且其中每個突發內的每個脈沖被第二時間間隔開，以限制等離子體的延續； 在光纖部件的遠端傳輸來自通過所述多脈沖激光束誘導的所述樣品材料的等離子體的光;和 從所述多脈沖、由所述被傳輸的光產生與所述樣品材料對應的光譜分布。6.根據權利要求5所述的方法，其特征在于，產生所述多脈沖激光束的步驟包括產生約4 kHz的約10-12個脈沖，每個突發在大約4 Hz至約10 Hz的頻率范圍內循環。7.根據權利要求5所述的方法，其特征在于，進一步包括將散熱器部件定位在所述光纖部件的遠端的步驟，其中所述散熱器部件適于作為所述光纖部件的遠端的瞄準部件。8.根據權利要求5所述的方法，其特征在于，通過被傳輸的光產生光譜分布的步驟包括提供光譜儀模塊的步驟，所述光譜儀模塊包括第一光譜儀和第二光譜儀，所述第一光譜儀配置為在紫外線波長范圍內操作，所述第二光譜儀配置為在可見光波長范圍內操作。9.根據權利要求5所述的方法，進一步包括在產生所述多脈沖激光束的步驟之前，感測位于所述光纖部件的遠端附近的所述樣品材料的步驟。10.一種用于進行激光誘導擊穿光譜的裝置，其包括: 外殼，其配置為手持式裝置，具有用于在所述外殼內產生的電磁輻射的出口 ； 主動調Q OPO Nd:YAG激光器模塊，其具有可操作地連接至其并設置在所述外殼內部的控制器系統，所述激光器模塊配置為引導激光束穿過所述出口 ； 光纖部件，其配置為在所述光纖部件的遠端傳輸來自通過所述激光束誘導的樣品材料的等離子體的光，所述光纖部件的遠端設置為鄰近所述出口 ； 光譜儀模塊，其配置為接收來自所述光纖部件的近端的光，并配置為從所述接收的光產生與所述樣品材料對應的光譜分布;和 采樣點接口部件，其具有設置在所述外殼的出口上的近端開口，所述激光束適于被投射穿過所述近端開口和所述接口部件的遠端開口，所述光纖部件設置為鄰近所述接口部件的遠端開口。11.根據權利要求10所述的裝置，其特征在于，所述光譜儀模塊包括第一光譜儀，其配置為在紫外線波長范圍內操作;和第二光譜儀，其配置為在可見光波長范圍內操作。12.根據權利要求10所述的裝置，進一步包括電源，其設置在所述外殼內，并配置為將電能傳輸至至少一個所述激光器模塊和所述光譜儀模塊。13.根據權利要求10所述的裝置，進一步包括顯示器，其配置為顯示信息并接收來自用戶的命令。14.根據權利要求10所述的裝置，其特征在于，所述激光器模塊配置為在約1574nm的波長操作。15.根據權利要求11所述的裝置，其特征在于，所述第一和第二波譜儀包括透射光柵。16.根據權利要求10所述的裝置，其特征在于，進一步包括瞄準部件，其配置為協助用戶引導所述激光束，其中所述瞄準部件選自:設置在所述激光器模塊上方的散熱器部件，和適于將光投射在樣品材料的靶上的靶向LED部件。17.根據權利要求10所述的裝置，其特征在于，所述采樣點接口配置為錐形部件，所述錐形部件具有與適于被放置在所述外殼出口上方的出口開口相對的開口。18.根據權利要求10所述的裝置，進一步包括位于所述外殼出口附近的至少一個近端傳感器，該近端傳感器配置為感測樣品材料的位置。19.根據權利要求10所述的裝置，進一步包括觸覺反饋模塊，其配置為提供樣品分析處于可接受的精度等級的反饋。20.根據權利要求10所述的裝置，其特征在于，所述激光器模塊配置為以超過一個能級發射激光束，第一能級用于清洗所述樣品材料，第二能級用于分析采集。21.—種使手持式激光誘導擊穿光譜裝置與樣品材料相互作用的裝置，其包括電磁輻射源和電磁輻射檢測以及處理模塊，還包括: 外殼，其配置為具有出口，其用于電磁輻射和用于俘獲從所述樣品材料發射的電磁輻射，和 外殼到樣品材料相互作用部分，其設置在所述外殼的出口周圍，所述相互作用部分具有小于2 cnT2的面積。22.根據權利要求21所述的裝置，其特征在于，所述外殼到樣品相互作用部分設置在錐形部件的末端。23.根據權利要求22所述的裝置，其特征在于，所述錐形部件具有比所述電磁輻射的直徑大兩倍的開口。24.根據權利要求21所述的裝置，其特征在于，所述外殼到樣品材料相互作用部分設置在圓柱形部件的末端。25.根據權利要求21所述的裝置，其特征在于，所述外殼的一部分以朝向外殼出口的向下的角度突出，從而增強所述相互作用部分與樣品材料的視域。26.根據權利要求21所述的裝置，其特征在于，所述電磁輻射源為Nd:YAGOPO激光器，其配置為將激光束投射穿過所述外殼出口并投射至所述樣品材料。27.根據權利要求26所述的裝置，進一步包括穿孔鏡，其設置在所述外殼內，并鄰近所述外殼出口，其中所述穿孔鏡俘獲從所述樣品材料發射的光，并將其傳輸至電磁輻射檢測和處理模塊。28.根據權利要求26所述的裝置，其特征在于，所述電磁輻射檢測和處理模塊包括具有至少一個透射光柵的光譜儀模塊。29.根據權利要求21所述的裝置，其特征在于，所述電磁輻射源為X射線裝置，其配置為將X射線束投射穿過所述外殼出口并投射至所述樣品材料。30.根據權利要求21所述的裝置，進一步包括采樣點接口部件，其具有設置在所述外殼出口上方的近端開口，所述電磁輻射適于被投射穿過所述近端開口并穿過所述接口部件的遠端開口，發射信號傳輸部件設置為鄰近所述接口部件的遠端開口，其中所述采樣點接口部件消除自動對焦，并增加了通過發射信號傳輸部件傳輸的電磁輻射。
【文檔編號】G01N21/71GK106030289SQ201480068347
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2014年10月15日
【發明人】弗雷德里克·匡特, 肯尼思·R·法默, 菲利普·V·坦, 克里斯托弗·B·斯蒂普, 史蒂文·G·巴克利, 埃里克·斯托金格, 丹尼爾·詹森
【申請人】Tsi公司