專利名稱：紅外紫外雙脈沖激光誘導(dǎo)擊穿光譜在線原位檢測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明能夠滿足在線原位檢測的嚴格要求，廣泛適用于分析、檢測、計量和診斷等多個技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種紅外紫外雙脈沖激光誘導(dǎo)擊穿光譜在線原位檢測裝置。
背景技術(shù)：
在線原位檢測技術(shù)是現(xiàn)代檢測技術(shù)新的重要組成部分，能快速、方便、有效地檢測在役設(shè)備中材料的性能，發(fā)現(xiàn)在役結(jié)構(gòu)和易損零部件的損傷，是預(yù)防事故發(fā)生和保證設(shè)備運行安全的有效手段。原位檢測的技術(shù)難點主要表現(xiàn)為一方面檢測現(xiàn)場條件苛刻，無法與實驗室等理想條件比擬；另一方面待檢測的結(jié)構(gòu)或材料等處于裝配狀態(tài)，允許檢測的時間和空間有限。與離位檢測相比，在線原位檢測要求更高，難度更大。原位檢測一般包括缺陷探測、故障診斷、狀態(tài)監(jiān)控以及性能參數(shù)測定等內(nèi)容，其中缺陷探測和性能參數(shù)測定應(yīng)用最為廣泛，兩者均是以獲取樣品成分信息為前提，其結(jié)果直接影響其探測能力和測定水平，因而精確測定待檢測樣品的成分信息至關(guān)重要。傳統(tǒng)的成分檢測技術(shù)，主要有X射線熒光分析法、原子吸收光譜(AAS)法、電感耦合等離子體發(fā)射光譜(ICP-AES)法和電感耦合等離子體發(fā)射質(zhì)譜法(ICP-MS)法。其中X 射線熒光分析法可以實現(xiàn)快速檢測，但是其靈敏度較低；而AAS法和ICP-AES法雖然檢測精度高、穩(wěn)定性好，但兩者均需要樣品預(yù)處理過程，難于保證待檢樣品不被污染或損失；而 ICP-MS法能夠彌補上述不足，但由于檢測設(shè)備價格昂貴、體積龐大，檢測過程耗時較長，難以滿足原位檢測的空間和時間要求，無法實現(xiàn)大量應(yīng)用。激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)(LaserInduced Breakdown Spectroscopy),簡稱 LIBS, 作為一種實時、原位、連續(xù)、無接觸的新型檢測技術(shù)彌補了以上檢測方法的不足，能夠滿足在線原位檢測的技術(shù)需求。該技術(shù)無需煩瑣的樣品預(yù)處理過程，對各種形態(tài)的固體(導(dǎo)體或非導(dǎo)體)、液體或氣體樣品尺寸要求均不嚴格，樣品消耗量極低，可以進行多元素的快速同時測定，適應(yīng)范圍廣，便于遠程操控。與傳統(tǒng)檢測技術(shù)相比，LIBS技術(shù)對于在線原位檢測具有不可比擬的技術(shù)優(yōu)勢，但由于單脈沖LIBS技術(shù)的分析靈敏度并不高，因而制約了其在痕量元素檢測領(lǐng)域中的應(yīng)用。 LIBS是基于高功率激光與物質(zhì)相互作用，產(chǎn)生瞬態(tài)等離子體，對等離子體的發(fā)射光譜(連續(xù)的背景譜和待測元素的特征譜)進行研究，從而實現(xiàn)對樣品成分的定性分析與定量分析。單脈沖LIBS激發(fā)的等離子體溫度和密度均較低，形成的發(fā)射光譜強度有限，因而分析靈敏度相對較低，檢出限相對較高。雙脈沖LIBS技術(shù)，利用第一束激光脈沖照射樣品表面以產(chǎn)生等離子體，稍后第二束激光脈沖照射等離子體以增強譜線發(fā)射，實現(xiàn)了對材料燒蝕與等離子激發(fā)的兩個階段的分布優(yōu)化，如若使用兩個激光器分別輸出兩束激光更可實現(xiàn)對激光參數(shù)(如能量、時間等) 的靈活優(yōu)化。鑒于傳統(tǒng)檢測技術(shù)的不足，基于DP-LIBS技術(shù)，本發(fā)明提供了一種紅外紫外雙脈沖激光誘導(dǎo)擊穿光譜在線原位檢測裝置，本裝置樣品消耗量低至約O. lug-0, lmg，原位微區(qū)空間分辨率可達Ι-lOOum，其分析靈敏度較單脈沖LIBS技術(shù)高出1_2個數(shù)量級。
發(fā)明內(nèi)容發(fā)明目的本發(fā)明的目的在于提供一種紅外紫外雙脈沖激光誘導(dǎo)擊穿光譜在線原位檢測裝置，可以對待檢樣品實現(xiàn)定點取樣檢測，完成原位分析、實時分析、以及痕量元素的精確檢測。本發(fā)明技術(shù)方案如下提供一種紅外紫外雙脈沖激光誘導(dǎo)擊穿光譜在線原位檢測裝置，其特征在于包括雙脈沖激光發(fā)射系統(tǒng)、定點取樣檢測系統(tǒng)、光輻射收集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。所述雙脈沖激光發(fā)射系統(tǒng)是由與計算機信號連接的紅外波段激光器、紫外波段激光器和脈沖延時控制器組成，用于產(chǎn)生特定的輸出頻率和功率密度的雙脈沖激光束；脈沖延時控制器分別與紅外波段激光器及紫外波段激光器信號連接，用于調(diào)節(jié)紅外波段激光器及紫外波段激光器的兩束激光的脈沖間隔。所述定點取樣檢測系統(tǒng)由第一光束遠程匯聚調(diào)節(jié)裝置及第二光束遠程匯聚調(diào)節(jié)裝置構(gòu)成；所述紅外波段激光器及紫外波段激光器分別與第一光束遠程匯聚調(diào)節(jié)裝置及第二光束遠程匯聚調(diào)節(jié)裝置光路連接；所述紅外波段激光器及紫外波段激光器輸出激光分別經(jīng)過第一光束遠程匯聚調(diào)節(jié)裝置及第二光束遠程匯聚調(diào)節(jié)裝置，聚焦在待檢測樣品表面的相同位置，用以完成樣品燒蝕和等離子激發(fā)，形成瞬態(tài)高溫度高密度等離子體。所述第一光束遠程匯聚調(diào)節(jié)裝置及第二光束遠程匯聚調(diào)節(jié)裝置由聚焦透鏡和特制反射鏡構(gòu)成，用于實現(xiàn)激光遠距離聚焦，延長檢測距離，實現(xiàn)檢測角度和檢測面的自由選擇，以克服異形器件和檢測空間狹小的約束，實現(xiàn)定點取樣檢測。所述光輻射收集系統(tǒng)由光譜遠程接收裝置構(gòu)成，所述光譜遠程接收裝置內(nèi)部由一組透鏡形成望遠鏡系統(tǒng)組成，所述望遠鏡系統(tǒng)的焦點與激光聚焦于樣品的位置重合。所述數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)是由七通道高分辨率微型光纖連接全波段激光誘導(dǎo)衰減光譜儀及其配套裝置組成，七通道高分辨率微型光纖一端與光譜遠程接收裝置匹配耦合， 全波段激光誘導(dǎo)衰減光譜儀接入計算機，完成光譜采集，并將得到的全波段光譜信息存入計算機。所述透鏡形成望遠鏡系統(tǒng)由依次光路連接的第一透鏡，第二透鏡，第三透鏡組成。所述特制反射鏡表面經(jīng)過鍍膜處理，反射效率為95%以上；聚焦透鏡和特制反射鏡的中心位置處于同一水平高度，并且特制反射鏡可圍繞中心軸自由轉(zhuǎn)動，用以改變其與聚焦透鏡所形成的反射角度。有益效果綜上所述，本發(fā)明一種紅外紫外雙脈沖激光誘導(dǎo)擊穿光譜在線原位檢測裝置，可以有效增強激光等離子體的光譜輻射強度，并延長輻射的弛豫時間，提高光譜檢測的靈敏度。同時，本裝置優(yōu)化了 LIBS自身技術(shù)特點，分析簡便快速，無需樣品預(yù)處理，實現(xiàn)對待檢樣品定點取樣檢測，實現(xiàn)樣品的原位分析、實時分析、以及痕量元素的精確檢測， 廣泛適用于分析、檢測、計量和診斷等多個技術(shù)領(lǐng)域。

[0019]圖I.是本發(fā)明所述的檢測裝置示意圖。圖2.是圖I中，光束遠程匯聚調(diào)節(jié)裝置示意圖。圖3.是圖I中，光輻射收集裝置示意圖。附圖標記及說明1.紅外波段激光器(以1064nm Nd:YAG納秒脈沖激光器為例)；
2.紫外波段激光器(以193nm ArF準分子納秒脈沖激光器為例);3.脈沖延時控制器；4.第一光束遠程匯聚調(diào)節(jié)裝置；5.第二光束遠程匯聚調(diào)節(jié)裝置；6.光譜遠程接收裝置；7.七通道高分辨率微型光纖；8.全波段激光誘導(dǎo)衰減光譜儀；9.計算機；10.聚焦透鏡；11.特制反射鏡；12.第一透鏡；13.第二透鏡；14.第三透鏡。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細說明。一、系統(tǒng)概述本紅外紫外雙脈沖激光誘導(dǎo)擊穿光譜在線原位檢測裝置基于雙脈沖激光誘導(dǎo)擊穿光譜(Double Pulse Laser Induced Breakdown Spectroscopy 簡稱 DP-LIBS)技術(shù)，主要由雙脈沖激光發(fā)射系統(tǒng)、定點取樣檢測系統(tǒng)、光輻射收集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)等四大部分構(gòu)成。核心部件包括紅外波段激光器(以1064nm Nd:YAG納秒脈沖激光器為例)、紫外波段激光器(以193nm ArF準分子納秒脈沖激光器為例)、脈沖延時控制器、光束遠程匯聚調(diào)節(jié)裝置、光譜遠程接收裝置、七通道高分辨率微型光纖、全波段激光誘導(dǎo)衰減光譜儀和計算機等。所述雙脈沖激光發(fā)射系統(tǒng)是由紅外波段激光器(以1064nm Nd:YAG納秒脈沖激光器為例)、紫外波段激光器(以193nm ArF準分子納秒脈沖激光器為例)、和脈沖延時控制器組成，并連接至計算機，用以控制其產(chǎn)生特定的輸出頻率和功率密度的雙脈沖激光束。脈沖延時控制器可以調(diào)節(jié)兩束激光的脈沖間隔。所述定點取樣檢測系統(tǒng)由光束遠程匯聚調(diào)節(jié)裝置構(gòu)成。兩臺激光器輸出激光經(jīng)過分別經(jīng)過光束遠程匯聚調(diào)節(jié)裝置后，聚焦在待檢測樣品表面的相同位置，用以完成樣品燒蝕和等離子激發(fā)，形成瞬態(tài)高溫度高密度等離子體。光束遠程匯聚調(diào)節(jié)裝置由聚焦透鏡和特制反射鏡構(gòu)成，不僅可以實現(xiàn)激光遠距離聚焦，延長檢測距離，而且可以實現(xiàn)檢測角度和檢測面的自由選擇，從而克服異形器件和檢測空間狹小的約束，實現(xiàn)定點取樣檢測。所述光輻射收集系統(tǒng)由光譜遠程接收裝置構(gòu)成，內(nèi)部由一組透鏡形成望遠鏡系統(tǒng)，接收光譜信號過程中，盡量保證望遠鏡系統(tǒng)的焦點與激光聚焦于樣品的位置重合，以期接收更多的發(fā)射光譜，提高信噪比。所述數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)是由七通道高分辨率微型光纖連接全波段激光誘導(dǎo)衰減光譜儀等配套裝置組成，光纖端與光譜遠程接收裝置匹配耦合，光譜儀段接入計算機，通過相應(yīng)的配套軟件完成光譜采集，并將得到的全波段光譜信息存入計算機。后期數(shù)據(jù)經(jīng)過分析處理，即可得到理想的分析結(jié)論。二、實施例請參照圖I至圖3，本紅外紫外雙脈沖激光誘導(dǎo)擊穿光譜在線原位檢測裝置，核心部件包括紅外波段激光器I (以1064nm Nd: YAG納秒脈沖激光器為例);紫外波段激光器2 (以193nm ArF準分子納秒脈沖激光器為例);脈沖延時控制器3 ;第一光束遠程匯聚調(diào)節(jié)裝置4 ;第二光束遠程匯聚調(diào)節(jié)裝置5 ;光譜遠程接收裝置6 ;七通道高分辨率微型光纖7 ;全波段激光誘導(dǎo)衰減光譜儀8和計算機9等。采用本發(fā)明所述的檢測裝置進行在線原位測量時，根據(jù)待檢測樣品的激發(fā)特性， 預(yù)先設(shè)定脈沖延時控制器3的延遲時間，用以控制兩個激光的時間間隔。紅外波段脈沖激光器I和紫外波段納秒脈沖激光器2，在脈沖延時控制器3觸發(fā)下，先后輸出高功率密度的納秒脈沖激光，經(jīng)由第一光束遠程匯聚調(diào)節(jié)裝置4、第二光束遠程匯聚調(diào)節(jié)裝置5，聚焦于樣品表面相同位置，燒蝕樣品待檢測位置，完成等離子激發(fā)過程，產(chǎn)生發(fā)射光譜信號。將光譜遠程接收裝置6的焦點(即裝置遠程探測點)定位于樣品表面受激光激發(fā)位置，接收發(fā)射光譜，末端與七通道高分辨率微型光纖7匹配耦合，盡量減少光纖損失，優(yōu)化系統(tǒng)信噪比。七通道高分辨率微型光纖7將接收到的等離子體光譜信號，傳輸至全波段激光誘導(dǎo)衰減光譜儀8，通過相應(yīng)的配套軟件即可得到的全波段光譜信息，并保存至計算機9 中。根據(jù)采集獲得的全波段光譜數(shù)據(jù)信息，對譜線強度與等離子體的物理參數(shù)如原子躍遷的能量、等離子體溫度之間的數(shù)學(xué)關(guān)系建立定量分析模型，利用自由定標校正分析法 (calibration-free)即可得出檢測成分分析結(jié)論。所述紅外波段納秒脈沖激光器1，紫外波段納秒脈沖激光器2，與脈沖延時控制器3，相連并連接入計算機9，用以控制其產(chǎn)生特定的輸出頻率和功率密度的雙脈沖激光束，，脈沖延時控制器3可以調(diào)節(jié)兩束激光的脈沖間隔。所述第一光束遠程匯聚調(diào)節(jié)裝置4、第二光束遠程匯聚調(diào)節(jié)裝置5由聚焦透鏡 10和特制反射鏡11構(gòu)成。聚焦透鏡10用以實現(xiàn)激光遠距離聚焦，延長探測距離，特制反射鏡11表面經(jīng)過鍍膜處理，可以提供95%以上的反射效率。聚焦透鏡10和特制反射鏡11 的中心位置處于同一水平高度，并且特制反射鏡11可圍繞中心軸自由轉(zhuǎn)動，用以改變其與聚焦透鏡10所形成的反射角度，從而實現(xiàn)檢測角度和檢測面的自由選擇，克服異形器件和檢測空間狹小的約束，實現(xiàn)定點取樣檢測。所述光譜遠程接收裝置6內(nèi)部由一組(兩片及兩片以上)第一透鏡12、第二透鏡 13和第三透鏡14形成望遠鏡系統(tǒng)，接收光譜信號過程中，盡量保證望遠鏡系統(tǒng)的焦點與激光聚焦于樣品的位置重合，以期接收更多的發(fā)射光譜，提高信噪比。采用本發(fā)明所述的檢測裝置后，所用的檢測方法包括如下步驟A. 根據(jù)待檢測樣品的激發(fā)特性，設(shè)定脈沖延時控制器的延遲時間，用以控制兩個激光的時間間隔。B. 紅外波段激光器(以1064nm Nd:YAG納秒脈沖激光器為例)和紫外波段激光器(以193nm ArF準分子納秒脈沖激光器為例)，在脈沖延時控制器觸發(fā)下，先后輸出高功率密度的納秒脈沖激光，經(jīng)由光束遠程匯聚調(diào)節(jié)裝置，聚焦于樣品表面相同位置，燒蝕樣品待檢測位置，完成等離子激發(fā)過程，產(chǎn)生發(fā)射光譜信號。C. 將光譜遠程收集裝置的焦點(即裝置遠程探測點)定位于樣品表面受激光激發(fā)位置，接收發(fā)射光譜，末端與七通道高分辨率微型光纖匹配耦合，盡量減少光纖損失，優(yōu)化系統(tǒng)信噪比。D. 光纖將接收到的等離子體光譜信號，傳輸至全波段激光誘導(dǎo)衰減光譜儀， 通過相應(yīng)的配套軟件即可得到的全波段光譜信息。根據(jù)采集獲得的全波段光譜數(shù)據(jù)信息，對譜線強度與等離子體的物理參數(shù)如原子躍遷的能量、等離子體溫度之間的數(shù)學(xué)關(guān)系建立定量分析模型，利用自由定標校正分析法 (calibration-free)即可得出檢測成分分析結(jié)論。所述自由定標校正分析法(calibration-free)必須基于以下三個合理假設(shè)A.等離子體中各元素組成與樣品燒蝕前的元素組成完全相同。B.在實際的時間空間觀測閘門中，等離子體處于熱等離子體處于熱動力平衡。C.發(fā)射光源足夠小。根據(jù)上述假設(shè)，某一原子物種s在兩個不同能級Ek和Ei間的躍遷所測得的線性積分強度可表示為(I)式中，躍遷波長；Cs ---發(fā)射原子物種的濃度；—對特定譜線的躍遷概率;Sk —k能級簡并度；kB —波爾茲曼常數(shù)；T 等離子體溫度；F —常數(shù)，與光收集裝置的效率有關(guān)，與波長無關(guān)，在檢測過程中保持不變；a^--發(fā)射物種s的分配函數(shù)?？杀硎緸镃Zs(T) =^fCXp (-^) (2)對方程(I)取對數(shù)，并作如下假設(shè)X = Ek (3)可得關(guān)于參數(shù)y和X的線性方程根據(jù)測得的Jjd及光譜數(shù)據(jù)庫中的已知光譜參數(shù)和，可繪出y關(guān)于X的直線(波爾茲曼曲線)，得到斜率m和截距通過斜率可得(T=-點)。對所有物種成分的濃度歸一化可得出F，即 EsCs —、ESUS(T — I而物種成分的濃度Cs可通過公式Cs^^p-€^計算得出，即可得到待檢測樣品成分分析結(jié)果。上述具體實施方式
以及激光波長的確定均屬本發(fā)明的優(yōu)選實施例，并不能對本發(fā)明的權(quán)利要求進行限定，其他的任何未背離本發(fā)明的技術(shù)方案而所做的改變或其他等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種紅外紫外雙脈沖激光誘導(dǎo)擊穿光譜在線原位檢測裝置，其特征在于包括雙脈沖激光發(fā)射系統(tǒng)、定點取樣檢測系統(tǒng)、光輻射收集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)；所述雙脈沖激光發(fā)射系統(tǒng)是由與計算機(9)信號連接的紅外波段激光器(I)、紫外波段激光器(2)和脈沖延時控制器(3)組成，用于產(chǎn)生特定的輸出頻率和功率密度的雙脈沖激光束；脈沖延時控制器(3)分別與紅外波段激光器(I)及紫外波段激光器(2)信號連接； 所述定點取樣檢測系統(tǒng)由第一光束遠程匯聚調(diào)節(jié)裝置(4)及第二光束遠程匯聚調(diào)節(jié)裝置(5 )構(gòu)成；所述紅外波段激光器(I)及紫外波段激光器(2 )分別與第一光束遠程匯聚調(diào)節(jié)裝置(4)及第二光束遠程匯聚調(diào)節(jié)裝置(5)光路連接；所述紅外波段激光器(I)及紫外波段激光器(2)輸出激光分別經(jīng)過第一光束遠程匯聚調(diào)節(jié)裝置(4)及第二光束遠程匯聚調(diào)節(jié)裝置(5)，聚焦在待檢測樣品表面的相同位置；所述第一光束遠程匯聚調(diào)節(jié)裝置(4)及第二光束遠程匯聚調(diào)節(jié)裝置(5)由聚焦透鏡(10)和特制反射鏡(11)構(gòu)成；所述光輻射收集系統(tǒng)由光譜遠程接收裝置(6)構(gòu)成，所述光譜遠程接收裝置(6)內(nèi)部由一組透鏡形成望遠鏡系統(tǒng)組成，所述望遠鏡系統(tǒng)的焦點與激光聚焦于樣品的位置重合； 所述數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)是由七通道高分辨率微型光纖(7 )連接全波段激光誘導(dǎo)衰減光譜儀(8 )及其配套裝置組成，七通道高分辨率微型光纖(7 ) 一端與光譜遠程接收裝置(6 )匹配耦合，全波段激光誘導(dǎo)衰減光譜儀(8 )接入計算機(9 )。
2.根據(jù)權(quán)利要求紅外紫外雙脈沖激光誘導(dǎo)擊穿光譜在線原位檢測裝置，其特征在于所述透鏡形成望遠鏡系統(tǒng)由依次光路連接的第一透鏡(12)，第二透鏡(13)，第三透鏡(14)組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求紅外紫外雙脈沖激光誘導(dǎo)擊穿光譜在線原位檢測裝置，其特征在于 所述特制反射鏡(11)表面經(jīng)過鍍膜處理，反射效率為95%以上；聚焦透鏡(10)和特制反射鏡(11)的中心位置處于同一水平高度，并且特制反射鏡(11)可圍繞中心軸自由轉(zhuǎn)動。
專利摘要本實用新型公開了一種紅外紫外雙脈沖激光誘導(dǎo)擊穿光譜在線原位檢測裝置，該裝置基于雙脈沖激光誘導(dǎo)擊穿光譜(Double Pulse Laser Induced Break down Spectroscopy簡稱DP-LIBS)技術(shù)，主要由雙脈沖激光發(fā)射系統(tǒng)、定點取樣檢測系統(tǒng)、光輻射收集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)等四大部分構(gòu)成。本實用新型能夠?qū)Υ龣z樣品實現(xiàn)定點取樣檢測，完成樣品的原位分析、實時分析、以及痕量元素的精確檢測，分析簡便快速，無需樣品預(yù)處理，可同時進行多元素測定，廣泛適用于分析、檢測、計量和診斷等多個技術(shù)領(lǐng)域。
文檔編號G01N21/63GK202351175SQ201120435370
公開日2012年7月25日 申請日期2011年11月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月7日
發(fā)明者丁洪斌, 李聰, 王宏北, 羅廣南 申請人:大連理工大學(xué)