本實用新型屬于等離子物理和光譜分析領(lǐng)域，更具體地，涉及基于光纖波導(dǎo)循環(huán)激發(fā)的激光誘導(dǎo)擊穿熒光光譜分析系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

激光探針技術(shù)，即激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)(Laser-Induced breakdown Spectroscopy，簡稱LIBS)，是一種極具前景的快速成分分析技術(shù)，其原理是利用高功率密度脈沖激光燒蝕待分析樣品表面，瞬間產(chǎn)生上萬度高溫，形成等離子體，等離子體在冷卻過程中向外輻射特征光譜，通過采集其特征光譜便可分析獲得待分析樣品中的不同成分及其含量。由于LIBS具有無樣品預(yù)處理，多元素同時檢測以及可在線檢測等特點，近年來，該技術(shù)獲得了學(xué)術(shù)和產(chǎn)業(yè)界的極大關(guān)注。然而，目前LIBS對大多數(shù)元素的檢測極限大約為10ppm，導(dǎo)致其難以滿足微量、特別是痕量元素的檢測要求。因此，阻礙了該技術(shù)的進(jìn)一步廣泛應(yīng)用，特別是在環(huán)境保護(hù)和食品安全等領(lǐng)域的推廣及應(yīng)用。

為提高激光探針的靈敏度，目前主流的方法是對激光等離子體發(fā)射光譜進(jìn)行增強，主要包括空間約束增強、磁約束增強、微波增強、雙脈沖增強、雙脈沖共振激發(fā)增強方法等。這些方法都能在一定程度上增強等離子體的發(fā)射光譜強度，提高激光探針的探測靈敏度，其中又以雙脈沖共振激發(fā)增強法效果最為顯著。中國專利CN101782517A公開了一種基于共振激發(fā)雙激光光源的激光探針微區(qū)成分分析儀，該專利利用第一束激光燒蝕樣品產(chǎn)生等離子體，再通過第二束波長可調(diào)諧激光對等離子體中待測元素的粒子進(jìn)行共振激發(fā)，從而將待測元素光譜強度提高數(shù)十至數(shù)百倍。目前現(xiàn)有文獻(xiàn)中，利用上述的可調(diào)諧激光雙脈沖激發(fā)技術(shù)，可最大程度地增強光譜強度，同時一般可以將被檢測元素的檢測極限提高到1ppm量級。

然而，目前世界范圍內(nèi)對痕量元素分析的市場巨大，1ppm的檢測極限并不能滿足土壤、食品等安全標(biāo)準(zhǔn)。以我國為例，依據(jù)我國對于大多數(shù)糧食及生物制品中重金屬的含量標(biāo)準(zhǔn)，其國標(biāo)含量一般在1ppm以下。因此，要將LIBS用于痕量元素的快速定性及準(zhǔn)確定量檢測領(lǐng)域，提供一種能進(jìn)一步增強LIBS技術(shù)光譜強度，從而改善其檢測極限的系統(tǒng)必不可少。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本實用新型提供了一種基于光纖波導(dǎo)循環(huán)激發(fā)的激光誘導(dǎo)擊穿熒光光譜分析系統(tǒng)，其通過循環(huán)利用基于光學(xué)參量振蕩器的波長可調(diào)諧激光器(OPO激光器)輸出的共振激光，以增大共振激光的脈寬，實現(xiàn)痕量元素基態(tài)粒子的徹底激發(fā)，改進(jìn)傳統(tǒng)的雙脈沖共振激發(fā)技術(shù)，同時提高激光探針對痕量元素的探測靈敏度和定量分析精度，適用于對糧食與生物樣品中痕量重金屬元素的檢測。

為實現(xiàn)上述目的，本實用新型提出了一種基于光纖波導(dǎo)循環(huán)激發(fā)的激光誘導(dǎo)擊穿熒光光譜分析系統(tǒng)，其包括激光發(fā)生模塊、共振激發(fā)模塊和采集模塊，其中：

所述激光發(fā)生模塊包括激光全反鏡、聚焦透鏡以及用于發(fā)射脈沖激光使待分析樣品表面燒蝕的Nd：YAG激光器，該激光全反鏡與所述Nd：YAG激光器的出光口位于同一水平光路中，所述聚焦透鏡與激光全反鏡的連線與所述水平光路垂直，該聚焦透鏡的正下方設(shè)置有用于放置待分析樣品的電動位移平臺；

所述共振激發(fā)模塊包括OPO激光器、雙端輸入單端輸出寬帶多芯光纖以及與所述OPO激光器的出光口位于同一水平光路上的依次排列的第一光纖耦合器、光纖輸出整形模塊和第二光纖耦合器，該雙端輸入單端輸出寬帶多芯光纖的兩輸入端分別與所述第一光纖耦合器和第二光纖耦合器相連，輸出端與所述光纖輸出整形模塊相連；

所述采集模塊包括光纖采集頭、光柵光譜儀、增強型CCD和計算機，所述光纖采集頭的一端對準(zhǔn)所述待分析樣品上的燒蝕點，另一端通過采集光纖、光柵光譜儀與所述增強型CCD相連，該增強型CCD與所述計算機相連。

針對目前傳統(tǒng)的單脈沖和共振激發(fā)激光探針靈敏度不佳的問題，本實用新型提供了上述技術(shù)方案，通過循環(huán)利用OPO激光器輸出的共振激光，一方面可增加共振激光的脈沖寬度；另一方面可對等離子體進(jìn)行持續(xù)的共振激發(fā)，以實現(xiàn)對等離子體中待測元素基態(tài)粒子的徹底激發(fā)，提高可調(diào)諧激光的利用效率，從而大幅提高基于共振激發(fā)的雙激光光源的激光探針的檢測極限。

作為進(jìn)一步優(yōu)選的，所述Nd：YAG激光器(2)位于OPO激光器的上方，該OPO激光器安裝在光學(xué)平臺上。

作為進(jìn)一步優(yōu)選的，所述激光全反鏡與聚焦透鏡均由固定支架固定。

作為進(jìn)一步優(yōu)選的，所述分析系統(tǒng)還包括數(shù)字延時脈沖產(chǎn)生器，其分別與所述Nd：YAG激光器、OPO激光器和增強型CCD通訊相連。

作為進(jìn)一步優(yōu)選的，所述OPO激光器的輸出波段在200-400nm，脈沖寬度為10ns量級，常用紫外波段激光能量在0.5-10mJ，激光重復(fù)頻率為1-20Hz。

作為進(jìn)一步優(yōu)選的，所述光柵光譜儀和增強型CCD從所述OPO激光器出光開始采集光譜，直至等離子完全冷卻停止采集，采集時間為20-1000ns量級。

作為進(jìn)一步優(yōu)選的，所述雙端輸入單端輸出寬帶多芯光纖用于激光循環(huán)激發(fā)，其工作波段為200nm-400nm的紫外到可見光波段，纖芯數(shù)在8芯及以上。

作為進(jìn)一步優(yōu)選的，所述寬帶多芯光纖為交互排列結(jié)構(gòu)，其兩個輸入端B₁和B₂均由多芯光纖組成，輸出端A由輸入端B₁和B₂匯集而成，且輸出端A的纖芯按B₁纖芯、B₂纖芯、B₁纖芯、B₂纖芯這種隔一夾雜模式交錯排列。

作為進(jìn)一步優(yōu)選的，所述采集光纖的輸入端為M×N矩形排列，輸出端為縱向1×(M×N)一字排列。

總體而言，通過本實用新型所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，主要具備以下的技術(shù)優(yōu)點：

1.本實用新型利用雙端輸入單端輸出結(jié)構(gòu)的光纖，通過第一輸入端傳導(dǎo)共振激光，并在輸出端輸出，隨后在與輸出端同一條直線的第二輸入端“回收”多余的共振激光，將穿過等離子體的共振激光再次搜集，并通過輸出端，再次導(dǎo)入共振激發(fā)光路，該結(jié)構(gòu)可使一束可調(diào)諧激光在時域上持續(xù)的對特定原子進(jìn)行共振激發(fā)，以循環(huán)利用共振激光，從而提升可調(diào)諧激光的利用率，顯著提升系統(tǒng)的檢測極限，相比于傳統(tǒng)的激光誘導(dǎo)擊穿熒光光譜技術(shù)而言，本實用新型的熒光作用時間從10ns量級(OPO激光器激光脈寬)最大延長到μs量級，大幅提高了OPO激光的利用率，從而提高單次Nd：YAG激光燒蝕后共振激發(fā)產(chǎn)生的熒光強度。

2.本實用新型的光路系統(tǒng)設(shè)計了交錯排列結(jié)構(gòu)的寬帶多芯光纖以保證輸出端激光的均勻性，首先寬帶光纖可以通過不同波長的共振激光，增加本系統(tǒng)的通用性；其次由于共振激光會被等離子體吸收，導(dǎo)致通過等離子體之后的光強分布不均，本光纖輸入端B₁，B₂由多芯光纖組成，用于收集共振激光，輸出端A由輸入端B₁，B₂匯集而成，且纖芯按B₁B₂B₁B₂這種隔一夾雜模式交錯排列，這種交錯排列結(jié)構(gòu)，可以使第一輸入端和第二輸入端輸入的激光信號均勻的分布在輸出端面，保證通過等離子體區(qū)域的可調(diào)諧激光的均勻性，并使等離子體被共振激光全覆蓋。

3.本實用新型采用具有空間分辨能力的采集光纖，由于等離子體在空間上具有不均勻分布的特性，本系統(tǒng)設(shè)計的采集光纖為輸入端為M×N矩形排列(這里的M、N取值由所需空間分辨率決定，M、N取值越大空間分辨率越高，M、N取值越小空間分辨率越低)，輸出端為縱向1×(M×N)一字排列，使得等離子體在輸出端被縱向分割，從而可在單次采集的條件下對等離子體進(jìn)行空間分辨研究，獲得等離子體熒光空間分布狀況，對等離子體中粒子的能態(tài)分布的研究做出指導(dǎo)。

附圖說明

圖1為本實用新型實施例提供的基于光纖波導(dǎo)循環(huán)激發(fā)的激光誘導(dǎo)擊穿熒光光譜分析系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為雙端輸入單端輸出寬帶多芯光纖的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為采集光纖端面示意圖；

圖4為傳統(tǒng)激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)、可調(diào)諧激光雙脈沖光譜技術(shù)與單次循環(huán)的激光誘導(dǎo)擊穿熒光光譜技術(shù)的光譜對比圖。

具體實施方式

為了使本實用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本實用新型進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本實用新型，并不用于限定本實用新型。此外，下面所描述的本實用新型各個實施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。

如圖1所示，本實用新型實施例提供的基于光纖波導(dǎo)循環(huán)激發(fā)的激光誘導(dǎo)擊穿熒光光譜分析系統(tǒng)，其包括激光發(fā)生模塊、共振激發(fā)模塊和采集模塊，其中激光發(fā)生模塊用于產(chǎn)生等離子體并使待分析樣品燒蝕，共振激發(fā)模塊用于對等離子體進(jìn)行共振激發(fā)，提高特征光譜強度，采集模塊用于采集共振激發(fā)后躍遷產(chǎn)生的特征光譜信號。通過上述各個模塊的相互配合，可實現(xiàn)對等離子體中待測元素基態(tài)粒子的徹底激發(fā)，提高可調(diào)諧激光的利用效率，從而大幅提高基于共振激發(fā)的雙激光光源的激光探針的檢測極限。本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，可以幾何倍數(shù)的提高波長可調(diào)諧激光的利用效率，從而提高共振激發(fā)的增強效果，最終提高激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)(LIBS)的檢測極限，使得LIBS技術(shù)能在糧食安全檢測，生物重金屬污染等痕量分析領(lǐng)域得到應(yīng)用。

下面將對各個模塊逐一進(jìn)行更為具體的說明。

如圖1所示，激光發(fā)生模塊包括激光全反鏡4、聚焦透鏡8和Nd：YAG激光器2，Nd：YAG激光器2的主要作用是發(fā)射脈沖激光在待分析樣品7表面產(chǎn)生等離子體，該等離子體使待分析樣品7的表面燒蝕，該激光全反鏡4與Nd：YAG激光器2的出光口位于同一水平光路中，用于將Nd：YAG激光向豎直向下方向反射，聚焦透鏡8位于激光全反鏡4的正下方，用于聚焦Nd：YAG激光，其與激光全反鏡4的連線與水平光路垂直，該聚焦透鏡8的正下方設(shè)置有電動位移平臺6，該電動位移平臺6用于放置待分析樣品7。具體的，激光全反鏡4與聚焦透鏡8都由固定支架23固定。分析測試時，Nd：YAG激光器2發(fā)射的激光依次經(jīng)激光全反鏡4反射，聚焦透鏡8聚焦，最終到達(dá)待分析樣品7表面，產(chǎn)生等離子體。

如圖1所示，共振激發(fā)模塊包括OPO激光器1、雙端輸入單端輸出寬帶多芯光纖10、第一光纖耦合器3、光纖輸出整形模塊5和第二光纖耦合器9，其中，OPO激光器1為基于光學(xué)參量振蕩器(Optical Parametric Oscillator，簡稱OPO)的波長可調(diào)諧激光器，其作用主要是對Nd：YAG激光器2激發(fā)出的等離子體進(jìn)行共振激發(fā)，提高特征光譜強度，具體的，OPO激光器1位于Nd：YAG激光器2的下方，其安裝在光學(xué)平臺22上。而雙端輸入單端輸出寬帶多芯光纖10用于激光循環(huán)激發(fā)，其在時域上對OPO激光器1發(fā)出的共振激光進(jìn)行脈寬加寬，使得單次燒蝕等離子體能在更長時間范圍內(nèi)受到共振激發(fā)光的增強作用，進(jìn)一步提高特征光譜強度。所述第一光纖耦合器3、光纖輸出整形模塊5和第二光纖耦合器9依次排列，并與OPO激光器1的出光口位于同一水平光路上，工作時整個水平光路經(jīng)過待分析樣品7的正上方，雙端輸入單端輸出寬帶多芯光纖10的兩輸入端分別與第一光纖耦合器3和第二光纖耦合器9相連，輸出端A與光纖輸出整形模塊5相連。

具體的，如圖2所示，用于激光循環(huán)激發(fā)的雙端輸入單端輸出寬帶多芯光纖10為交錯排列結(jié)構(gòu)，其兩個輸入端B₁和B₂均由多芯光纖組成，用于收集OPO激光(即共振激光)，纖芯數(shù)在8芯及以上，其輸出端A由輸入端B₁，B₂匯集而成，且輸出端A的纖芯按B₁纖芯、B₂纖芯、B₁纖芯、B₂纖芯這種隔一夾雜模式交錯排列，寬帶多芯光纖10的工作波段為200nm-400nm的紫外到可見光波段，相較于單芯光纖，雙端輸入單端輸出寬帶多芯光纖10的多條芯徑可以最大限度的均勻輸出端A所輸出的激光，提高整體的穩(wěn)定性。

進(jìn)一步的，光纖耦合器與OPO激光器1水平放置，其中第一光纖耦合器3將共振激光(通過控制OPO激光器中的OPO晶體角度可調(diào)諧激光波長)通過多芯光纖10的第一輸入端耦合進(jìn)多芯光纖10中，共振激光通過用于激光時域展寬的多芯光纖10后再由其輸出端的端口輸出，然后穿過等離子體區(qū)域后，經(jīng)第二光纖耦合器9進(jìn)入用于激光時域展寬的多芯光纖10的第二輸入端的端口，并再次由輸出端端口輸出，經(jīng)過等離子體區(qū)域，如此反復(fù)，直至激光能量衰減到最低。

進(jìn)一步的，OPO激光器1輸出波段在200nm-400nm，脈沖寬度為5-10ns量級，激光能量在0.5-10mJ，激光重復(fù)頻率為1-20Hz；光纖輸出整形模塊5由一面擴束鏡和一面聚焦鏡組成，其主要作用是控制共振激光發(fā)散角，保證共振激光剛好覆蓋等離子體區(qū)域。

如圖1所示，采集模塊包括光纖采集頭11、光柵光譜儀12、增強型CCD13(即為ICCD，其在CCD相機前端加入了像增強器，從而獲得了時序控制和信號增強的能力)和計算機14，光纖采集頭11的一端對準(zhǔn)Nd：YAG激光器2發(fā)出的激光在樣品7上的燒蝕點，另一端依次通過采集光纖21、光柵光譜儀12與增強型CCD13相連，該增強型CCD13與計算機14相連，其通過第一同軸電纜16與計算機14實現(xiàn)通信。其中，光柵光譜儀12的作用是將采集到的等離子光譜信號通過光柵衍射，分解成不同元素的特征光譜；增強型CCD13的作用是控制采集光譜的門寬，并對采集到的光子進(jìn)行數(shù)量倍增。計算機14內(nèi)部集成了光譜分析軟件，激光器控制軟件和位移平臺控制軟件，具有光譜分析，數(shù)據(jù)處理等功能，其與電動位移平臺6通過第五同軸電纜20相連。具體的，光柵光譜儀12和增強型CCD13，從OPO激光器1出光開始采集光譜，直至等離子完全冷卻停止采集，采集時間為20-1000ns量級。

具體的，用于采集等離子體發(fā)射光譜的采集光纖21的工作波段為190nm-800nm，其輸入端纖芯為M×N矩形排列，輸出端為縱向1×(M×N)一字排列，例如，輸入端纖芯為2×3排列，輸出端為1×6排列，相較于單芯光纖，本光纖可實現(xiàn)等離子體空間分辨采集。

此外，分析系統(tǒng)還包括數(shù)字延時脈沖產(chǎn)生器15，其分別與Nd：YAG激光器、OPO激光器和增強型CCD通訊連接，用于控制OPO激光器1和Nd：YAG激光器2的出射激光之間的延時，同時控制增強型CCD13采集光譜的延時。具體的，增強型CCD13，Nd：YAG激光器2和OPO激光器1分別通過第二同軸電纜17，第三同軸電纜18和第四同軸電纜19與數(shù)字延時脈沖產(chǎn)生器15相連。

下面對本實用新型的上述基于光纖波導(dǎo)循環(huán)激發(fā)的激光誘導(dǎo)擊穿熒光光譜分析系統(tǒng)的具體操作過程進(jìn)行詳細(xì)說明，其具體操作如下：

(1)首先將待分析樣品7磨平放置于電動位移平臺6上，調(diào)節(jié)電動位移平臺6高度，使得樣品表面高度達(dá)到OPO激光器1的出光高度處；

(2)開啟Nd:YAG激光器2，OPO激光器1，同時根據(jù)待分析樣品中元素種類，調(diào)節(jié)OPO激光器1輸出波長；

(3)開啟電動位移平臺6，設(shè)定運動模式，保證每個燒蝕點間互不影響；

(4)設(shè)置數(shù)字延時脈沖發(fā)生器15的延時，控制兩臺激光器以及增強型CCD13之間時序關(guān)系，數(shù)字延時脈沖發(fā)生器15發(fā)出三個觸發(fā)信號按時間順序分別觸發(fā)開啟Nd:YAG激光器2出光，OPO激光器1出光和增強型CCD13采集光譜；Nd:YAG激光器2發(fā)出的燒蝕激光經(jīng)反射鏡4，匯聚透鏡8聚焦于樣品表面產(chǎn)生等離子體；OPO激光器1發(fā)出的共振激光由第一光纖耦合器3耦合進(jìn)入雙端輸入單端輸出寬帶多芯光纖10的B1端口，并由光纖輸出整形模塊5整形輸出，照射在產(chǎn)生等離子體上，對特定元素原子共振激發(fā)，透過的激光由第二光纖耦合器9耦合進(jìn)入雙端輸入單端輸出的寬帶多芯光纖10的B2端口，并再次由光纖輸出整形模塊5整形輸出，照射在產(chǎn)生等離子體上，對特定元素原子共振激發(fā)，如此反復(fù)循環(huán)多次對同一等離子體進(jìn)行共振激發(fā)；

(5)共振激發(fā)后躍遷產(chǎn)生的特征光譜信號經(jīng)光纖采集頭11搜集進(jìn)入光纖21，之后傳導(dǎo)入光柵光譜儀12內(nèi)被光柵分光；

(6)波長分散后的光信號在增強型CCD13上按設(shè)定的延時和門寬進(jìn)行采集，之后完成光電轉(zhuǎn)化，形成包含光譜信息的電信號輸出，所得信號由控制電纜16傳遞給計算機14；

(7)計算機14通過光譜分析軟件對采集到的光譜進(jìn)行分析，并將得到的結(jié)果以圖片輸出。

圖4為本系統(tǒng)單次時域疊加后采集光譜與普通LIBS及LIBS-LIF系統(tǒng)采集光譜的對比圖，從圖中可以看出采用本實用新型的系統(tǒng)進(jìn)行分析測試時光譜強度有明顯提升。

總體而言，本實用新型通過改進(jìn)共振激光與等離子體作用的光路，利用共振激發(fā)的物理原理，在時域上對共振激光進(jìn)行展寬，循環(huán)利用共振激光，使得同一等離子體能在更長的時間范圍內(nèi)被共振激光共振激發(fā)，顯著提升系統(tǒng)的檢測極限，提高了共振激發(fā)的增強效果；并使用寬帶多芯光纖，使得系統(tǒng)的通用性變強，并保證了可調(diào)諧激光輸出的穩(wěn)定性，增強了設(shè)備的性能，穩(wěn)定性的保證和光譜強度的提高使得激光探針技術(shù)能在糧食與生物制品重金屬檢測領(lǐng)域得到應(yīng)用，推廣了激光探針技術(shù)的應(yīng)用范圍。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，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(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。