一種增強(qiáng)型等離子體發(fā)光信號(hào)收集器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型具體涉及一種增強(qiáng)型等離子體發(fā)光信號(hào)收集器，屬于光信號(hào)接收器領(lǐng) 域。
【背景技術(shù)】
[0002] LIPS技術(shù)是激光誘導(dǎo)等離子體光譜技術(shù)的簡(jiǎn)稱，又稱激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù) (LIBS)或激光激發(fā)光譜技術(shù)（LSS)，將激光聚焦到一定高能量密度從而電離樣品，產(chǎn)生激 光誘導(dǎo)等離子體，在等離子體冷卻過(guò)程中電子能級(jí)躍迀從而發(fā)射特征光譜，通過(guò)分析特征 光譜可對(duì)樣品所含元素進(jìn)行定性和定量分析。LIPS不受樣品外觀的限制，可檢測(cè)各種處于 固態(tài)、液體、氣溶膠形態(tài)的樣品。此外，LIPS技術(shù)還有檢測(cè)極限高（可以達(dá)到ppb量級(jí)），測(cè) 量速度快（短于一秒）、可遠(yuǎn)程非接觸測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)。
[0003] LIBS技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)在于提高獲得的信號(hào)強(qiáng)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(tài)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(shù)，外加電場(chǎng)，加約束場(chǎng)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(cè)信號(hào)強(qiáng)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(shù)較大的聚焦 透鏡來(lái)收集等離子體發(fā)光。在LIBS中加入橢圓和半圓球組合成的反射鏡來(lái)提高收集立體 角的方法作者在文獻(xiàn)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(xué)會(huì)聚和收集系統(tǒng)，【申請(qǐng)?zhí)枴?4192947)中提到了利用橢球面反射鏡收集 點(diǎn)光源發(fā)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(xué)性質(zhì)，將點(diǎn)光源放置 在橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)上，部分圓球面反射鏡將光源發(fā)射出的光反射到橢圓反射鏡上，反射鏡 將點(diǎn)光源發(fā)出的光以及圓面反射鏡反射過(guò)去的光會(huì)聚到另一個(gè)焦點(diǎn)上，用光纖進(jìn)行收集， 半圓球球面和橢球面平行于橢球的長(zhǎng)軸線，屬于開放式收集腔。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0004] 激光誘導(dǎo)等離子體光譜技術(shù)（LIPS)中探測(cè)靈敏度和收集到的信號(hào)強(qiáng)度相關(guān)，本 實(shí)用新型旨在增強(qiáng)探測(cè)器收集到的信號(hào)，同時(shí)優(yōu)化收集到的光斑形狀（等離子體發(fā)光為彗 星狀，不利于收集），增長(zhǎng)光纖探頭與等離子體的距離從而減小光學(xué)表面污染，延長(zhǎng)壽命。
[0005] 本實(shí)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(qiáng)型等離子體發(fā)光信號(hào)收集器，所述收集器包括一個(gè)橢球面反射鏡以及一個(gè)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(diǎn)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(gòu)成一個(gè)封閉式收集光腔，所述 橢球和圓球的交接線垂直于橢球長(zhǎng)軸。
[0006] 進(jìn)一步地，如上所述的增強(qiáng)型等離子體發(fā)光信號(hào)收集器，所述橢球面的剖面橢圓 的兩個(gè)焦點(diǎn)分別是所述半圓球面的球心和頂點(diǎn)。
[0007] 進(jìn)一步地，如上所述的增強(qiáng)型等離子體發(fā)光信號(hào)收集器，所述橢球長(zhǎng)徑，短徑和圓 球半徑比例為：
[0008] 進(jìn)一步地，如上所述的增強(qiáng)型等離子體發(fā)光信號(hào)收集器，所述頂點(diǎn)處設(shè)置光纖探 頭。
[0009] 進(jìn)一步地，如上所述的增強(qiáng)型等離子體發(fā)光信號(hào)收集器，所述橢球和圓球的交接 處，一邊放置一個(gè)凸透鏡，另一邊放置窗口或者光收集器。
[0010] 本實(shí)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(guò)理論計(jì)算該裝置對(duì)光的收集效率約為96%，相 對(duì)于用透鏡收集光斑（最大不超過(guò)28% )要高很多。
[0012] 2:可以優(yōu)化收集光斑，對(duì)于一個(gè)非特定光斑經(jīng)過(guò)該裝置收集后光斑形狀改變成圓 形，對(duì)于不要求成像質(zhì)量的光路系統(tǒng)，這樣的光斑更有利于光線收集。
[0013] 3:拉遠(yuǎn)等離子體發(fā)光點(diǎn)與收集光纖探頭距離，減少探頭表面光學(xué)污染，延長(zhǎng)光纖 壽命。
[0014] 4 :封閉式收集光腔隔絕外界環(huán)境，可以控制LIPS激發(fā)點(diǎn)所處的環(huán)境。
【附圖說(shuō)明】
[0015] 圖1為現(xiàn)有技術(shù)中的等離子體發(fā)光信號(hào)收集器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016] 圖2為本實(shí)用新型增強(qiáng)型等離子體發(fā)光信號(hào)收集器的剖面示意圖。
[0017] 圖3為現(xiàn)有技術(shù)中的光斑通過(guò)凸透鏡收集成像的示意圖。
[0018] 圖4為本實(shí)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(shí)用新型的LIBS聚焦光路分布圖（俯視剖面圖）。
[0020] 圖6為本實(shí)用新型的LIBS聚焦光路分布圖（正視剖面圖）。
【具體實(shí)施方式】
[0021] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)的描述。
[0022] 如圖2所示，為本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的收集裝置的剖面圖，包括一個(gè)橢球面反射鏡以 及一個(gè)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(gòu)成一個(gè)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(zhǎng) 軸線所在的直線，A點(diǎn)和B點(diǎn)為左邊橢圓的兩個(gè)焦點(diǎn)，同時(shí)A點(diǎn)是右邊半圓的圓心，B點(diǎn)是 右邊半圓的頂點(diǎn)。A點(diǎn)為發(fā)光點(diǎn)，A點(diǎn)向左側(cè)發(fā)出的光經(jīng)過(guò)橢球面反射鏡聚焦到另一個(gè)焦 點(diǎn)B處（即A-C-B)，而A點(diǎn)向右半邊發(fā)出的光經(jīng)過(guò)半圓球面反射鏡原路返回到A點(diǎn)，之后 經(jīng)過(guò)橢球面反射鏡再次聚焦到B點(diǎn)（即A-D-A-E-B)，B點(diǎn)處光纖將會(huì)聚的光線收集至探 測(cè)器中。橢球和圓球的交接線垂直于橢球長(zhǎng)軸。橢球和圓球有固定的比例關(guān)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(diǎn)距離，橢球長(zhǎng)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(xiàn)有技術(shù)中的光斑通過(guò)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(shí)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(diǎn)的光斑，右邊的圓形是B點(diǎn)的光斑。如圖3、4對(duì)比所示，本實(shí)用新 型可以優(yōu)化收集光斑，對(duì)于一個(gè)非特定光斑經(jīng)過(guò)該裝置收集后光斑形狀改變成圓形，對(duì)于 不要求成像質(zhì)量的光路系統(tǒng)，這樣的光斑更有利于光線收集。
[0024] 以LIBS中檢測(cè)氣體等離子體為例，如圖5所示，激光通過(guò)C點(diǎn)凸透鏡聚焦到A點(diǎn) 即圖2中A點(diǎn)擊穿空氣產(chǎn)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(qiáng) 激光收集掉。B處放置光纖探頭（與圖2中B點(diǎn)對(duì)應(yīng)），將聚焦到該點(diǎn)的等離子體發(fā)光收集 到光纖中傳輸至探測(cè)器中。圖6中上下兩個(gè)管道分別為所測(cè)氣體樣品的進(jìn)氣口和出氣口， 由于激光聚焦到空氣中激發(fā)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(zhǎng) 條的彗星狀，而用來(lái)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(guò)程中彗星狀光源通過(guò)橢圓會(huì)聚成一極小圓形焦斑，可以增大光纖收集效率。
[0025] 顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行各種改動(dòng)和變型而不脫離本實(shí)用 新型的精神和范圍。這樣，倘若對(duì)本實(shí)用新型的這些修改和變型屬于本實(shí)用新型權(quán)利要求 及其同等技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本實(shí)用新型也意圖包含這些改動(dòng)和變型在內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種增強(qiáng)型等離子體發(fā)光信號(hào)收集器，其特征在于： 所述收集器包括一個(gè)橢球面反射鏡以及一個(gè)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(diǎn)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(gòu)成一個(gè)封閉式收集光腔，所述橢球和圓球的交接線垂直于橢球 長(zhǎng)軸。2. 如權(quán)利要求1所述的增強(qiáng)型等離子體發(fā)光信號(hào)收集器，其特征在于： 所述橢球面的剖面橢圓的兩個(gè)焦點(diǎn)分別是所述半圓球面的球心和頂點(diǎn)。3. 如權(quán)利要求2所述的增強(qiáng)型等離子體發(fā)光信號(hào)收集器，其特征在于： 所述橢球長(zhǎng)徑，短徑和圓球半徑比例為：a4. 如權(quán)利要求2或3所述的增強(qiáng)型等離子體發(fā)光信號(hào)收集器，其特征在于： 所述頂點(diǎn)處設(shè)置光纖探頭。5. 如權(quán)利要求4所述的增強(qiáng)型等離子體發(fā)光信號(hào)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(gè)凸透鏡，另一邊放置窗口或者光收集器。
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及一種增強(qiáng)型等離子體發(fā)光信號(hào)收集器。所述收集器包括一個(gè)橢球面反射鏡以及一個(gè)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(diǎn)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(gòu)成一個(gè)封閉式收集光腔，所述橢球和圓球的交接線垂直于橢球長(zhǎng)軸。該裝置能提高收集立體角，大幅提高光的收集效率，優(yōu)化收集光斑，拉遠(yuǎn)等離子體發(fā)光點(diǎn)與收集光纖探頭距離，減少探頭表面光學(xué)污染，延長(zhǎng)光纖壽命。封閉式收集光腔隔絕外界環(huán)境，可以控制LIPS激發(fā)點(diǎn)所處的環(huán)境。
【IPC分類】G01N21/63
【公開號(hào)】CN204832034
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201520454747
【發(fā)明人】韓麗璇, 高智星, 湯秀章
【申請(qǐng)人】中國(guó)原子能科學(xué)研究院
【公開日】2015年12月2日
【申請(qǐng)日】2015年6月29日