基于激光诱导击穿光谱手持式固体废弃物重金属探测探头

摘要

本发明公开了一种基于激光诱导击穿光谱手持式固体废弃物重金属探测探头，包括有壳体，在壳体的右端安装有激光器发射头，在激光器发射头的左侧光路上依次设置有会聚透镜和离轴抛物面镜，在会聚透镜左边的壳体上开有缺口，在缺口的正左边设有待测样品，在离轴抛物面镜的正下方依次设置有平面镜和分离透镜组，在离轴抛物面镜和平面镜上均镀有宽带介质膜，在分离透镜组的正下方壳体上设有光纤端头，在所述的平面镜的右侧依次设置有双胶合透镜和毛玻璃。本发明对距离其400mm以外的待测点进行探测，避免了探头与固体废弃物的直接接触，保护了系统和操作者的安全，集成度高、体积小、重量轻、外形似手枪，方便携带和操作，并且成本低、易于实现。

说明书

技术领域

    本发明涉及环境光学检测技术领域，尤其涉及一种基于激光诱导击穿光谱手持式固体废弃物重金属探测探头。

背景技术

目前，激光诱导击穿光谱技术已广泛应用于各个相关领域。其在工业排放固体废弃物重金属探测中也得到了一定的应用。但是，现有的基于激光诱导击穿光谱的工业固体废弃物重金属探测仍以现场采样、实验室分析方法为主，无论其光学系统、所采用光谱仪还是计算机控制系统，体积都较大且笨重，只能从现场取回废弃物样品并加工后才能用于探测。目前能够进行现场原位探测的小巧、轻便的工业固体废弃物重金属探测系统还很少。即使已经出现了基于激光诱导击穿光谱的光学探头，但这些探头使用时大多要求探头与样品直接接触，不可避免的会使系统甚至是操作者受到废弃物的污染。因此，这些探头也不适用于固体废弃物重金属的现场探测。随着工业生产的发展，工业废弃物数量日益增加。尤其是冶金、火力发电等工业排放量最大。工业废弃物数量庞大，种类繁多，成分复杂，处理相当困难。工业废弃物消极堆存不仅占用大量土地，造成人力物力的浪费，而且许多工业废渣含有易溶于水的物质，通过淋溶可能会污染土壤、水体、生物体以至于威胁到人类自身的健康。因而出于对工业固体废弃物处理的考虑，必须要了解工业固体废弃物中重金属的种类和含量，这将有利于对工业固体废弃物的处理和再利用。

发明内容

本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种基于激光诱导击穿光谱手持式固体废弃物重金属探测探头。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于激光诱导击穿光谱手持式固体废弃物重金属探测探头，包括有壳体，在壳体的右端安装有激光器发射头，在激光器发射头的左侧光路上依次设置有会聚透镜和离轴抛物面镜，在会聚透镜左边的壳体上开有缺口，缺口左边400mm处设有待测样品，在离轴抛物面镜的正下方依次设置有平面镜和分离透镜组，在所述的离轴抛物面镜和平面镜上均镀有宽带介质膜，在分离透镜组的正下方壳体上设有光纤端头，在所述的平面镜的右侧依次设置有双胶合透镜和毛玻璃，待测样品上的待测点所发出的可见光射向所述的离轴抛物面镜，可见光通过离轴抛物面镜转折并准直入射到所述的平面镜上，可见光通过平面镜反射到所述的双胶合透镜上，通过双胶合透镜成像到所述的毛玻璃上，通过激光器发射头发出脉冲激光，脉冲激光通过会聚透镜会聚并作用到待测样品表面，将待测样品激发成等离子体并发射等离子体光谱，等离子体光谱通过离轴抛物面镜转折并准直，透过所述的平面镜入射到所述的分离透镜组上，通过分离透镜组会聚并耦合进入所述的光纤端头。

所述的会聚透镜光学材料为K9；所述的分离透镜组的光学材料均为FK51；所述的双胶合透镜的两片透镜的光学材料分别为K9和ZF2。

所述的光纤端头的纤芯直径为1mm，使得等离子体光谱信号可以全部被耦合进入光纤，信号耦合效率高。

本发明的优点是：本发明对距离其400mm以外的待测点进行探测，避免了探头与固体废弃物的直接接触，同时由于待测点距离较远，也防止了探测时样品表面的溅射对探头的污染，保护了系统和操作者的安全；光学探头中引入瞄准光路，通过胶合透镜组将待测点成像到毛玻璃上，在探头与固体废弃物相距400mm的情况下，协助操作者对待测点进行瞄准，保证了探测的精确度；集成度高、体积小、重量轻、外形似手枪，方便携带和操作，并且成本低、易于实现。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为等离子体发射的光信号经过离轴抛物面镜折转、准直，再经过分离透镜组会聚后在光纤端头处的点列图。

图3为不同视场物点子午光束与弧矢光束的调制光学传递函数曲线。

图4为三种不同空间线密度下（分别为10CY/MM,20CY/MM,30CY/MM），调制光学传递函数值关于视场的曲线。

具体实施方式

如图1所示，一种基于激光诱导击穿光谱手持式固体废弃物重金属探测探头，包括有壳体10，在壳体10的右端安装有激光器发射头1，在激光器发射头1的左侧光路上依次设置有会聚透镜2和离轴抛物面镜3，在会聚透镜2左边的壳体10上开有缺口11，缺口11左边400mm处设有待测样品4，在离轴抛物面镜3的正下方依次设置有平面镜5和分离透镜组7，在所述的离轴抛物面镜3和平面镜5上均镀有宽带介质膜，在分离透镜组7的正下方壳体10上设有光纤端头9，在所述的平面镜5的右侧依次设置有双胶合透镜6和毛玻璃8，待测样品4上的待测点所发出的可见光射向所述的离轴抛物面镜3，可见光通过离轴抛物面镜3转折并准直入射到所述的平面镜5上，可见光通过平面镜5反射到所述的双胶合透镜6上，通过双胶合透镜6成像到所述的毛玻璃8上，通过激光器发射头1发出脉冲激光，脉冲激光通过会聚透镜2会聚并作用到待测样品表面，将待测样品激发成等离子体并发射等离子体光谱，等离子体光谱通过离轴抛物面镜3转折并准直，透过所述的平面镜5入射到所述的分离透镜组7上，通过分离透镜组7会聚并耦合进入所述的光纤端头9。

所述的会聚透镜2光学材料为K9；所述的分离透镜组7的光学材料均为FK51；所述的双胶合透镜6的两片透镜的光学材料分别为K9和ZF2。

所述的光纤端头9的纤芯直径为1mm，使得等离子体光谱信号可以全部被耦合进入光纤，信号耦合效率高。

固体废弃物重金属激光诱导击穿光谱特征谱线一般在300~500nm之间。在离轴抛物面镜3上镀有宽带介质膜，其对300~800nm范围内具有高反射率，而对激光入射波长，即1064nm处具有高透过率；平面平面镜5上镀有宽带介质膜，其对300~500nm范围内具有高透过率，对500~800nm范围内具有高反射率；小型激光器发射头1长小于11cm，宽小于3cm，高小于4cm，重量小于100克；会聚透镜2光学材料为K9；分离透镜组7的光学材料均为FK51；双胶合透镜6的两片透镜分别为K9和ZF2。探头对400mm外的样品进行重金属探测。会聚透镜2将激光器发射头1发射出的脉冲激光会聚并作用到待测样品表面，将待测样品激发成等离子体，并发射等离子体光谱；等离子体光谱信号通过离轴抛物面镜3被转折并高度准直，透过平面镜5，由分离透镜组7会聚并耦合进入光纤端头9；采用光纤端头9的纤芯直径为1mm，数值孔径为0.24；待测样品4上待测点发出的可见光通过离轴抛物面镜3转折并高度准直，再通过平面镜5转折，最后通过双胶合透镜6成像到毛玻璃8上。样品待测点入射到离轴抛物面镜3处的光束数值孔径为0.1，双胶合透镜6和分离透镜组7的孔径均为40mm，分别保证了毛玻璃8上可见光照度和光纤端头9处的等离子体信号光照度。操作者在探测前，先选定待测点，然后对待测点进行瞄准，当观察者在毛玻璃8上看到待测点清晰的像时，整个系统即已对待测点瞄准。此时，待测点距离探头400mm，且位于发射光路、等离子体信号光收集光路以及待测点瞄准光路的光轴上，操作者即可对该点进行探测。等离子体信号光经离轴抛物面镜3和分离透镜组7后，其光束数值孔径为0.22，小于选用光纤的数值孔径0.24，光纤端头9处的光斑直径小于1mm，如图2所示。离轴抛物面镜3、平面镜5和双胶合透镜6组成的瞄准光路为目视光学系统，由于眼睛在明视距离250mm外观察毛玻璃8，确定该目视光学系统的空间极限分辨率为13.7lp/mm，该系统的调制光学传递函数如图3、4所示，图3为不同视场物点子午光束与弧矢光束的调制光学传递函数曲线，横坐标为空间线密度，纵坐标为调制光学传递函数值，图4为三种不同空间线密度下（分别为10CY/MM,20CY/MM,30CY/MM），调制光学传递函数值关于视场的曲线，横坐标为视场角，纵坐标为调制光学传递函数值，各波长和各视场在13.7lp/mm处的调制光学传递函数值均大于目视光学系统的调制光学传递函数阈值，即0.05。