一种基于光纤波导的微区激光探针成分分析仪

摘要

本发明公开了一种基于光纤波导的微区激光探针成分分析仪，包括Nd:YAG激光器、波长可调谐激光器、CCD监控相机、计算机、光栅光谱仪、聚焦物镜、位移平台、数字延时脉冲发生器、增强型CCD；聚焦物镜为反射式聚焦物镜，Nd:YAG激光器和波长可调谐激光器均使用光纤波导进行激光脉冲的传输，并经光纤准直镜准直，扩束镜扩束后进入所述聚焦物镜，由Nd：YAG激光器发射的激光脉冲用于对待分析样品表面微区进行烧蚀产生等离子体，由所述波长可调谐激光器发射的激光脉冲用于在所述等离子体上产生共振激发；光纤的一端用于采集所述等离子体发射的光谱信号，另一端与光栅光谱仪的光纤接口相连。本发明可以实现激光探针对物质微区成分的精确定性与定量分析。

说明书

技术领域

本发明属于成分分析与检测技术领域，具体为一种基于光纤波导的微 区激光探针成分分析仪，主要用于微小区域的物质成分的精确定性与定量 分析。

背景技术

激光探针技术，即激光诱导击穿光谱(Laser-Induced breakdown  Spectroscopy，简称LIBS)技术，是利用高能量激光束轰击被分析物质表 面产生等离子体，通过采集等离子体发射的特征光谱并对其进行分析，进 而得到被分析物质所含元素种类和含量的一种新型的物质成分分析技术。 LIBS技术具有无需样品预处理、多元素同时检测以及可在线、实时检测等 优点，自从诞生至今一直受到广泛的关注。但是由于传统的LIBS技术采用 的激光脉冲能量大(>100mJ)，并且聚焦后的光斑直径大(>100um)， 使得其无法对物质微区元素进行精确的定量和定性分析，导致近年来微区 激光探针技术越来越受到人们的关注。然而，微区激光探针技术目前仍存 在以下两个主要不足：一、检测极限低；二、系统受外界干扰较大，检测 准确度低、稳定性差。

中国专利文献《一种基于双激光光源的激光探针微区成分分析仪》(公 告为CN101782517A，公告日为2010年7月21日)公开了一种基于双激光光 源的激光探针微区成分分析仪。其结构为：固定波长激光器、衰减器、扩 束镜、小孔光阑和第一半透半反镜依次位于同一水平光路上，波长可调谐 激光器通过第二全反镜反射到第一半透半反镜上后与固定波长激光器的激 光束同光路；固定波长激光器和波长可调谐激光器可上下或平行放置，且 通过数字延时发生器控制其开启顺序和延时；由光纤探头接收并通过光纤 传输到光栅光谱仪后至增强型CCD的等离子体光谱采集时间也由数字延时 发生器控制。这种双激光光源激发的激光探针仪探测极限低，元素分析精 度高，元素选择性好，可用于各种物质微区的微量、痕量元素的准确定性 和精确定量分析。但是该装置仍然存在以下几点不足：第一，该装置使用 反射镜和半透半反镜实现两束激光的同轴传输，光路系统复杂，难以对其 进行精确调校，不利于系统的日常维护，且镜片制造难度大，成本较高； 第二，该设备使用反射镜系统将激光束传递到样品表面，光路系统灵活性 差，光束质量受外界噪声和干扰影响大；第三，该设备光路系统是针对某 一特定激光波长设计，设备通用性差，若要使用另外的激光波长，必须对 光路系统进行更换和重新调校，过程繁琐，费时费力。

发明内容

本发明提供了一种基于光纤波导耦合实现同轴激发的微区激光探针成 分分析仪，目的在于实现激光探针对物质微区成分的精确定性与定量分 析。

本发明提供的一种基于光纤波导的微区激光探针成分分析仪，包括 Nd：YAG激光器、波长可调谐激光器、CCD监控相机、计算机、光栅光谱 仪、聚焦物镜、位移平台、数字延时脉冲发生器、增强型CCD；

所述Nd：YAG激光器和波长可调谐激光器安装在光学平台上，聚焦物 镜安装在物镜转换器上，并位于用于安放待分析样品的位移平台的上方；

所述Nd：YAG激光器、波长可调谐激光器和增强型CCD分别与数字延时 脉冲发生器通讯连接；

所述CCD监控相机用于采集待分析样品表面的反射光以实现对待分析 样品表面的同轴监测；增强型CCD与光栅光谱仪电信号连接；

所述计算机分别与CCD监控相机、位移平台和增强型CCD电信号连接；

其特征在于，所述聚焦物镜为工作波段为200nm-1100nm的反射式聚焦 物镜，Nd：YAG激光器和波长可调谐激光器均能够使用工作波段为200 nm-1100nm的光纤进行激光脉冲的传输，并经光纤准直镜准直，扩束镜扩 束后进入所述聚焦物镜，由Nd：YAG激光器发射的激光脉冲用于对待分析 样品表面微区进行烧蚀产生等离子体，由所述波长可调谐激光器发射的激 光脉冲用于在所述等离子体上产生共振激发；光纤的一端称之为采集端、 用于采集所述等离子体发射的光谱信号，另一端与光栅光谱仪的光纤接口 相连。

作为上述技术方案的一种改进，该分析仪还包括工作波段为200 nm-100nm的宽带介质膜反射镜，所述光纤准直器、扩束镜和宽带介质膜反 射镜依次位于第一水平光路上，CCD监控相机、宽带介质膜反射镜和聚焦 物镜依次位于一竖直光路上，宽带介质膜反射镜的反射面与水平光路的夹 角为45度；Nd：YAG激光器的出光口与第一光纤耦合器位于第二水平光路； 波长可调谐激光器的出光口与第二光纤耦合器位于第三水平光路；第一光 纤耦合器、第二光纤耦合器的出射光束均通过传能光纤耦合进入光纤准直 器；所述光纤采集端和光纤准直器与光纤耦合器相连接的一端相连；或者 所述光纤采集端连接有用于采集所述等离子体发出的特征光谱信号的光纤 接头。

作为上述技术方案的进一步改进，该分析仪还包括第四光纤耦合器； 第四光纤耦合器的入光口通过一光纤束与准直镜连接相连，第四光纤耦合 器的出光口位于CCD监控相机的视场内；Nd：YAG激光器的出光口与第一光 纤耦合器位于第二水平光路，光纤耦合器的入光端面与第二水平光路垂直； 波长可调谐激光器的出光口与第二光纤耦合器位于第三水平光路；第一光 纤耦合器、第二光纤耦合器的出射光束均通过光纤耦合进入光纤准直器； 所述光纤的一端和光纤准直器与第二光纤耦合器连接的一端相连。

作为上述技术方案的再进一步改进，该激光探针成分分析仪还包括同 轴照明子系统。所述同轴照明子光路的优选结构包括LED光源和第三光纤 耦合器；LED光源的出光口与第三光纤耦合器位于第四水平光路上，第三光 纤耦合器的出射光束通过光纤束耦合进入光纤准直器。

由于现有微区激光探针设备存在的种种缺点，本发明提供了上述技术 方案，可以实现激光探针对微区成分的精确定性与定量分析。具体而言， 本发明具有以下技术特点：

(1)本发明最突出的技术特点是使用光纤波导实现了两束激光同轴传 输。首先，传统的光路系统都是使用反射镜系统实现两束激光同轴传输， 结构复杂，调校繁琐。使用光纤波导耦合的方法将两束激光耦合进入一根 光纤后同轴传输大大降低了光路系统复杂性，两束激光的光路同轴度也更 高，同轴激发效果更好；其次，光纤波导使微区激光探针分析仪的光路系 统与激光器、光谱仪以及信号控制部分分离，增加了设备的可移动性，减 小了设备的体积和空间占用率。

(2)本发明另一个突出的技术特点是使用光纤波导实现了激光脉冲的 传输。传统的LIBS设备使用的激光脉冲能量较大(脉冲能量>100mJ)，由 于光纤制造工艺的限制，光纤只能传输较低能量(脉冲能量<50mJ)的激 光脉冲，因此传统的LIBS设备都是使用反射镜系统将高能激光束传输到样 品表面，光路传输系统可移动性差，对准繁琐，限制了LIBS技术在原位、 实时分析中的使用。而微区LIBS技术中使用的激光脉冲能量在1mJ以下， 远低于光纤的损伤阈值，因此完全可以使用光纤将激光脉冲传递到样品表 面，增强了光路系统的灵活度，节约了检测现场对光路进行对准和调校的 时间，使利用LIBS技术进行原位、实时分析成为可能；其次，光纤波导能 够将激光约束在光纤的芯径内部传输，减小了激光的发散角，提高了光束 质量，降低了外界环境波动和噪声干扰对激光的影响，同时也可避免激光 偏出光路对人体造成伤害。

(3)本发明第三个突出的技术特点是光路系统使用大带宽光纤、宽带 介质膜反射镜和反射式聚焦物镜，工作带宽大，通用性强，更为重要的是 可以实现同轴激发和光谱的同轴采集。传统的LIBS设备中光路系统的反射 镜和聚焦物镜都是针对某一固定的激光波长，但是在实际应用为了得到最 佳的检测效果，对不同的待测样品必须使用与之相应最佳激光波长。若要 更换反射镜及聚焦物镜，经常要耗费大量的时间和精力才能完成相应元件 的更换和光路校准，过程繁杂，效率低下。本发明使用的光纤、宽带介质 膜反射镜和聚焦物镜其工作波段为200nm-1100nm，完全覆盖了系统使用的 Nd：YAG脉冲激光器(四个输出波长分别为266nm、355nm、532nm和1064 nm)和输出波长可调谐激光器的输出频段，在检测不同的样品时，只需直 接改变激光器的输出波长，光路系统不用做任何改变，大大节约了调校光 路花费的时间，增强了设备的稳定性和光路的可重复性，降低了后期使用 过程中设备的维护成本。

综上所述，与目前的微区激光探针设备相比较，本发明具有如下技术 优势：

第一，使用光纤波导耦合实现两束激光的同轴传输降低了光路系统的 复杂性，使设备的光路部分与其他模块分离，实现系统的柔性化设计，减 小了设备的体积，增加了设备的可移动性；第二，使用光纤实现激光脉冲 的传输增加了光路系统的灵活度，降低了外界噪声和干扰对光束质量的影 响，提高了光束质量；第三，光路系统具有宽工作带宽，通用性强，减少 了更换光路中相应元件和重新对光路进行对准的时间，增强了设备的稳定 性和光路的可重复性，降低了后期使用过程中设备的维护成本。

本发明可替代现有的微区激光探针成分分析仪进行物质微区成分定性 和精确定量分析，可以应用于材料科学与工程、机械制造、冶金、石油化 工、生物工程、电子工程、核物理、农业和安全检测等诸多领域。

附图说明

图1为本发明激光探针微区成分分析仪的第一种具体实施方式的结构 示意图；

图2为本发明激光探针微区成分分析仪的第二种具体实施方式的结构 示意图；

图3为本发明激光探针微区成分分析仪的第三种具体实施方式的结构 示意图；

其中，1.Nd：YAG激光器；2.波长可调谐激光器；3.LED光源；4.光 学平台；5.第一光纤耦合器；6.第二光纤耦合器；7.第三光纤耦合 器；8.数据线；9.光纤准直镜；10.扩束镜；11.CCD监控相机；12.宽 带介质膜反射镜；13.物镜转换器；14.聚焦物镜；15.位移平台；16. 计算机；17.光栅光谱仪；18.数字延时脉冲发生器；19.千兆网线；20. 增强型CCD；21.控制电缆；22.控制电缆；23.控制电缆；24.控制电 缆；25.光纤；26.光纤束；27.传能光纤；28.传能光纤；29.基台； 30.第一工作台；31.第二工作台；32.样品；33.显示器；34.光纤 接头；35.第四光纤耦合器；36.光纤束。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明 的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发 明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特 征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，第一种具体实施方式提供的激光探针仪包括Nd：YAG激光 器1、波长可调谐激光器2、LED光源3、光学平台4、第一光纤耦合器5、 第二光纤耦合器6、第三光纤耦合器7、数据线8、光纤准直镜9、扩束镜 10、CCD监控相机11、宽带介质膜反射镜12、物镜转换器13、聚焦物镜14、 位移平台15、计算机16、光栅光谱仪17、数字延时脉冲发生器18、增强 型CCD20、基台29、第一工作台30和第二工作台31。

Nd：YAG激光器1的出光口与第一光纤耦合器5位于同一水平光路，光 纤耦合器5的入光端面与水平光路垂直；

波长可调谐激光器2的出光口与第二光纤耦合器6位于同一水平光路， 光纤耦合器6的入光端面与水平光路垂直；

LED光源3的出光口与第三光纤耦合器7位于同一水平光路，光纤耦合 器7的入光端面与水平光路垂直；

第一光纤耦合器5、第二光纤耦合器6和三光纤耦合器7的出射光束分 别通过传能光纤28、传能光纤27和光纤束26耦合进入光纤准直器9；

光纤25的一端与光纤准直器9的入口端，光纤25的另一端与光栅光 谱仪17相连接，光栅光谱仪17与增强型CCD20连接，增强型CCD20通过 数据线8计算机16连接；光栅光谱仪17可以采用中阶梯光栅光谱仪。

光纤准直器9、扩束镜10和宽带介质膜反射镜12依次位于同一水平光 路，宽带介质膜反射镜12的反射面与水平光路的夹角为45度；

CCD监控相机11、宽带介质膜反射镜12和聚焦物镜13依次位于同一 竖直光路，CCD监控相机11通过千兆网线19与计算机16相连，宽带介质 膜反射镜12的反射面与竖直光路的夹角为45度；

聚焦物镜14安装在物镜转换器13上，物镜转换器13采用带多个安装 孔的转接盘，每个安装孔上均安装一个不同放大倍率的聚焦物镜；

位移平台15为三维高精度位移平台，它位于聚焦物镜14的正下方， 通过控制电缆24与计算机16相连接，位移平台15置于工作台30上；

Nd：YAG激光器1、波长可调谐激光器2和增强型CCD20分别通过控制 电缆22、控制电缆23和控制电缆21与数字延时脉冲发生器18相连接；

Nd：YAG激光器1的主要作用是发射高能激光脉冲在样品32微区激发出 等离子体，波长可调谐激光器2的主要作用是对Nd：YAG激光器1激发出的 等离子体进行共振激发，大幅度增强特征光谱信号强度，排除其他元素等 离子体信号的干扰；

LED光源3的作用是发射照明光束，对样品表面进行同轴照明，增加样 品表面亮度，使同轴监测效果更好；

光纤准直器9用于对Nd：YAG激光器1、波长可调谐激光器2和LED光 源3的输出光束进行准直，减小其发散角；

扩束镜10将经过准直镜9准直后的光束进行扩束，以充分利用聚焦物 镜14通光口径，使聚焦后的光斑更小，提高设备的横向分辨率；

宽带介质膜反射镜12的主要功能有：一、将扩束后的高能激光束的方 向转折90度后垂直入射到聚焦物镜；二、使样品表面的照明光线部分透过 后进入CCD监控相机11；三、将等离子体发射出的特征光谱信号反射后反 方向通过扩束镜10进入光纤25；

CCD监控相机11要作用：和聚焦物镜14实现对样品表面微区的实时监 测，通过使用不同放大倍率的聚焦物镜14改变监测系统的放大倍率。

聚焦物镜14采用反射式聚焦物镜，其主要功能有：一、对样品32的 微区形貌进行放大；二、将高能激光束聚焦到样品32的表面；三、将LED 光源3发出的照明光束聚焦到监控区域；四、将等离子体发射的光谱信号 准直后沿竖直光路反向传输到宽带介质膜反射镜12反射后进入光纤器9耦 合进光纤25，以对光谱信号进行采集；

光栅光谱仪17的作用是将采集到的光谱信号分解为各种元素的特征谱 线，增强型CCD20的作用是将光栅光谱仪17分解后的光谱强度进行放大， 同时控制等离子体信号的采集时间；

数字延时脉冲发生器18主要用于控制Nd：YAG激光器1和波长可调谐 激光器2出射光束的延迟时间，同时控制增强型CCD20采集光谱的延迟时 间；

计算机16内部同时集成了光谱分析软件、同轴监测控制软件和位移平 台控制软件，具有在线监测、寻找元素谱峰、定性分析和定量分析的功能；

上述结构的微区激光探针成分分析仪的具体操作步骤如下：

1.首先将要分析的样品32表面磨平和抛光，然后将被分析样品32放 置在位移平台15上，打开LED光源3，该光源发出的光束依次通过光纤耦合 器7耦合进入光纤束26，光纤准直镜9准直，扩束镜10扩束，然后经宽带介 质膜反射镜12反射后通过聚焦物镜14聚焦到被分析样品32表面微区进行照 明。通过CCD监控相机11和聚焦物镜14观察样品32微区表面，控制位移平 台15在X、Y、Z3个方向的移动将样品32移到视野中央，并使样品32表面与 聚焦物镜14的焦面重合以达到最佳监测效果。

2.根据分析样品的种类和性质，确定所需的激光波长，开启Nd：YAG 激光器1，调节激光器实现所需波长输出(Nd：YAG激光器1可以实现266 nm、355nm、532nm或1064nm四种波长的激光输出)，该激光器1发射出 的高能激光束依次通过第一光纤耦合器5耦合进入传能光纤28，光纤准直 镜9准直，扩束镜10扩束，然后经宽带介质膜反射镜12反射后通过聚焦物 镜14聚焦到被分析样品32表面，对样品32表面微区进行烧蚀产生等离子 体。

3.经过预先设定的延时时间，数字延时脉冲发生器18发出一个触发 信号触发波长可调谐激光器2，然后波长可调谐激光器2输出某一设定波长 的激光束，该激光束依次通过第二光纤耦合器6耦合进入传能光纤27，光 纤准直镜9准直，扩束镜10扩束，然后经宽带介质膜反射镜12反射后通过 聚焦物镜14聚焦到已经产生的等离子体上产生共振激发。

4.共振激发后等离子体发出的特征光谱信号通过聚焦物镜14后变为 平行光束，经宽带介质膜反射镜12反射后由反向进入扩束镜10，经过扩束 镜10将光束直径压缩后进入光纤准直镜9，然后耦合进光纤25传输到光栅 光谱仪17。

5.光栅光谱仪17对接收到的特征光谱信号进行分解，将分解后的光 谱信号传送到增强型CCD20，增强型CCD20以设定好的门宽和延时对光谱信 号进行采集，并把采集到的光谱信号进行放大并转化为电信号通过数据线 传输到计算机16。

6.计算机16通过自带的光谱分析软件对采集到的光谱信号进行定性 和定量分析，并显示在计算机16的屏幕上。

7.通过上述步骤就完成对样品表面选定微区的高精度定性和定量分 析，控制位移平台15的移动可以将样品32表面的不同区域移动到聚焦物镜 14的焦点处，实现对样品32表面不同区域的成分分析。

本发明还可以采用图2所示的实施方式，其与图1所示的结构主要区别 在于光纤25的空间位置不同，另外为保护光纤不受污染，在光纤的采集光 谱的一端安装了光纤接头34。具体为将光纤25安装光纤接头34的一端移动 到样品表面上方的某一位置，实现对等离子体发射的特征谱线的旁轴采 集。

另外为了简化结构，我们还可以采用图3所示的结构，其与图1和图2 的主要区别在于图3采用了全光纤化的光路系统，去掉了图1和图2所示结 构中的宽带介质膜反射镜12，直接通过光纤波导将Nd：YAG激光器1、波长 可调谐激光器2和LED光源3发射的光束转折后垂直地传送到样品32的表 面，光纤束36的一端与准直镜9连接，另一端与第四光纤耦合器35相连， 第四光纤耦合器35的出光口位于CCD监控相机11的视场内，这样就可以通 过光纤束36将样品32表面的反射光通过光纤耦合的方式传输到CCD监控相 机11，实现对样品32表面的同轴监测。

总之，本发明可以对物质微区成分进行高精度检测和分析。首先，由 于使用光纤波导耦合实现两束激光的同轴传输，降低了光路系统的复杂 性，使设备的光路部分与其他模块分离，实现系统的柔性化设计，减小了 设备的体积，增加了设备的可移动性；其次，使用光纤实现激光脉冲的传 输增加了光路系统的灵活度，降低了外界噪声和干扰对光束质量的影响， 提高了光束质量；最后，光路系统具有宽工作带宽，通用性强，减少了更 换光路中相应元件和重新对光路进行对准的时间，增强了设备的稳定性和 光路的可重复性，降低了后期使用过程中设备的维护成本。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施 例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等 效或修改，都落入本发明保护的范围。