一种远程激光诱导等离子体光谱探测方法

摘要

本发明公开了一种远程激光诱导等离子体光谱探测方法，它包含了连续激光测距、强脉冲激光远程聚焦和等离子体光谱远程采集三个子系统及基于该三个子系统的探测方法。其中连续激光测距子系统采用相位法测量发射光学天线与待测目标点的距离,并计算得到强脉冲激光远程聚集子系统中望远光学组件与待测目标点的距离和偏移角度(即为望远光学组件远程物方焦点坐标)。本发明的特点是通过测量目标待测点的距离和偏移角度，以实现脉冲激光的远程聚集，能进行远程物质的精确在线元素分析，结构简单、测量速度快、效率高,适合在人类无法进入的具有毒、强污染、强辐射区域的物质的元素成分及含量探测。

说明书

技术领域

本发明涉及一种元素分析方法，尤其涉及一种远程激光诱导等离子光谱探测方法, 能进行远程物质的精确在线元素分析，适合对人类无法进入的具有毒、强污染、强辐射区域的物质的元素成分及含量进行自动探测。

背景技术

激光诱导等离子体光谱探测技术是利用脉冲激光器发出脉冲激光，经过反射镜和透镜，聚焦到样品，产生高能量的脉冲激光，使样品烧蚀、蒸发、激发和电离化后形成高温、高压、高电子密度的等离子体火花，辐射出包含原子和离子特征谱线的光谱,可用于探测物质的元素组成及含量。

在一些人类无法进入(例如有毒、强污染、强辐射)的区域,一般的激光诱导击穿光谱探测方法无法满足远程聚焦和收集等离子体光谱的要求。而目前的远程激光诱导等离子体光谱探测方法中,大部分利用光纤远程传输高能量脉冲激光，用同一光纤传输等离子体光谱，因此对光纤性能要求很高，而且很不灵活。

本发明针对激光诱导等离子体光谱的远程探测存在的问题，提出了一种集连续激光测距，脉冲激光远程聚焦和等离子体光谱远程采集于一体的方法,可用于进行远程物质的精确在线元素分析，适合对人类无法进入的具有毒、强污染、强辐射区域的物质的元素成分及含量进行探测。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种远程激光诱导等离子体光谱探测方法，以解决现有的远程元素分析方法中存在的问题，该方法集连续激光测距，脉冲激光远程聚焦和等离子体光谱远程采集于一体, 可用于进行远程物质的精确在线元素分析，适合对人类无法进入的具有毒、强污染、强辐射区域的物质的元素成分及含量进行探测。

本发明是这样来实现的，通过激光调制单元对连续激光器进行调制，可输出强度以一定频率正弦变化的连续激光, 调制后的激光一部分透射经过半反半透镜后, 经过发射光学天线传输到远程待测目标; 另一部分激光被半反半透镜反射到鉴相器. 经发射光学天线到达远程待测目标的某一待测点后, 反射回来的激光信号由接收光学天线收集到光电探测单元并被其传感，经过放大电路信号放大之后进入鉴相器, 并与调制激光被半反半透镜反射到鉴相器的激光信号进行相位比较，并根据相位法激光测距原量计算出发射光学天线和目标待测点的距离. 然后计算得到强脉冲激光远程聚集子系统中望远光学组件与目标待测点的距离和偏移角度 (即为望远光学组件远程物方焦点坐标). 该焦点坐标经光学透镜组焦点计算公式可转换为望远光学组件的凹透镜组与凸透镜组的三轴相对位移量，步进驱动微控制组件实现以上计算并利用步机电机驱动对镜头组进行精确相对位移调节, 以匹配远程焦点坐标.脉冲激光器发射脉冲激光，经过带孔反射镜进入扩束准直组件，然后进入用于远程聚焦的望远光学组件. 由于望远光学组件经步进驱动微控制组件已实现了远程焦点匹配, 因此脉冲激光可准确聚焦到远程待测目标某一待测点, 然后激发产生等离子体光谱，等离子体光谱信号反射回来，经望远光学组件及扩束准直组件后, 被带孔反射镜反射进入光谱采集光学组件, 经内部的凸面镜组反射会聚出射, 再经耦合透镜聚焦进入微型光谱仪. 微型光谱仪与计算机连接, 通过相关光谱分析软件可显示光谱图, 并进行在线实时定性定量分析。 

    移动连续激光测距子系统, 可选择远程待测目标表面不同目标点, 通过以上步骤可探测不同目标点的元素组成及含量。

   本发明的优点是：通过测量目标待测点的距离和偏移角度，以实现脉冲激光的远程聚集, 能进行远程物质的精确在线元素分析，结构简单、测量速度快、效率高, 适合对人类无法进入的具有毒、强污染、强辐射区域的物质的元素成分及含量进行探测。

附图说明

     图1为本发明的原理图。

在图中，1、激光调制单元 2、连续激光器 3、半反半透镜 4、鉴相器 5、放大电路 6、光电探测单元 7、接收光学天线 8、发射光学天线  9、脉冲激光器 10、带孔反射镜  11、扩束准直组件 12、望远光学组件 12-1、凹透镜组12-2、凸透镜组13、步进驱动微控制组件 14、光谱采集光学组件 15、耦合透镜 16、微型光谱仪 17、计算机 18、待测目标。

具体实施方案

     如图1所示，本发明所采用的探测装置包括连续激光测距、脉冲激光远程聚焦和等离子体光谱远程采集三个子系统。其中连续激光测距子系统由激光调制单元1，连续激光器2，半反半透镜3，鉴相器4，放大电路5，光电探测单元6，接收光学天线7和发射光学天线8组成.脉冲激光远程聚集子系统由脉冲激光器9，带孔反射镜10，扩束准直组件11，望远光学组件12和步进驱动微控制组件13组成; 其中望远光学组件12又由凹透镜组12-1和凸透镜组12-2组成. 等离子体光谱远程采集子系统由光谱采集光学组件14,耦合透镜 15,微型光谱仪16和计算机17组成。

本发明是这样实现的，通过激光调制单元1对连续激光器2(波长532nm)进行调制，可输出强度以一定频率正弦变化的连续激光, 调制后的激光一部分透射经过半反半透镜3后, 经过发射光学天线8传输到远程待测目标18; 另一部分激光被半反半透镜3反射到鉴相器4. 经发射光学天线8到达远程待测目标18的某一待测点后, 反射回来的激光信号由接收光学天线7收集到光电探测单元6并被其传感，经过放大电路5信号放大之后进入鉴相器4, 并与调制激光被半反半透镜3反射到鉴相器4的激光信号进行相位比较，并根据相位法激光测距原量计算出发射光学天线8和目标待测点的距离l₂。

望远光学组件12与发射光学天线8之间的水平距离为l₁; 望远光学组件12轴线与发射光学天线8、接收光学天线7中心线之间的垂直距离为l₃. 则有

即可计算得到强脉冲激光远程聚集子系统中望远光学组件12与目标待测点的距离l和偏移角度f (即为望远光学组件远程物方焦点坐标). 该焦点坐标经光学透镜组焦点计算公式可转换为望远光学组件12的凹透镜组12-1与凸透镜组12-2的三轴相对位移量Dx、Dy和Dz，步进驱动微控制组件13实现以上计算并利用步机电机驱动对镜头组进行精确相对位移调节, 以匹配远程焦点坐标.脉冲激光器9发射脉冲激光(波长1064nm, 脉宽为ns数量级, 功率大于150mJ)，经过带孔反射镜10进入扩束准直组件11，然后进入用于远程聚焦的望远光学组件12. 由于望远光学组件12经步进驱动微控制组件13已实现了远程焦点匹配, 因此脉冲激光可准确聚焦到远程待测目标18某一待测点, 然后激发产生等离子体光谱，等离子体光谱信号反射回来，经望远光学组件12及扩束准直组件11后, 被带孔反射镜10反射进入光谱采集光学组件14, 经内部的凸面镜组反射会聚出射, 再经耦合透镜15聚焦进入微型光谱仪16. 微型光谱仪16与计算机17连接, 通过相关光谱分析软件可显示光谱图, 并进行在线实时定性定量分析。

    移动连续激光测距子系统, 可选择远程待测目标18表面不同目标点, 通过以上步骤可探测不同目标点的元素组成及含量。