一种发射光谱采集装置、时间分辨光谱采集系统及方法

摘要

本申请实施例公开了一种发射光谱采集装置、时间分辨光谱采集系统及方法，所述装置包括支撑架，准直单元，分光单元，第一光谱采集组件，所述第一收集透镜用于将第一光束聚焦耦合至第一光纤光谱仪，获得第一等离子体发射光谱；第二光谱采集组件，所述第二光谱采集组件用于将第二光束聚焦耦合至第二光纤光谱仪，获得第二等离子体发射光谱。在本申请实施例中，由于激光诱导击穿产生等离子体是一个瞬态过程，双光纤光谱仪时间差分采集，弥补了单个光纤光谱仪，在采集同一个等离子体的时间分辨光谱时时间门宽太大的问题，利用两个光纤光谱仪得到的等离子体光谱相减，可以间接地得到等离子体在微秒量级时间间隔下的时间分辨光谱。

说明书

技术领域

本申请涉及光谱采集技术领域，特别是涉及一种发射光谱采集装置、时间分辨光谱采集系统及方法。

背景技术

激光诱导击穿光谱(Laser Induced Breakdown Spectroscopy，LIBS)技术是指通过超短脉冲激光聚焦样品表面形成等离子体，进而对等离子体发射光谱进行分析以确定样品的物质成分及含量。近年来，随着LIBS技术在进行物质元素分析中的应用的完善发展，使得检测限低、快速原位、实时在线、多种元素同时检测的物质成分分析得以实现，这些都依赖于激光诱导等离子体自身辐射中可以代表粒子特性的线状谱线。目前对未知领域极端环境下的原位探测成为LIBS系统研发的热点，这些环境包括外太空行星探测、深海环境探测等。这类环境探测对LIBS要求较高，例如稳定性、小型化等。

激光诱导等离子体是瞬态过程，为研究等离子体时间分辨光谱和区分辐射光谱中的离子、原子和分子辐射，通常需要装配有可以实现门控设备的光栅光谱仪来完成。目前，该类型设备可完成纳秒量级的光学门宽采集，尽管性能优越，但设备造价很高，而且如果想在极端环境下实现原位探测其稳定性难以保证。除此之外，相关技术中一种利用PMT+Boxcar组合系统探测等离子体时间分辨光谱的方案，可以探测到等离子体在不同延时下的时间分辨光谱信号，可以清晰的分析出等离子体发射光谱的时间分辨特性，但是PMT是点或线测量，只能读取分立的谱线，每个元素对应一个PMT，谱线是单一波长的接收，选择分析谱线大大受限，元素越多PMT越多，由于物理空间的限制，后续增加基体的话较为不方便，费用相对较高。另外，目前对于LIBS信号的采集一般依赖于光纤光谱仪，其虽然可以完成毫秒量级门宽下LIBS信号的采集，但是由于门宽不可控，以及仍然达不到微秒量级门宽，所以在研究等离子体时间分辨光谱方面的能力是相对有限的。

因此，现有技术中等离子体时间分辨光谱采集设备存在价格昂贵，结构复杂，稳定性较差的问题。

发明内容

本申请实施例中提供了一种发射光谱采集装置、时间分辨光谱采集系统及方法，以利于解决现有技术中等离子体时间分辨光谱采集设备价格昂贵、结构复杂和稳定性较差等问题。

第一方面，本申请实施例提供了一种等离子体发射光谱采集装置，包括：

支撑架，所述支撑架包括沿第一方向设置的第一支架和沿第二方向设置的第二支架，所述第一支架和所述第二支架垂直设置；

准直单元，所述准直单元设置在所述第一支架上，用于将激光诱导击穿产生的等离子体发射光准直为与所述第一方向平行的光束；

分光单元，所述分光单元设置在所述第一支架和所述第二支架的交叉位置，用于将所述光束平分为第一光束和第二光束，所述第一光束沿所述第一方向传播，所述第二光束沿所述第二方向传播；

第一光谱采集组件，所述第一光谱采集组件包括设置在所述第一支架上的第一收集透镜和第一光纤光谱仪，所述第一收集透镜用于将所述第一光束聚焦耦合至所述第一光纤光谱仪，获得第一等离子体发射光谱；

第二光谱采集组件，所述第二光谱采集组件包括设置在所述第二支架上的第二收集透镜和第二光纤光谱仪，所述第二收集透镜用于将所述第二光束聚焦耦合至所述第二光纤光谱仪，获得第二等离子体发射光谱。

优选地，所述第一支架上设有第一同轴调整精密镜架和第二同轴调整精密镜架，所述第一同轴调整精密镜架和所述第二同轴调整精密镜架分别设置在所述分光单元的两侧；和/或，

所述第二支架上设有第三同轴调整精密镜架。

优选地，所述第一光谱采集组件包括设置在所述第一支架上的第一收集镜架，所述第一收集透镜设置在所述第一收集镜架内；和/或，

所述第二光谱采集组件包括设置在所述第二支架上的第二收集镜架，所述第二收集透镜设置在所述第二收集镜架内。

优选地，所述第一光谱采集组件包括设置在所述第一支架上的第一套筒，所述第一套筒用于去除所述第一光束的杂光干扰；和/或，

所述第二光谱采集组件包括设置在所述第二支架上的第二套筒，所述第二套筒用于去除所述第二光束的杂光干扰。

优选地，所述准直单元为准直透镜。

优选地，所述分光单元包括分光片或棱镜。

第二方面，本申请实施例提供了一种等离子体时间分辨光谱采集系统，包括：第一方面任一项所述的等离子体发射光谱采集装置、数字信号发生器和上位机；

所述数字信号发生器用于分别设置所述第一光纤光谱仪和所述第二光纤光谱仪触发信号延时时间，且所述第一光纤光谱仪和所述第二光纤光谱仪的触发信号延时时间不同；

所述上位机用于对所述第一等离子体发射光谱和所述第二等离子体发射光谱进行差值计算，获得等离子体时间分辨光谱。

优选地，所述第一光纤光谱仪和所述第二光纤光谱仪的触发延时时间差为0.5μs-1.5μs。

第三方面，本申请实施例提供了一种等离子体时间分辨光谱采集方法，采用第二方面任一项所述的系统，所述方法包括：

设置触发信号延时，分别设置所述第一光纤光谱仪和所述第二光纤光谱仪触发信号延时时间，其中，所述第一光纤光谱仪和所述第二光纤光谱仪的触发信号延时时间不同；

分别通过所述第一光纤光谱仪和所述第二光纤光谱仪进行光谱采集，获得第一等离子体发射光谱和第二等离子体发射光谱；

对所述第一等离子体发射光谱和第二等离子体发射光谱进行差值计算，获得等离子体时间分辨光谱。

优选地，所述第一光纤光谱仪和所述第二光纤光谱仪的触发延时时间差为0.5μs-1.5μs。

采用本申请实施例提供的技术方案进行等离子体时间分辨光谱采集具备以下优点：

1)由于激光诱导击穿产生等离子体是一个瞬态过程，双光纤光谱仪时间差分采集，弥补了单个光纤光谱仪，在采集同一个等离子体的时间分辨光谱时时间门宽太大的问题，利用两个光纤光谱仪得到的等离子体光谱相减，可以间接地得到等离子体在微秒量级时间间隔下的时间分辨光谱。

2)利用双光纤光谱仪代替了利用装配有价格昂贵的ICCD的光栅光谱仪研究等离子体的时间分辨特性，而且避免使用稳定性差的设备来完成等离子体光谱原位探测，弥补了相对恶劣环境下稳定性差影响数据准确性的缺陷。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种等离子体时间分辨光谱采集系统的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的一种等离子体时间分辨光谱采集系统的时序控制示意图；

图3为本申请实施例提供的一种等离子体时间分辨光谱采集系统的光路示意图；

图4为本申请实施例提供的一种等离子体时间分辨光谱采集方法流程示意图；

图中的符号表示为：1-第一同轴调整精密镜架，2-第二同轴调整精密镜架，3-第二套筒，4-第二收集镜架，5-第二光纤，6-第二光纤光谱仪，7-分光单元，8-第三同轴调整精密镜架，9-支撑架，10-第一套筒，11-第一收集镜架，12-第一光纤，13-第一光纤光谱仪，14-数字信号发生器，15-准直透镜，16-第二收集透镜，17-第一收集透镜。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

参见图1，为本申请实施例提供的一种等离子体时间分辨光谱采集系统的结构示意图。如图1所示，该等离子体时间分辨光谱采集系统包括等离子体发射光谱采集装置、数字信号发生器14和上位机(图中未示出)，以下分别进行说明。

等离子体发射光谱采集装置包括支撑架9，所述支撑架9包括沿第一方向(图1中的竖直方向)设置的第一支架和沿第二方向(图1中的水平方向)设置的第二支架，所述第一支架和所述第二支架垂直设置。

所述第一支架的一端设有第一同轴调整精密镜架1，所述第一同轴调整精密镜架1内设有准直透镜15，该准直透镜15即准直单元，其可以将激光诱导击穿产生的等离子体发射光准直为与所述第一方向平行的光束。其中，激光诱导击穿产生等离子体，是由超短脉冲激光器作为击穿光源，聚焦到靶面，使得靶面物质分子、原子发生电离，产生了一团由各种粒子组成的团簇，即等离子体。在一种可选实施例中，准直透镜15的焦距为40mm。

所述第一支架和所述第二支架的交叉位置设有分光单元7，该分光单元7可以为分光片或棱镜。所述分光单元7可以将沿第一方向传播的光束按照1:1的比例平分为两路，分别为第一光束和第二光束，其中，所述第一光束沿所述第一方向传播，所述第二光束沿所述第二方向传播。可理解，第一光束为透射光束，第二光束为反射光束。

所述第一支架上还设有第一光谱采集组件，所述第一光谱采集组件和所述准直透镜15分别设置在所述分光单元7的两侧。所述第一光谱采集组件包括第二同轴调整精密镜架2、第一套筒10、第一收集镜架11、第一收集透镜17、第一光纤12和第一光纤光谱仪13。所述第一收集透镜17设置在所述第一收集镜架11内，所述第一光纤光谱仪13通过所述第一光纤12与所述第一收集镜架11相连。经过分光单元7分出的第一光束穿过第一套筒10后，经第一收集透镜17聚焦耦合进第一光纤12，进而传播至第一光纤光谱仪13，获得第一等离子体发射光谱。其中，第一套筒10用于去除第一光束的杂光干扰。

与第一光谱采集组件相对应，所述第二支架上还设有第二光谱采集组件，所述第二光谱采集组件包括第三同轴调整精密镜架8、第二套筒3、第二收集镜架4、第二收集透镜16、第二光纤5和第二光纤光谱仪6。所述第二收集透镜16设置在所述第二收集镜架4内，所述第二光纤光谱仪6通过所述第二光纤5与所述第二收集镜架4相连。经过分光单元7分出的第二光束穿过第二套筒3后，经第二收集透镜16聚焦耦合进第二光纤5，进而传播至第二光纤光谱仪6，获得第二等离子体发射光谱。其中，第二套筒3用于去除第二光束的杂光干扰。

在一种可选实施例中，第一收集透镜17和第二收集透镜16的焦距为60mm。

参见图2，为本申请实施例提供的一种等离子体时间分辨光谱采集系统的时序控制示意图；参见图3，为本申请实施例提供的一种等离子体时间分辨光谱采集系统的光路示意图。如图2并结合图3所示，本申请实施例提供的等离子体时间分辨光谱采集系统还包括数字信号发生器14，所述数字信号发生器14分别通过触发信号线与第一光纤光谱仪13和第二光纤光谱仪6相连，所述数字信号发生器14用于通过两个通道分别触发第一光纤光谱仪13和第二光纤光谱仪6。具体地，光纤光谱仪中设有触发电路，当数字信号发生器14中的触发信号进入光纤光谱仪后，使得光谱仪得到触发，从而打开快门，采集光谱。

另外，所述等离子体时间分辨光谱采集系统还包括上位机，所述上位机可以为PC、笔记本等具有显示和数据处理能力的设备。上位机可以通过数据传输线分别与第一光纤光谱仪13和第二光纤光谱仪6相连，用于存储第一光纤光谱仪13和第二光纤光谱仪6采集的光谱，并进行相应的数据处理。

具体地，所述数字信号发生器14用于分别设置所述第一光纤光谱仪13和所述第二光纤光谱仪16触发信号延时时间，且所述第一光纤光谱仪13和所述第二光纤光谱仪16的触发信号延时时间不同；所述上位机用于对所述第一等离子体发射光谱和所述第二等离子体发射光谱进行差值计算，获得等离子体时间分辨光谱。以下结合方法实施例进行详细说明。

可理解，在进行光谱采集前，首先需要对等离子体时间分辨光谱采集系统中各个设备的线路进行连接。

1)分别将第一光纤光谱仪和第二光纤光谱仪通过数据传输线连接至上位机；

2)分别将第一光纤光谱仪和第二光纤光谱仪通过触发信号线连接至数字信号发生器的第一通道和第二通道，并全部插上电源，打开开关。

可理解，在进行光谱采集前，通常会对系统进行一系列的调试和准备。例如，将激光诱导击穿产生的等离子体信号与第一光纤光谱仪和第二光纤光谱仪快门开启同步，以保证第一光纤光谱仪和所述第二光纤光谱仪可以采集到等离子体信号。

上位机上安装有光谱采集软件，通过上位机打开光谱采集软件的开始采集功能，激光诱导击穿产生的等离子体发射光进入采集系统后，软件界面上可以看到光谱。

然后，将第一光纤光谱仪和第二光纤光谱仪的触发方式改为外触发，并设置其曝光时间为最小值，如果此时软件中看不到等离子体发射光谱，可通过增大或者减小数字信号发生器上第一通道和第二通道的时间延时进行寻找。

调节第一收集透镜和第二收集透镜的位置，寻找最佳像点。具体地，可以通过观察等离子体光谱，分别沿着第一支架和第二支架调整第二同轴调整精密镜架和第三同轴调整精密镜架的位置，并利用第二同轴调整精密镜架和第三同轴调整精密镜架上的旋钮调节其内部收集透镜的维度，直至等离子体光谱在软件界面中强度达到大致最大。

微调数字信号发生器第一通道和第二通道的触发信号延时，直到等离子体光谱强度最大为止。

上述操作调节完成后，即可进行等离子体时间分辨光谱采集。

参见图4，为本申请实施例提供的一种等离子体时间分辨光谱采集方法流程示意图。如图4所示，其主要包括以下步骤。

步骤S401：设置触发信号延时，分别设置所述第一光纤光谱仪和所述第二光纤光谱仪触发信号延时时间，其中，所述第一光纤光谱仪和所述第二光纤光谱仪的触发信号延时时间不同。

具体地，从开始产生等离子体的时间点到等离子体消失的时间点内，有规律的设置第一通道和第二两通道的时间延时。在一种可选实施例中，所述第一光纤光谱仪和所述第二光纤光谱仪的触发延时时间差为0.5μs-1.5μs，例如，1μs。

步骤S402：分别通过所述第一光纤光谱仪和所述第二光纤光谱仪进行光谱采集，获得第一等离子体发射光谱和第二等离子体发射光谱。

可理解，由于在步骤S401中设置了第一光纤光谱仪和所述第二光纤光谱仪的触发信号延时时间差，因此，第一光纤光谱仪和所述第二光纤光谱仪采集的光谱存在延时。

具体地，第一光纤光谱仪和第二光纤光谱仪可以分别采集100组以上光谱，以取均值计算。

步骤S403：对所述第一等离子体发射光谱和第二等离子体发射光谱进行差值计算，获得等离子体时间分辨光谱。

具体地，对第一光纤光谱仪和第二光纤光谱仪采集的光谱取均值，并进行差值计算，获得等离子体时间分辨光谱。

采用本申请实施例提供的技术方案进行等离子体时间分辨光谱采集具备以下优点：

1)由于激光诱导击穿产生等离子体是一个瞬态过程，双光纤光谱仪时间差分采集，弥补了单个光纤光谱仪，在采集同一个等离子体的时间分辨光谱时时间门宽太大的问题，利用两个光纤光谱仪得到的等离子体光谱相减，可以间接地得到等离子体在微秒量级时间间隔下的时间分辨光谱。

2)利用双光纤光谱仪代替了利用装配有价格昂贵的ICCD的光栅光谱仪研究等离子体的时间分辨特性，而且避免使用稳定性差的设备来完成等离子体光谱原位探测，弥补了相对恶劣环境下稳定性差影响数据准确性的缺陷。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

本说明书中各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。尤其，对于终端实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例中的说明即可。

以上所述的本申请实施方式并不构成对本申请保护范围的限定。