激光誘導(dǎo)擊穿光譜的分析系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及分析化學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種激光誘導(dǎo)擊穿光譜的分析系統(tǒng)及方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 激光誘導(dǎo)擊穿光譜是一種新型的光譜探測手段，其原理是利用強(qiáng)激光照射樣本， 使其被激發(fā)至等離子態(tài)，再用光譜儀收集等離子態(tài)的發(fā)射光譜，從而分析樣本中的元素含 量。近年來，激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)被應(yīng)用于鋼鐵、煤粉、壁畫、土壤、木材等樣本中的微量 元素測量。
[0003] 目前，由于激光誘導(dǎo)擊穿光譜在測量中需要激光對樣本進(jìn)行擊穿以獲得等離子態(tài) 光譜，在激光器能量抖動、樣本表面不均勻性、等離子體羽擴(kuò)散不穩(wěn)定性等問題的影響下， 激光誘導(dǎo)擊穿光譜測量的穩(wěn)定性很差，造成了定量化計(jì)量中很多難題?，F(xiàn)有在激光誘導(dǎo)擊 穿光譜的測量中，采用了很多提高穩(wěn)定性和重復(fù)性的方法。如多次測量取平均值或利用等 離子態(tài)參數(shù)對光譜進(jìn)行修正。
[0004] 然而，這些方法可以提高測量重復(fù)性，但提高程度不高。此外，激光誘導(dǎo)擊穿光譜 的另一問題是其檢測能力不高，一方面，一些較弱的元素能量躍迀譜線不易被識別，另一方 面，一些譜線較窄，很容易與其他譜線重疊在一起，造成識別錯(cuò)誤。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種激光誘導(dǎo)擊穿光譜的分析方法及系統(tǒng)，可 以更為清晰地解析光譜特征，提高常規(guī)激光誘導(dǎo)擊穿光譜方法的檢測能力和重復(fù)性。
[0006] 第一方面，本發(fā)明提供一種二維能量相關(guān)激光誘導(dǎo)擊穿光譜的分析系統(tǒng)，包括：激 光器、光譜儀、延時(shí)發(fā)生器、光纖、樣本以及計(jì)算機(jī)；所述激光器，用于周期性地發(fā)射脈沖激 光并對所述樣本進(jìn)行擊打；所述延時(shí)發(fā)生器分別與所述激光器和所述光譜儀連接，用于根 據(jù)預(yù)設(shè)的延時(shí)時(shí)間，對所述光譜儀采集信號進(jìn)行觸發(fā)；所述光譜儀分別與所述光纖和所述 計(jì)算機(jī)相連，用于通過光纖收集所述樣本發(fā)出的等離子體光信號。
[0007] 優(yōu)選地，所述延時(shí)發(fā)生器為采用FPGA控制的皮秒級精確延時(shí)系統(tǒng)。
[0008] 優(yōu)選地，所述系統(tǒng)還包括：匯聚裝置，所述匯聚裝置與所述光纖連接，用于匯聚所 述樣本發(fā)出的等離子體光信號，并經(jīng)光纖傳遞到所述光譜儀。
[0009] 優(yōu)選地，所述匯聚裝置為置于所述光纖前端的卡薩格林系統(tǒng)。
[0010] 優(yōu)選地，所述系統(tǒng)還包括：分束器，所述分束器置于所述激光器出射位置處，用于 將所述激光器發(fā)射出的10%的激光脈沖能量反射到光電二極管上。
[0011] 第二方面，本發(fā)明提供一種二維能量相關(guān)激光誘導(dǎo)擊穿光譜的分析方法，包括：
[0012] 光譜儀對未放置樣本的暗背景進(jìn)行測量，獲得背景光譜，并扣除所述背景光譜的 干擾和本體噪聲；
[0013] 在能量擾動狀態(tài)下進(jìn)行光譜測量，通過增加激光器發(fā)射的激光能量，獲得所述樣 本在擊穿狀態(tài)下的一維光譜；
[0014] 獲取激光能量的精確數(shù)值，根據(jù)所述精確數(shù)值對所述一維光譜進(jìn)行激光功率校準(zhǔn) 和歸一化處理；
[0015] 根據(jù)一維光譜計(jì)算二維相關(guān)光譜，所述二維相關(guān)光譜包括：同步相關(guān)光譜和異步 相關(guān)光譜；
[0016] 分離二維相關(guān)光譜中的自相關(guān)峰、交叉峰，并與一維光譜相對應(yīng)。
[0017] 優(yōu)選地，所述獲取激光能量的精確數(shù)值，根據(jù)所述精確數(shù)值對所述一維光譜進(jìn)行 激光功率校準(zhǔn)和歸一化處理，包括：
[0018] 光電二極管接收分束器反饋的激光能量，并實(shí)時(shí)測量激光能量；
[0019] 根據(jù)偏差值對原始光譜乘以對應(yīng)的系數(shù)，并補(bǔ)償所述激光能量的偏差；
[0020] 以50nm為窗口記錄所述光譜數(shù)據(jù)，對每個(gè)所述窗口內(nèi)進(jìn)行面積歸一化。
[0021] 優(yōu)選地，所述在能量擾動狀態(tài)下進(jìn)行光譜測量，通過增加激光器發(fā)射的激光能量， 獲得所述樣本在擊穿狀態(tài)下的一維光譜，包括：
[0022] 首次擊打時(shí)，所述激光器以基礎(chǔ)能量為100_200mJ，頻率為IOHZ的激光脈沖擊打 所述樣本；
[0023] 在首次擊打后，每次增加5%的基礎(chǔ)能量擊打樣本，以獲得漸變的光譜數(shù)據(jù)。
[0024] 優(yōu)選地，所述根據(jù)一維光譜計(jì)算二維相關(guān)光譜中的同步相關(guān)光譜，包括：
[0025] 根據(jù)公式一計(jì)算所述同步相關(guān)光譜：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種二維能量相關(guān)激光誘導(dǎo)擊穿光譜的分析系統(tǒng)，其特征在于，包括：激光器、光譜 儀、延時(shí)發(fā)生器、光纖、樣本以及計(jì)算機(jī)； 所述激光器，用于周期性地發(fā)射脈沖激光并對所述樣本進(jìn)行擊打； 所述延時(shí)發(fā)生器分別與所述激光器和所述光譜儀連接，用于根據(jù)預(yù)設(shè)的延時(shí)時(shí)間，對 所述光譜儀采集信號進(jìn)行觸發(fā)； 所述光譜儀分別與所述光纖和所述計(jì)算機(jī)相連，用于通過光纖收集所述樣本發(fā)出的等 離子體光信號。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述延時(shí)發(fā)生器為采用FPGA控制的皮秒 級精確延時(shí)系統(tǒng)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)還包括：匯聚裝置，所述匯聚裝 置與所述光纖連接，用于匯聚所述樣本發(fā)出的等離子體光信號，并經(jīng)光纖傳遞到所述光譜 儀。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述匯聚裝置為置于所述光纖前端的卡 薩格林系統(tǒng)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)還包括：分束器，所述分束器置 于所述激光器出射位置處，用于將所述激光器發(fā)射出的10%的激光脈沖能量反射到光電二 極管上。
6. -種二維能量相關(guān)激光誘導(dǎo)擊穿光譜的分析方法，其特征在于，包括： 光譜儀對未放置樣本的暗背景進(jìn)行測量，獲得背景光譜，并扣除所述背景光譜的干擾 和本體噪聲； 在能量擾動狀態(tài)下進(jìn)行光譜測量，通過增加激光器發(fā)射的激光能量，獲得所述樣本在 擊穿狀態(tài)下的一維光譜； 獲取激光能量的精確數(shù)值，根據(jù)所述精確數(shù)值對所述一維光譜進(jìn)行激光功率校準(zhǔn)和歸 一化處理； 根據(jù)所述一維光譜計(jì)算二維相關(guān)光譜，所述二維相關(guān)光譜包括：同步相關(guān)光譜和異步 相關(guān)光譜； 分離二維相關(guān)光譜中的自相關(guān)峰、交叉峰，并與一維光譜相對應(yīng)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述獲取激光能量的精確數(shù)值，根據(jù)所述 精確數(shù)值對所述一維光譜進(jìn)行激光功率校準(zhǔn)和歸一化處理，包括： 光電二極管接收分束器反饋的激光能量，并實(shí)時(shí)測量激光能量； 根據(jù)偏差值對原始光譜乘以對應(yīng)的系數(shù)，并補(bǔ)償所述激光能量的偏差； 以50nm為窗口記錄所述光譜數(shù)據(jù)，對每個(gè)所述窗口內(nèi)進(jìn)行面積歸一化。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述在能量擾動狀態(tài)下進(jìn)行光譜測量，通 過增加激光器發(fā)射的激光能量，獲得所述樣本在擊穿狀態(tài)下的一維光譜，包括： 首次擊打時(shí)，所述激光器以基礎(chǔ)能量為100-200mJ，頻率為IOHZ的激光脈沖擊打所述 樣本； 在首次擊打后，每次增加5%的基礎(chǔ)能量擊打樣本，以獲得漸變的光譜數(shù)據(jù)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述根據(jù)一維光譜計(jì)算二維相關(guān)光譜中 的同步相關(guān)光譜，包括： 根據(jù)公式一計(jì)算所述同步相關(guān)光譜：
其中，Smax為所述光譜儀采集的光譜強(qiáng)度最大值，Smin為所述光譜儀采集的光譜強(qiáng)度最 小值，y」（υ i)和yj ( U 2)為不同波段的光譜數(shù)值。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述根據(jù)一維光譜計(jì)算二維相關(guān)光譜中 的異步相關(guān)光譜，包括： 根據(jù)公式二計(jì)算所述異步相關(guān)光譜：
其中，Smax為所述光譜儀采集的光譜強(qiáng)度最大值，Smin為所述光譜儀采集的光譜強(qiáng)度最 小值，Yj(U1)和yk( u2)為不同波段的光譜數(shù)值。
【專利摘要】本發(fā)明提供一種二維能量相關(guān)激光誘導(dǎo)擊穿光譜的分析系統(tǒng)及方法，所述系統(tǒng)，包括：激光器、光譜儀、延時(shí)發(fā)生器、光纖、樣本以及計(jì)算機(jī)；所述激光器，用于周期性地發(fā)射脈沖激光并對所述樣本進(jìn)行擊打；所述延時(shí)發(fā)生器分別與所述激光器和所述光譜儀連接，用于根據(jù)預(yù)設(shè)的延時(shí)時(shí)間，對所述光譜儀采集信號進(jìn)行觸發(fā)；所述光譜儀分別與所述光纖和所述計(jì)算機(jī)相連，用于通過光纖收集所述樣本發(fā)出的等離子體光信號。本發(fā)明提供一種基于二維能量相關(guān)的激光誘導(dǎo)擊穿光譜的分析系統(tǒng)及方法，將常規(guī)的激光誘導(dǎo)擊穿光譜在激光能量尺度上進(jìn)行展開，從而更為清晰地解析光譜特征，提高常規(guī)激光誘導(dǎo)擊穿光譜方法的檢測能力和重復(fù)性。
【IPC分類】G01N21-63
【公開號】CN104655595
【申請?zhí)枴緾N201510073090
【發(fā)明人】董大明, 鄭文剛, 趙春江, 吳文彪, 鄭文生, 韓鵬程, 郎筠, 李文龍, 郭瑞
【申請人】北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心
【公開日】2015年5月27日
【申請日】2015年2月11日