本實用新型涉及光譜分析和分析化學(xué)領(lǐng)域，具體涉及一種低成本高靈敏激光探針元素分析儀，該實用新型特別適用于物質(zhì)成分的在線檢測，具有成本低，檢測靈敏度高，檢測速度快的特點，具有廣泛的應(yīng)用前景和市場。

背景技術(shù)：

隨著科技進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，人們生活水平得到了不斷改善，但是也出現(xiàn)了一些突出的社會問題。比如，近年來不斷曝光的食品安全問題和環(huán)境污染問題，已經(jīng)嚴(yán)重威脅到人們的生命健康，當(dāng)前迫切需要準(zhǔn)確可靠的檢測方法，對環(huán)境和食品質(zhì)量進(jìn)行有效的監(jiān)測，從而確保人民的生命安全。另外，在材料領(lǐng)域里，材料的生產(chǎn)和加工都離不開有效的分析和檢測手段，檢測方法的準(zhǔn)確性直接影響材料的性能，檢測的速度也是材料加工部門十分關(guān)注的指標(biāo)。此外，對于一些大型的工業(yè)過程，比如煉鋼和采礦工業(yè)，需要準(zhǔn)確快速的在線檢測分析手段。甚至還有一些強(qiáng)輻射、高溫、高壓的特殊場合，需要對生產(chǎn)對象進(jìn)行實時在線分析，而目前的常規(guī)檢測手段無法滿足要求，急需新型可靠的分析方法。

激光探針技術(shù)，又稱激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)(Laser-induced Breakdown Spectroscopy,LIBS)，是最近興起的一種新型物質(zhì)成分檢測方法。激光探針技術(shù)是將高能量密度的激光脈沖聚焦于物體表面，對其進(jìn)行燒蝕并激發(fā)產(chǎn)生高溫、高密度的激光等離子體，然后借助光譜儀和探測器等精密光學(xué)探測設(shè)備對收集到等離子體的光信號進(jìn)行分析，最終得到物質(zhì)的元素組成和含量的一種原子發(fā)射光譜分析方法。激光探針技術(shù)之所以成為國內(nèi)外分析化學(xué)領(lǐng)域的研究熱點，是因為該技術(shù)與傳統(tǒng)成分分析方法相比具有眾多優(yōu)點，比如該檢測方法的應(yīng)用對象非常廣泛，可以對氣態(tài)、固態(tài)、液態(tài)和氣溶膠等物質(zhì)形態(tài)進(jìn)行檢測。檢測過程屬于微損檢測，單脈沖激發(fā)消耗的樣品的體積在μm³量級，并且不需要對檢測對象進(jìn)行復(fù)雜預(yù)處理，極大地縮短了檢測周期。由于激光探針技術(shù)是基于原子發(fā)射光譜的檢測技術(shù)，所以可以實現(xiàn)對多種元素的同時檢測。更重要的是激光探針技術(shù)可以適應(yīng)高溫、強(qiáng)輻射和高壓的惡劣環(huán)境，通過專門的設(shè)計可以實現(xiàn)對遠(yuǎn)程對象進(jìn)行在線監(jiān)測。正是因為這些優(yōu)點，科研人員正在嘗試將此技術(shù)廣泛用于環(huán)境監(jiān)測、材料分析、生物醫(yī)療、食品安全、農(nóng)林業(yè)和深空探測等領(lǐng)域。

雖然激光探針技術(shù)在物質(zhì)成分分析方面具有眾多優(yōu)勢，但是當(dāng)前該技術(shù)并沒有得到較好的推廣和普及，其中一個非常重要的原因在于這種分析儀的生產(chǎn)和制造成本過高，在實現(xiàn)相同檢測效果條件下，該分析儀比其他主流分析儀器成本高出許多，這在一定程度上制約了激光探針分析技術(shù)的應(yīng)用和推廣。因此，可以預(yù)見在今后相當(dāng)長的一段時間里，降低激光探針元素分析儀的成本將成為研究重點之一。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型提供了一種低成本激光探針元素分析儀，其目的在于降低激光探針元素分析儀的設(shè)計和生產(chǎn)成本，減小儀器的體積，提高儀器使用的便利性，同時提高激光探針的檢測靈敏度，為激光探針分析技術(shù)的成功推廣和廣泛應(yīng)用創(chuàng)造有利條件。

為了達(dá)到上述目標(biāo)，本實用新型主要通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：一種激光探針元素分析儀，包括脈沖激光器，分束鏡，激光能量計探頭、數(shù)字延遲脈沖發(fā)生器、數(shù)據(jù)采集卡、激光能量計和計算機(jī)；分束鏡位于脈沖激光器的出光光路上，激光能量計探頭位于分束鏡的透射光路上，激光能量計與激光能量計探頭連接；其特征在于，它還包括第一會聚透鏡和光電倍增管，第一會聚透鏡位于分束鏡的反射光路上，所述等離子體信號采集光學(xué)系統(tǒng)用于在被測對象的一側(cè)、從水平方向?qū)す獾入x子體信號進(jìn)行采集，所述激光等離子體由位于第一會聚透鏡焦點處的待測樣品產(chǎn)生；

所述等離子體信號采集系包括依次排列的第二會聚透鏡、可調(diào)狹縫、第三會聚透鏡、窄帶濾光片和第四會聚透鏡，其中可調(diào)狹縫的寬度能夠在0～10mm范圍連續(xù)調(diào)節(jié)，可調(diào)狹縫用于對等離子體的發(fā)射光信號進(jìn)行空間選擇；光電倍增管的入光口位于第四會聚透鏡的焦點處，用于對等離子體的光信號進(jìn)行有效探測和光電轉(zhuǎn)換；所述光電倍增管的出口端分別與數(shù)字延遲脈沖發(fā)生器和數(shù)據(jù)采集卡相連，數(shù)字延遲脈沖發(fā)生器還與脈沖激光器和計算機(jī)相連，數(shù)據(jù)采集卡與計算機(jī)連接，數(shù)據(jù)采集卡用于采集所轉(zhuǎn)化的電信號并傳輸?shù)接嬎銠C(jī)進(jìn)行顯示和分析。

所述激光探針元素分析儀與常規(guī)激光探針元素分析儀相比，不僅保持了激光探針檢測速度快，檢測結(jié)果準(zhǔn)確，樣品不需要預(yù)處理，可以實時在線分析的優(yōu)點，還具有成本低，檢測靈敏度高的特點。具體來說，本實用新型具有以下技術(shù)特點：

(1)本實用新型最突出的技術(shù)特點是用窄帶濾光片來替代價格昂貴的光譜儀，使用過程中針對目標(biāo)元素，選擇對該元素最強(qiáng)原子發(fā)射譜線透射的窄帶濾光片，并濾除其他波段的光信號，對不同元素進(jìn)行檢測時，通過更換不同參數(shù)的窄帶濾光片來實現(xiàn)，采用這種方式不僅達(dá)到了對光譜信號分離的效果，而且降低了激光探針元素分析儀的成本。由于本實用新型采用窄帶濾光片對等離子體光信號進(jìn)行篩選，與傳統(tǒng)的激光探針元素分析儀相比，省去了校準(zhǔn)光譜儀的工作，提高檢測分析的效率。

(2)采用光電倍增管替代ICCD，不僅可以對微弱的光譜信號進(jìn)行探測，而且還極大地降低了分析儀器的成本。光電倍增管特別適合對微弱光信號進(jìn)行探測，具有較高的探測靈敏度，可以有效地降低激光探針元素分析儀的檢測極限。

(3)本實用新型所述激光探針元素分析儀，由于采用了體積較小的窄帶濾光片和光電倍增管，減小了分析儀的體積，提高了分析儀器靈活性和便攜性，有利于儀器的集成化和小型化，促進(jìn)其實際推廣及應(yīng)用。

(4)傳統(tǒng)的光信號采集裝置是通過傳輸光纖將信號傳輸至光譜儀和探測器，由于受到光纖端口的限制，激光等離子體的光信號只有部分被傳遞到探測器進(jìn)行探測。而本實用新型專門設(shè)計了激光等離子體的信號收集的光路系統(tǒng)，不同于傳統(tǒng)的光信號收集方式，該光路系統(tǒng)將等離子體整體的信號有效地耦合到光電倍增管中，提高了檢測結(jié)果的準(zhǔn)確度。

(5)采用可調(diào)狹縫來選擇等離子體光信號，通過調(diào)節(jié)狹縫寬度和狹縫的位置可以對等離子體中不同部位的信號進(jìn)行采集和分析。

附圖說明

圖1為本實用新型所述一種低成本的激光探針元素分析儀的結(jié)構(gòu)示意圖，其中1為脈沖激光器，2為分束鏡，3為激光能量計探頭，4為第一會聚透鏡，5為激光等離子體，6為第二會聚透鏡，7為可調(diào)狹縫，8為第三會聚透鏡，9為窄帶濾光片，10為第四會聚透鏡，11為光電倍增管，12為數(shù)字延遲脈沖發(fā)生器，13為數(shù)據(jù)采集卡，14為激光能量計，15為計算機(jī)。

圖2為本實用新型所述激光探針元素分析儀的等離子體信號采集光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是固定和更換濾光片的濾光片輪裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，其中，16為濾光片輪，17為旋轉(zhuǎn)軸，18為連接桿，19為固定底座。

具體實施方式

針對激光探針元素分析儀成本過高的問題，本實用新型設(shè)計了一種低成本、高檢測靈敏度的激光探針元素分析儀，通過濾光片來替代光譜儀對有效光信號進(jìn)行提取，另外采用光電倍增管來替代電荷耦合器(Charge Coupled Device,CCD)，不僅可以及大地降低成本，而且還可以提高元素的檢測靈敏度。通過這些改進(jìn)可以縮小激光探針分析的體積，降低儀器生產(chǎn)和制造成本，提高元素的檢測靈敏度，有助于激光探針技術(shù)的推廣和普及。

下面結(jié)合附圖對本實用新型的具體實施方式作進(jìn)一步說明。在此需要說明的是，對于這些實施方式的說明用于幫助理解本實用新型，但并不構(gòu)成對本實用新型的限定。此外，下面所描述的本實用新型各個實施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。

如圖1所示，本實用新型實例提供的一種激光探針元素分析儀，包括脈沖激光器1，分束鏡2，激光能量計探頭3，第一會聚透鏡4，等離子體信號采集光學(xué)系統(tǒng)，光電倍增管11，數(shù)字延遲脈沖發(fā)生器12，數(shù)據(jù)采集卡13，激光能量計14和計算機(jī)15。

分束鏡2位于脈沖激光器1的出光光路上，激光能量計探頭3位于分束鏡2的透射光路上，激光能量計14與激光能量計探頭3連接；第一會聚透鏡4位于分束鏡2的反射光路上，位于第一會聚透鏡4焦點處的待測樣品產(chǎn)生激光等離子體5，所述等離子體信號采集光學(xué)系統(tǒng)位于被測對象的一側(cè)，用于從水平方向?qū)す獾入x子體5信號進(jìn)行采集，等離子體信號采集系統(tǒng)由依次排列的第二會聚透鏡6，可調(diào)狹縫7、第三會聚透鏡8，窄帶濾光片9和第四會聚透鏡10組成，其中可調(diào)狹縫7的寬度可以在0～10mm范圍連續(xù)調(diào)節(jié)，可調(diào)狹縫7用于對等離子體的發(fā)射光信號進(jìn)行空間選擇。光電倍增管11的入光口位于第四會聚透鏡10的焦點處，光電倍增管11的出口端分別與數(shù)字延遲脈沖發(fā)生器12和數(shù)據(jù)采集卡13相連，脈沖發(fā)生器12還與脈沖激光器1和計算機(jī)15相連，數(shù)據(jù)采集卡13與計算機(jī)15連接。本實用新型所設(shè)計的一種低成本激光探針元素分析儀的工作原理是：脈沖激光器1發(fā)出的脈沖激光經(jīng)過分束鏡2時被分成兩束，其中一束激光被反射，用于激發(fā)檢測對象，另一束激光透過分束鏡2，照射于激光能量計14的探頭上，激光能量計14對透射光束能量進(jìn)行測量，并可以根據(jù)分束鏡2的參數(shù)折算出反射光束的能量，從而對激光脈沖能量進(jìn)行實時測量。第一會聚透鏡4將反射光束聚焦于被測對象表面，高能量密度的脈沖激光對被測對象進(jìn)行燒蝕，并在被測對象表面形成激光等離子體5。然后使用專門設(shè)計的等離子體信號采集光學(xué)系統(tǒng)來采集等離子體光信號，并且在等離子體信號采集光學(xué)系統(tǒng)中安裝一個可調(diào)狹縫7，通過調(diào)節(jié)狹縫7寬度來對等離子體不同部位的光信號進(jìn)行選擇。另外，利用窄帶濾光片9來替代光譜儀對等離子體中的有效光信號進(jìn)行分離，并在第四會聚透鏡10的作用下照射到光電倍增管11上，光電倍增管11的作用是代替ICCD，對等離子體的光信號進(jìn)行有效探測和光電轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)化的電信號被數(shù)據(jù)采集卡13采集并傳輸?shù)接嬎銠C(jī)15，最后通過LabVIEW軟件顯示和分析。通過對常規(guī)激光探針元素分析儀的改進(jìn)，使用窄帶濾光片9來替代光譜儀對有效光信號進(jìn)行分離，并采用光電倍增管11來替代ICCD，不僅可以及大地降低成本，而且還可以提高元素的檢測靈敏度。

所述脈沖激光器1一般為納秒級，也可以為皮秒級或飛秒級，激光輸出波長從紫外到近紅外范圍。根據(jù)不同的檢測對象，激光單脈沖能量可在0～800mJ范圍靈活調(diào)節(jié)。

所述會聚透鏡4、6、8和10均是石英材質(zhì)的凸透鏡，用于聚焦激光光束來提高激光束的能量密度，對被測對象進(jìn)行有效激發(fā)，各會聚透鏡對200nm～1100nm波段的光信號具有較高的透射率，通常要求透射率大于90％。

所述窄帶濾光片9采用濾光片輪來固定和更換，預(yù)先將不同波段的窄帶濾光片9安裝在濾光片輪的卡槽中，并采用自動控制的步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動濾光片輪對窄帶濾光片9進(jìn)行選擇。如圖3所示，固定和更換濾光片的濾光片輪裝置包括16為濾光片輪，17為旋轉(zhuǎn)軸，18為連接桿，19為固定底座。窄帶濾光片9放置在濾光片輪16的卡槽中，濾光片輪16與連接桿18相連，連接桿18與固定底座19相連。

所述數(shù)字延遲脈沖發(fā)生器12用于控制激光脈沖信號與光電倍增管11采集信號之間的延遲時間，延遲時間可以在10ns～100ms范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，可對光電信號的信噪比進(jìn)行優(yōu)化。

所述光電倍增管11通過調(diào)節(jié)供電電源的電壓大小對信號增益大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，供電電源的電壓可以在0～2000V范圍靈活調(diào)節(jié)。

實例：

現(xiàn)以檢測合金鋼中微量元素的含量為例來說明本實用新型所述激光探針元素分析儀的使用流程。檢測合金鋼所采用的激光探針分析裝置原理圖如圖1所示

本實施例采用1064nm波長的Nd:YAG脈沖激光作為合金鋼的激發(fā)光源，激光器1的單脈沖能量在0～800mJ范圍可調(diào)，脈寬為10ns，脈沖的重復(fù)頻率為20Hz，激光光束的遠(yuǎn)場發(fā)散角小于0.4mrad。使用的數(shù)字延遲脈沖發(fā)生器12的型號為DG535，用于控制光電倍增管采集激光等離子體信號的延遲時間，其延遲時間可以在ps到s量級范圍內(nèi)靈活調(diào)節(jié)。另外，采用反射率為80％，透射率為20％的分束鏡2來改變激光光束的傳輸方向，并且在激光透射方向上安裝激光能量計的探頭3，從而可以根據(jù)透射的激光能量折算出經(jīng)分光鏡反射的激光能量，實現(xiàn)對激光脈沖能量的實時監(jiān)測。分束鏡2反射的激光脈沖在焦距f₁為200mm的平凸石英透鏡1(4)的作用下聚焦于合金鋼表面。此外，本實用新型專門在采集光路中安置了一個可調(diào)狹縫7，可調(diào)狹縫7的寬度可以在0～10mm范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，其作用是對激光等離子體的發(fā)射光譜信號進(jìn)行空間選擇。為了將激光等離子體光信號有效地耦合到光電倍增管中，特別設(shè)計了激光等離子體光信號收集光路系統(tǒng)，收集光學(xué)系統(tǒng)的詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖2所示，會聚透鏡2(6)距離激光等離子體5中心的距離為l₁，可調(diào)狹縫7在會聚透鏡2(6)的另一側(cè)，與其相距l(xiāng)₂，并且保證l₁和l₂為共軛距離。會聚透鏡3(8)距離可調(diào)狹縫7的距離正好為會聚透鏡3(8)的焦距長度，盡量保證激光等離子體光信號均勻經(jīng)過窄帶濾光片9，會聚透鏡4(10)將過濾后的等離子體光信號匯聚起來，光電倍增管11的信號接收端置于透鏡焦點附近。會聚透鏡2(6)、3(8)和4(10)的焦距f₂，f₃和f₄分別為150mm，100mm和100mm。使用本實用新型所述激光探針元素分析儀對合金鋼中微量元素進(jìn)行檢測的具體操作步驟如下：

(1)合金鋼樣品預(yù)處理。選擇圓柱形合金鋼樣品，保證兩個圓平面平行，并且對其中一個圓平面進(jìn)行細(xì)致打磨和拋光處理，保證樣品表面的平整和光滑，并且以打磨面作為檢測面，完成合金鋼樣品的準(zhǔn)備工作。

(2)檢測前的準(zhǔn)備。檢查激光探針元素分析儀的各個部件是否正常，包括激光脈沖是否準(zhǔn)確聚焦于合金鋼表面，等離子體信號收集光路系統(tǒng)是否正常收集等離子體光信號，光電倍增管11供電是否正常，采集卡13和LabVIEW軟件是否工作正常。

(3)選擇濾光片。針對微量元素Mn，Ni，Cr，Ti，V，Si，S和P的強(qiáng)發(fā)射譜線對應(yīng)的波長選擇窄帶濾光片9，本實用新型采用自行設(shè)計的可自動控制的濾光片輪來切換濾光片，所使用的濾光片輪裝置如圖3所示，在檢測前，事先將所需的濾光9片固定在濾光片輪的卡槽中，裝置中濾光片輪的轉(zhuǎn)動軸與步進(jìn)電機(jī)連接，切換濾光片是通過轉(zhuǎn)動濾光片輪來實現(xiàn)。

(4)開啟激光探針元素分析儀。首先開啟計算機(jī)15，并打開LabVIEW軟件，然后開啟脈沖激光器1，數(shù)字脈沖延遲發(fā)生器12，開啟可調(diào)狹縫7，最后開啟光電倍增管11和采集卡13。

(5)采集信號，優(yōu)化參數(shù)。設(shè)置脈沖激光器1，光電倍增管11，數(shù)字延遲脈沖發(fā)生器12和可調(diào)狹縫7的參數(shù)。采集激光等離子體5的光譜信號，通過LabVIEW軟件對光譜信號的信號與背景比值(簡稱信背比)進(jìn)行分析，根據(jù)信背比的大小對激光脈沖能量，可調(diào)狹縫7的寬度，光電倍增管11的供電電壓和數(shù)字延遲脈沖發(fā)生器12的延遲時間進(jìn)行優(yōu)化，確定最佳的檢測條件，然后在最佳的檢測條件下對合金鋼的成分進(jìn)行檢測和分析。

(6)定性和定量分析。利用具有不同元素濃度的合金鋼標(biāo)準(zhǔn)樣品的濃度與光譜強(qiáng)度的映射關(guān)系來建立定標(biāo)曲線，并將標(biāo)準(zhǔn)曲線數(shù)據(jù)保存在分析軟件中。然后根據(jù)定標(biāo)曲線對合金鋼的元素成分進(jìn)行定性和定量分析。

(7)關(guān)閉激光探針元素分析儀。完成合金鋼成分的在線檢測和分析后，依次關(guān)閉光電倍增管11，脈沖激光器1，數(shù)字延遲脈沖發(fā)生器12，濾光片控制裝置，LabVIEW軟件和計算機(jī)15，對儀器各個部件歸位，恢復(fù)儀器參數(shù)的初始設(shè)置。

以上所述，僅是本實用新型的較佳實施例而已，并非對本實用新型的結(jié)構(gòu)作任何形式上的限制。凡是依據(jù)本實用新型的技術(shù)實質(zhì)上對以上實施例所作的任何簡單修飾、等同變化和修飾，均屬于本實用新型的技術(shù)方案范圍。