本技术公开用于目标成分检测的超宽谱三脉冲LIBS探测系统与方法,属于激光探测技术领域。所述系统主要由激光器组件;一级激光扩束、合束光学组件;大动态自适应收发复用光学组件;光谱‑全波形探测光电组件;采集与工控组件组成。在本发明中,采用高能单波长脉冲激光器和宽谱可调谐OPO激光器组合光源的三脉冲输出设计,由单波长高能激光脉冲激发等离子体,由宽谱可调谐OPO光源输出的双脉冲对等离子体进行同步加热,输出波长更加灵活,加热更宽LIBS谱线的同时可提高更大动态距离内的LIBS光谱的稳定性,增加更远距离探测的信噪比。
背景技术
激光诱导击穿光谱(LIBS)探测技术是利用高功率密度的激光脉冲聚焦到样品表面,通过激光与物质相互作用在样品表面瞬间蒸发形成高温高压等离子体,通过收集、分析等离子体在冷却过程中发射原子和粒子光谱,实现样品中元素种类和浓度的探测。具有无接触式、破坏性小、速度快、多元素同时在线监测的优点。
典型的LIBS探测系统一般由:激光光源、收发光学模块、光谱分光与探测模块、时序控制模块和工控机模块组成。激光光源用于产生高能脉冲激光、收发光学模块用于实现高能激光脉冲在样品表面的聚焦产生等离子体,并收集等离子体光谱信号、光谱分光与探测模块负责将搜集的信号光转化为光谱波长和强度数据、时许控制模块和工控机模块共同作用,实现激光器出光和光谱分光与探测模块工作时许的精确控制,降低韧致辐射和复合辐射的影响江若信号背底干扰,并通过写入分析方法程序输出测量结果。
现阶段LIBS系统主要有单脉冲变焦探测和双脉冲固定焦距光谱增强探测两种主流方案。其中,单脉冲变焦探测技术主要由单台单波长脉冲激光器配合共轴变焦收发光学系统、光谱检测模块、工控模块进行距离动态变化场景的LIBS探测;双脉冲固定焦距光谱增强探测技术由两台出射波长固定的脉冲激光器配合收发分离光学系统、光谱检测模块、工控模块实现光谱数据在强度、稳定度均有较高质量的探测。现阶段的LIBS系统依旧存在工业场景检测受限的制约,主要表现在:
1.基于单脉冲远程变焦光路复用LIBS测量系统,可实现远程lIBS信号的采集,但是单脉冲LIBS无法避免存在光谱信号质量差和检测能力差的劣势,表现在信号光谱强度稳定性低,信号与背底强度比差、烧蚀效率和测量精度低的缺点,尤其对于远程LIBS探测极其不友好;同时,远程变焦主要为人为控制,无法根据目标场景完成自适应反馈变焦控制;在没有获取目标精确距离信息条件下,人为变焦的聚焦效果有限,必须基于精确的测距信息进行最佳变焦才能获得更好的LIBS效果;且透射式变焦对镜片镀膜工艺要求复杂,成本较高。
2.基于双脉冲激光的LIBS测量系统可以提高等离子体信号光的光谱信背比、元素检出能力和检测线,一定程度上可用于物质成分含量探测的需求,但是目前报道双脉冲系统多为固定焦距的近距离探测,无法满足工业现场大动态工作距离的要求;双脉冲激光波长固定,无法灵活完成激发脉冲和增强脉冲二者波长的匹配,实现最优光谱增强能力匹配;目前报道的基于可调谐激光器的双脉冲LIBS系统为固定焦距、近距离探测,没有报道具备自适应、远程探测能力的系统。
3.单脉冲、双脉冲LIBS探测模式,均未有报道进行大动态距离自适应、高稳定性获取LIBS信号的系统,无法胜任工业现场智能化、自动化远程LIBS探测需求。
实现思路