[发明专利]激光诱导击穿光谱自动采集系统

说明书

  

技术领域

本发明涉及光谱分析领域里的一种新型分析系统，具体涉及一种激光诱导击穿自动采集系统。 

背景技术

早在20世纪60年代，伴随着激光器的产生激光烧蚀样品表面的应用就引起了人们的重视。然而由于当时的激光以及光谱检测设备发展的滞后，该技术并没有得到很大的发展。直到20世纪80年代，伴随着激光器的快速发展，更重要的是高灵敏光学检测设备（增强型光学检测设备）的产生，使得LIBS技术得到空前发展。1981年美国洛斯阿拉莫斯国家实验室L.J. Radziemski, D.A. Cremers等人引用LIBS对空气中的有害金属进行测量。1983年，他们还用LIBS技术检测到空气中微量铍元素。1994年R. Wisbrun等人，成功应用LIBS对环境固体污染物做检测。1999年，A. Ciucci等人首次提出自由定标法LIBS（calibration free-LIBS）技术。当我们进入新千年后，LIBS技术引起了多个领域的重视，包括冶金和珠宝行业、艺术品鉴定以及考古领域、环境检测、食品安全、航天、国防、反恐等领域。2001年，B. Le Drogoff等人研究了飞秒激光诱导铝样品表面等离子体的时间演变特性。 

随着LIBS技术的快速发展，世界各地专家组织了一系列的国际研讨会，如国际LIBS会议、欧洲环地中海LIBS研讨会（EMSLIBS）以及北美LIBS研讨会（NASLIBS）。就在今年3月份中国第一界LIBS研讨会在青岛胜利召开。大家讨论的热点集中在如何提高LIBS的检测精度和重复性，如何将LIBS朝着应用方向发展。特别是近年来LIBS研究工作更加细致化，例如2006年，G. Cristoforetti等人从锰元素发射谱线的自吸收校准角度来提高LIBS对铁锰合金的检测精度。而美国军方实验室Jennifer L. Gottfried等人则一直专注于LIBS技术对爆炸残留物的鉴定，并于2009年针对该领域做了综述性报道。 

LIBS之所以得到如此高度的重视是因为该技术有着其他分析手段无法媲美的优势。首先它能同时对多种元素进行分析。其次，该技术几乎能对所有样品进行分析（固体、液体和气体），并且几乎不需要对样品做特殊处理，能够在短时间30秒之内得到分析结果，非常适合用来做在线分析工具。另外，LIBS可以实现远距离非接触式检测，这样就为在高温高压等恶劣条件下的检测提供方便。最后，LIBS检测所需的样品极少（纳克量级），这使得LIBS可实现无损检测。 

目前一般实验室的LIBS实验装置，其基本原理是高强度激光经透镜聚焦到材料表面，样品吸收激光能量后被烧蚀和激发从而形成等离子体，等离子体的发射光谱通过透镜和光纤收集到光谱仪。通过光谱仪所采集的光谱信号即LIBS信号来对样品进行化学分析。 

然而怎样保证LIBS光谱信号有着比较好的稳定性是LIBS技术所面临的重大挑战。LIBS信号可以用公式(1)来计算，其中F为实验系统的收集效率，C_s为等离子体中对应元素s的含量，T为等离子体温度，其他因子都为常量。从公式(1)可以看出，LIBS信号稳定性跟F、C_s和T有着密切关系。首先，激光聚焦透镜跟样品的距离直接影响到达样品表面的激光功率密度，从而影响被激光烧蚀并喷射出来的物质数量，也就是C_s。其次，假如样品高度不一致的话，每次产生的等离子体的高度也就不一致，这样每次的收集信号效率F也就不一样。最后，在检测过程中假如同一样品位置被过多脉冲烧蚀，样品的烧蚀坑将出现过深的情况，同样影响达到样品的激光功率密度，同时还会影响F值的大小。所以怎样保证样品高度，和到达同一位置的激光脉冲数显得至关重要。 

目前实验室LIBS实验光路基本都由实验人自己搭建，没有成套的系统，这样对于实验各参数的设定以及样品移动和数据采集的同步操作实施起来比较繁琐。每次测量信号之前都靠人工操作来实现样品移动和样品高度的估计，实验过程中一旦样品不平，无法保证每次的聚焦程度一致。不但会浪费大量时间还会由于人为因素造成很多实验错误。另外，当样品比较小的时候，单单凭人工放置样品很难实现激光精确定位。 

发明内容

本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供一种激光诱导击穿光谱自动采集系统，该系统通过激光精确定位实现样品位置的预测，同期完成盛放样品的平台的自动调整，实现数据采集自动化，大大提高实验效率。