[发明专利]精确靶点定位的激光诱导击穿光谱元素分析仪及其方法

说明书

技术领域

本发明涉及元素分析仪，特别涉及激光诱导击穿光谱法的元素分析仪。

背景技术

元素分析在冶金、食品安全、环境监测、空间探测等各个领域具有广泛的应用需求。常用的元素分析手段包括X射线荧光分析仪、电感耦合等离子体光谱仪、电感耦合等离子体质谱仪、原子吸收分光光度计、激光烧蚀感应耦合等离子体质谱等。但是传统的元素分析仪器多需要进行采样，并对样品进行预处理后才可以分析，有些分析方法对样品形态、所分析元素种类等都具有较大限制。

激光诱导击穿光谱（LIBS）技术是利用强激光聚焦于样品表面形成等离子体，通过测量等离子体发射光谱中的特征谱线来分析样品中元素成分的分析手段。该方法已经在金属、液体、气体等样品中的痕量元素的定性、定量分析应用研究方面开展了大量工作。与传统分析方法相比，尚在发展中的LIBS技术最大的特点是几乎不需要制备，对样品破坏小，灵敏度高等特点，并且由于该分析方法仅有光束与目标靶材的接触，因而可实现多元素、原位分析。

由于LIBS技术是以激光烧蚀分析样品形成等离子体为基础，而激光等离子体参数、发射光谱强度以及激光烧蚀靶材料后其组分的分馏效果等均与激光功率密度密切相关。对于特定的激光源，其脉冲宽度、激光波长均已固定，而现在的激光技术已经可以实现激光脉冲能量的高稳定性（抖动<3%），因此，对激光聚焦后功率密度影响最大的因素则是精确控制聚焦透镜至样品表面的距离；对于表面不平整或者非规则样品，如果能及时修正透镜至分析点的距离，则可以大幅度提高LIBS技术元素分析精度，进一步降低元素的检测限。

目前，国际上可以提供商业化LIBS设备的主要厂商有法国IVEA、英国Applied Photonics等公司。其中在IVEA公司的EasyLIBS等产品上已经采用了两束半导体激光进行靶点定位，并通过摄像头采集光斑，由肉眼判断靶点的设计。对于手持式LIBS设备进行快速分析而言，这种设计已经可以满足快速分析需求。但是对于不规则样品的靶点精确定位，提高样品中元素含量分析精度以及重复测量等，该装置还具有一定的局限性。在Applied Photonics公司的多款LIBS产品中，尽管已经应用了一些锥形面光学元件布局的设计，但在其设计中，脉冲激光沿中轴线传输，这样设计减少了激光传输结构，但是也减少激光传输的可调节性，并且对于激光器与LIBS装置的尺寸提出了严格要求，不利于更换不同参数的激光源。在其光学元件只是按照锥形结构分布，并没有固定在锥面上，稳固性减弱。该设计中摄像头并不在中轴线安装，并且也未采用三束激光定位，因此，该设计对于开展不规则样品的靶点精确定位以及元素分布测量尚有局限性。并且该LIBS设备中，也未有环境气体喷嘴设计，也限制了其在基础研究以及特殊环境气体下元素分析的应用。

发明内容

本发明的目的在于，为避免现有技术的不足，提供一种可精确靶点定位，易于操作和推广，具有较高分析精度的激光诱导击穿光谱分析装置。本发明的目的是将半导体激光定位、CCD图像分析以及电控精密平移台等技术设备相结合，建立可实现靶点精确定位的激光诱导击穿光谱元素分析仪器。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种精确靶点定位的激光诱导击穿光谱元素分析仪，其主要特点在于包括有脉冲激光器通过激光传输系统将激光束传导到样品室内的分析样品上，靶点精确定位系统设在样品室上，靶样品发射光谱通过固定在靶点精确定位系统的传输光纤与光谱仪连接。

所述的精确靶点定位的激光诱导击穿光谱元素分析仪，所述的激光传输系统包括有在脉冲激光束传输的通道上设有第一激光扩束准直透镜组中的凹透镜、紫外石英直角棱镜及第二激光扩束准直透镜组中的凸透镜，在聚焦透镜安置腔内设有激光聚焦紫外石英透镜，在聚焦透镜安置腔外还设有特征波长全反射镜，脉冲激光束依次通过第一激光扩束准直透镜组中的凹透镜、紫外石英直角棱镜及第二激光扩束准直透镜组中的凸透镜及激光聚焦紫外石英透镜由特征波长全反射镜反射后照射在分析样品上。