[发明专利]改进的高信噪比低检出限的LIBS物质成分探测系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种激光光谱探测系统，尤其涉及一种结合飞秒预烧蚀双脉冲激光诱导击穿光谱(Femtosecond Pre-Ablative Double-Pulse Laser-Induced Breakdown Spectroscopy，简称fs-PA-DP-LIBS)和偏振分辨激光诱导击穿光谱(Polarization Resolved Laser-Induced Breakdown Spectroscopy，简称PR-LIBS)的探测系统及方法。

背景技术

激光诱导击穿光谱(LIBS)探测技术是利用高能量短脉宽的脉冲激光，经过聚焦照射到被测物体表面，在焦点上获得极高能量密度的激光脉冲，使照射目标表面烧蚀、蒸发、电离，形成高温、高压、高电子密度的等离子体火花，辐射出包括特征原子和离子谱线的光谱，可以用于探测物质组成。

将LIBS的脉冲激光脉宽缩减到飞秒量级的技术成为飞秒激光诱导击穿光谱(fs-LIBS)，相比常规LIBS，fs-LIBS脉宽更小，光强更高，作用在被测物体表面的热效应范围更小，能使被测物体表面在保持一定分子结构的同时发生电离，辐射出包含特征原子、离子及分子谱线的光谱，能够获得更多关于被测物质组成的信息。

单脉冲LIBS容易受到被测物体表面附着物和被测物体的基体效应的影响，测量结果有一定的随机性，重复性差，检测限高，改进的方法是采用双脉冲LIBS，双脉冲LIBS分为再加热双脉冲LIBS和预烧蚀双脉冲LIBS，相比再加热双脉冲LIBS，采用预烧蚀双脉冲LIBS，可以去除被测物表面杂质的影响，增强特征光强度，降低检测限，提高信噪比，减小相对标准偏差。

LIBS激发出的光谱不仅包含了特征原子、离子和分子的谱线，还包括了一个连续谱，该连续谱和物质的特征线谱的偏振状态不同，通过滤除连续谱，可以提高探测的灵敏度，降低检出限，提高信噪比。

在已公开的基于双脉冲和偏振分辨的激光诱导击穿光谱测量技术的专利文献(申请号：201210246338)中，采取了再加热双脉冲LIBS，可用于提高探测精度，但是采用再加热双脉冲LIBS不能去除被测物质表面杂质对LIBS光谱信号的影响，难以将测量精度进一步提高，同时采用传统的LIBS不能进一步测量物质的分子构成，为了进一步提高LIBS的探测准确度，本专利提出了一种结合飞秒预烧蚀双脉冲LIBS和偏振分辨LIBS的物质成分探测系统和探测方法，该方法结合了飞秒预烧蚀双脉冲LIBS和偏振分辨LIBS，通过计算机控制，调整双脉冲的时间间隔和偏振片的偏振角，通过改变特定波长带通滤光片的通带范围，改变其中一束激光的波长，实现了降低检出限、提高探测精度、提高信噪比、提高稳定度的目的，同时应用飞秒激光脉冲，可以将分子光谱和原子光谱同时探测，能够获得更准确的物质组成信息。

发明内容

本专利的目的在于提供一种改进的高信噪比低检出限的LIBS物质成分探测系统及方法，该系统结合了飞秒预烧蚀双脉冲LIBS和偏振分辨LIBS的优点，利用改变其中一束激光的波长、控制双脉冲之间时间间隔、控制偏振片偏振角的方法，来降低LIBS探测的检出限，提高信噪比，提高稳定度，同时应用飞秒激光脉冲，可以将分子光谱和原子光谱同时探测，能够获得更准确的物质组成信息。

改进的高信噪比低检出限的LIBS物质成分探测系统包括近红外飞秒脉冲激光器1，近红外超连续谱飞秒脉冲激光器2，特定波长带通滤光片3，45°放置的反射镜4，合束镜5，扩束镜6，45°放置的分束镜7，光路复用的望远镜8，偏振角可调的偏振镜10，光纤耦合镜11，光纤接口12，ICCD光谱仪14，计算机19。

近红外飞秒脉冲激光器1与近红外超连续谱飞秒脉冲激光器2平行放置，近红外超连续谱飞秒脉冲激光器前有特定波长带通滤光片滤光片3，特定波长带通滤光片3前有45°放置的反射镜4，45°放置的反射镜4旁边有合束镜5，合束镜5与近红外飞秒脉冲激光器1共线，合束镜5前有扩束镜6，扩束镜6前有45°放置的分束镜7，45°放置的分束镜7前有光路复用的望远镜8，光路复用的望远镜8焦点处放置被测物体，45°放置的分束镜7旁边有偏振角可调的偏振镜10，偏振角可调的偏振镜10旁边是光纤耦合镜11，光纤耦合镜11旁边是光纤接口12，使用光纤将光纤接口12和ICCD光谱仪14相连，使用线缆将近红外飞秒脉冲激光器1、近红外超连续谱飞秒脉冲激光器2、偏振角可调的偏振镜10、ICCD光谱仪14和计算机19相连。