[发明专利]一种高效的多路激光探针分析系统与方法

权利要求书

1.一种多路激光探针检测系统，该系统包括脉冲激光器(1)、光栅光谱仪(5)、ICCD探测器(6)、数字延迟脉冲发生器(7)和计算机(8)，其特征在于，该系统还包括分光耦合装置A、光信号合路装置C和多台探测装置B；

所述脉冲激光器(1)通过传导光纤与分光耦合装置A的输入端相连，分光耦合装置A的输出端通过多路传导光纤将脉冲激光信号分别传输到各探测装置B中，分光耦合装置A用于将脉冲激光器(1)发出的脉冲信号按时序或者能量分路耦合到多芯光纤，以实现一束激光对多个待测点的激发；

各探测装置B均包括扫描振镜系统D、第二会聚透镜(25)和光纤耦合器(26)；所述的扫描振镜系统D用于对激光束进行聚焦对检测点进行面扫描，使各检测点表面形成等离子体；第二会聚透镜(25)用于从激光束侧向采集所述等离子体发射的光信号，采集到的光信号被光纤耦合器(26)耦合后通过传导光纤传输至光信号合路装置C；

光信号合路装置C用于将多路光信号合并为一路光信号，合路后的等离子体光信号按照传输的时序分别被传导光纤传送至光栅光谱仪(5)，光栅光谱仪(5)按照时序对等离子体光信号分光后传输至ICCD探测器(6)；

ICCD探测器(6)依次对分光后的信号进行检测，经过光电转换后，各个检测点光谱信息由计算机(8)输出；

所述的数字延迟脉冲发生器(7)连接脉冲激光器(1)的Q-switch信号输出端和ICCD探测器(6)的触发信号输入端，用于控制激光脉冲信号与ICCD探测的延迟时间；

所述计算机(8)用于控制脉冲激光器(1)发出脉冲激光信号与ICCD开始采集信号的时间间隔，并接收来自ICCD探测器(6)的光谱数据，其内置的光谱分析软件是多窗口界面，每个窗口对应显示一处探测点的等离子体光谱信号，用于对光谱数据进行分析和处理。

2.根据权利要求1所述的多路激光探针检测系统，其特征在于，所述扫描振镜系统D包括变焦装置(19)，第一会聚透镜(20)，X轴振镜(21)和Y轴振镜(22)；变焦装置(19)用于控制激光束的聚焦位置，脉冲激光首先进入变焦装置(19)，在变焦装置(19)的控制下激光束的焦距发生变化，并进入第一会聚透镜(20)，第一会聚透镜(20)用于聚焦激光光束来提高激光束的功率密度，对被测对象进行有效激发， X轴振镜(21)和Y轴振镜(22)的旋转轴分别沿竖直方向和水平方向，其作用是控制由第一会聚透镜(20)射出的激光束的方向以实现对检测点的面扫描。

3.根据权利要求1或2所述的多路激光探针检测系统，其特征在于，所述分光耦合装置A为由光开关或微机电系统控制的多路光开关，或者分束器。

4.根据权利要求1或2所述的多路激光探针检测系统，其特征在于，所述分光耦合装置A包括激光输出端口(9)、激光接收端口(10)和球面反射镜(13)，球面反射镜(13)为内表面镀膜的反射镜，球心朝向激光输出端口(9)和激光接收端口(10)；光开关工作时，通过绕旋转轴(12)匀速转动球面反射镜(13)将从激光输出端口(9)输出的激光束按照预定时序耦合到激光接收端口(10)，旋转轴（12）与球面反射镜（13）固定连接，并且旋转轴（12）所在直线经过球面反射镜（13）的球心；激光接收端口(10)分别接受到一个激光脉冲信号，从而确保每个激光脉冲进入不同的激光接收端口(10)，随后传导光纤将激光脉冲信号传送至对应的探测点。

5.根据权利要求1或2所述的多路激光探针检测系统，其特征在于，所述分光耦合装置A包括由MEMS控制反射镜组(15)，多个由光纤耦合器(16)和传导光纤(17)组成的光信号传输通道，MEMS控制反射镜组(15)中反射镜的数量与检测点数目相等，每个光信号传输通道对应一个反射镜，通过MEMS控制反射镜组（15）的不同升降组合来将脉冲激光按照要求时序分别通过不同的光纤耦合器(16)耦合到传导光纤(17)中进行传输，实现对全部探测点依次激发。

6.根据权利要求1或2所述的多路激光探针检测系统，其特征在于，所述ICCD探测器(6)的增益在0～4095范围调节，并且其门宽时间在10 ns～100 ms之间选择，通过设置ICCD探测器(6)的增益大小和门宽时间以获得最佳光谱数据。

7.根据权利要求1或2所述的多路激光探针检测系统，其特征在于，所述传导光纤的工作波段均为200 nm～1100 nm，且能够承受脉冲激光的作用长期稳定工作。

8.一种利用权利要求1至6任一所述的多路激光探针检测系统的方法，该方法包括下述步骤：

第1步 由脉冲激光器发出的激光脉冲在分光耦合装置A的作用下，按照预定时序分别进入到多条不同的光信号传输通道，实现对一台脉冲激光脉冲信号的分路，将每路激光脉冲信号分别传输到对应的检测点，实现由一台脉冲激光器(1)发出的激光脉冲对多处检测点的激发；

第2步 脉冲激光到达检测点后，激光束在扫描振镜系统D的控制下作用于被测对象表面，并且由扫描振镜系统D控制激光束对被测对象表面进行主动扫描激发；

第3步 由第二会聚透镜(25)从激光束侧向对等离子体发射的光信号进行采集，采集到的光信号被光纤耦合器(26)耦合到传导光纤并被传输至光信号合路装置C，在光信号合路装置C的作用下，多路光信号被合并为一路光信号并由一路传导光纤传输到光栅光谱仪(5)，以对多路等离子体光谱信号进行探测；

第4步 光栅光谱仪(5)按照时序对等离子体光信号分光后传输至ICCD探测器(6)，然后由ICCD探测器(6)依次对分光后的信号进行检测，在检测过程中，根据采集的激光等离子体光谱信号的优劣对脉冲激光能量的大小，数字延迟脉冲发生器(7)的延迟时间和光学参数进行调整，获得最佳的实验参数；

第5步 各个检测点光谱信息由计算机(8)输出，不同检测点的检测结果同时予以显示，实现对多个检测点的待测物质在线定性和定量分析。