[发明专利]高性能便携式LIBS分析系统

说明书

本发明公开了一种高性能便携式LIBS分析系统，包括外壳、设置在外壳内的高能激光器、光谱仪、光机器件、电池组、微型计算机、设置在外壳外部的探头、外部供电接口，高能激光器、光谱仪均与微型计算机连接；所述光机器件包括光束整形单元、激光反射镜、二向色镜、汇聚透镜、光纤耦合器；所述探头包括非球面透镜、喷嘴，喷嘴中部开有柱形空间束缚腔；所述电池组和/或外部供电接口为整个装置供电。本发明采用高能脉冲激光器作为激发源，既可以激发金属(合金)样品，又可以激发非金属(岩石、土壤等)样品产生等离子体；通过采用高能脉冲激光和光束整形单元，同时优化了同轴光路和探头设计，有效提高了LIBS光谱的信号稳定性和分析能力。

技术领域

本发明涉及光学仪器技术和光谱检测技术领域，特别是涉及一种高性能便携式LIBS分析系统。

背景技术

激光诱导击穿光谱(Laser-Induced Breakdown Spectroscopy,简称LIBS)是通过汇聚脉冲激光到样品表面形成等离子体，进而对等离子体发射光谱进行分析，以确定样品的元素组成及含量的分析技术。LIBS采用脉冲激光作为激发源，使其与传统的分析方法相比具有许多优势，因此LIBS技术已广泛应用于环境污染检测、空间探索、材料分析和文物鉴定等诸多领域。同时，LIBS非常适用于工业现场生产过程中对各种物态样本的原位、在线检测。然而，由于激光-靶材和激光-等离子体相互作用的复杂性，光谱采集时等离子体的时间瞬态和空间梯度不均匀性，等离子体易受到样品表面的物理和化学性质及其所处环境的影响等，致使LIBS信号重复性差，从而导致定性定量分析准确度低，严重制约了LIBS技术的商业化和工业应用。

目前，基于LIBS技术的台式仪器虽然性能优越，但存在体积大，不易搬运，需要外部供电等缺点，不能有效发挥LIBS技术原位在线分析能力。现有的便携式LIBS分析仪，由于内部空间限制，只能采用低能激光作为激发光源(几十到几百微焦)和简单光路，只适用于金属样品分析，分析性能不足。

因此亟需提供一种新型的高性能便携式LIBS分析系统来解决上述问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能够稳定采集金属和非金属激光诱导等离子体发射光谱的高性能便携式LIBS分析系统，能够满足用户室外原位在线分析样品名称的定性识别和元素种类含量的定量分析需求。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种高性能便携式LIBS分析系统，包括外壳、设置在外壳内的高能激光器、光谱仪、光机器件、电池组、微型计算机、设置在外壳外部的探头、外部供电接口，高能激光器、光谱仪均与微型计算机连接；所述光机器件包括光束整形单元、激光反射镜、二向色镜、汇聚透镜、光纤耦合器；所述探头包括非球面透镜、喷嘴，喷嘴中部开有柱形空间束缚腔；所述电池组和/或外部供电接口为整个装置供电；

所述高能激光器的激光头发出的光依次经过光束整形单元、激光反射镜、二向色镜转换或反射后，通过非球面透镜汇聚到待分析样品表面产生等离子体，柱形空间束缚腔束缚等离子体发出的光经过同轴汇聚透镜汇聚到光纤耦合器端面，并经光纤传输到光谱仪，光谱仪采集光谱数据经过数据电缆传送到微型计算机进行光谱数据处理。

在本发明一个较佳实施例中，所述外部供电接口通过设置在外壳内的降压稳流器与电池组连接，所述外部供电接口连接220V/50HZ市电，并经过降压整流后可以为整个系统供电和电池组充电。

在本发明一个较佳实施例中，所述高能激光器包括激光头、与激光头连接的激光电源，所述高能激光器采用单脉冲激光器，单脉冲能量大于1mJ。

在本发明一个较佳实施例中，所述光束整形单元包括基于衍射光学元件的平顶光束整形器、扩束镜，平顶光束整形器用于将原始高斯能量分布激光束转化为平顶能量分布光束，扩束镜用于将平顶能量分布光束进行扩束。

在本发明一个较佳实施例中，所述激光反射镜与激光入射方向成45度放置，对激光束反射效率大于99.5％。