详情

原文传递激光诱导击穿光谱系统和方法，及其检测系统和方法

专利名称：	激光诱导击穿光谱系统和方法，及其检测系统和方法
摘要：	描述了用于激光诱导击穿光谱(LIBS)的系统、方法和设备的各种实施例。在一些实施例中，LIBS系统包括以时间选通光子计数模式操作的硅光电倍增管(Si PM)。一些这样的实施例允许提供便携式LIBS设备。还提供了用于测量目标样品中的组分碳、金和/或其他贵金属族元素的实施例。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	加拿大;CA
申请人：	加拿大国家研究委员会
发明人：	P·布沙尔;M·撒布萨比;C·帕迪奥洛;R·希恩;P·J·哈德曼
专利状态：	有效
申请日期：	2017-10-20T00:00:00+0800
发布日期：	2019-08-02T00:00:00+0800
申请号：	CN201780078067.9
公开号：	CN110088600A
代理机构：	深圳市百瑞专利商标事务所(普通合伙)
代理人：	金辉
分类号：	G01N21/71(2006.01);G;G01;G01N;G01N21
申请人地址：	加拿大安大略省
主权项：	1.一种激光诱导击穿光谱(LIBS)系统，用于检测样品内感兴趣的组成元素，该系统包括硅光电倍增管(SiPM)。 2.根据权利要求1所述的LIBS系统，还包括相对于所述SiPM设置的波长转换元件，以便在检测所述感兴趣的组成元素中由SiPM检测之前，转换代表所述样本的发射光的波长。 3.根据权利要求1或2所述的LIBS系统，其中所述SiPM包括由线性SiPM阵列或二维SiPM阵列组成的SiPM阵列。 4.根据权利要求1所述的LIBS系统，该系统还包括：脉冲激光源，所述脉冲激光源可操作以使用重复激光脉冲照射样品，从而产生等离子体，所述等离子体发射代表样品的一种或多种组成元素的光；和居间光学器件，所述居间光学器件限定所述发射光的发射光谱部分的光学路径，所述发射光谱部分在与感兴趣的组成元素相对应的预定波长区间内；其中所述SiPM设置在所述路径内并可操作以检测所述发射光谱部分，并输出代表所述发射光谱部分的信号。 5.根据权利要求4所述的LIBS系统，还包括在所述路径中的波长转换元件，其将所述发射光谱部分转换为转换光谱部分，其中所述SiPM对所述转换光谱部分相对更敏感，从而增加所述发射光谱部分由所述SiPM检测的可检测性。 6.根据权利要求5所述的LIBS系统，其中所述转换元件包括涂层。 7.根据权利要求6所述的LIBS系统，其中所述涂层包括磷涂层。 8.根据权利要求1至7中任一项所述的LIBS系统，其中所述SiPM在时间选通模式下可操作，以便将检测约束到相对于每个探测激光脉冲预定义的预定时间窗口，以便隔离对应感兴趣的元素的发射光。 9.根据权利要求1至8中任一项所述的LIBS系统，其中所述SiPM可在光子计数模式下操作，以便对由此在多个探测激光脉冲上检测到的光子进行计数。 10.根据权利要求4至9中任一项所述的LIBS系统，所述系统同时检测两个或更多个感兴趣的组成元素：其中所述居间光学器件包括扫视光学器件，扫视光学器件可操作以在多个激光脉冲上沿所述路径动态扫过所述发射光的相应光谱部分；并且其中所述SiPM可操作以检测所述相应光谱部分，并输出代表相应光谱部分的相应信号。 11.根据权利要求4至9中任一项所述的LIBS系统，所述系统同时检测两个或更多个感兴趣的组成元素：其中所述居间光学器件为所述发射光的相应光谱部分定义相应的光学路径，所述相应光谱部分位于分别与所述两个或更多个感兴趣的组成元素相对应的相应预定波长区间内；并且其中，所述系统包括两个或多个SiPM，其布置在所述相应的路径内，并且可操作以检测所述相应光谱部分，并输出代表相应光谱部分的相应信号。 12.根据权利要求1至11中任一项所述的LIBS系统，其中所述脉冲激光源是脉冲光纤激光器、微型或功率芯片激光器或二极管泵浦激光器。 13.根据权利要求1至12中任一项所述的LIBS系统，其中所述感兴趣的元素是碳、金或贵金属族元素。 14.根据权利要求4至13中任一项所述的LIBS系统，其中所述居间光学器件包括光谱仪。 15.根据权利要求4至14中任一项所述的LIBS系统，其中所述脉冲激光源的每脉冲能量为约1J至数千J，脉冲频率为约1kHz至约1MHz。 16.根据权利要求15所述的LIBS系统，其中所述每脉冲能量为约10J至约1000J，并且其中所述脉频率为约1kHz至约500kHz。 17.根据权利要求16所述的LIBS系统，其中所述每脉冲能量为约50J至约500J，并且其中所述脉冲频率为约10kHz至约100kHz。 18.根据权利要求1至17中任一项所述的LIBS系统，其中所述系统是便携式或手持式系统。 19.硅光电倍增管在激光诱导击穿光谱(LIBS)系统中的用途，用于检测样品中感兴趣的组成元素。 20.一种用于检测样品内的感兴趣组成元素的方法，所述方法包括：使用重复激光脉冲照射样品以产生等离子体，该等离子体发射代表样品的一种或多种组成元素的光；将至少与感兴趣的构成元素对应的预定波长区间内的所述发射光的光谱部分引导向硅光电倍增管(SiPM)；通过所述SiPM检测在所述预定波长区间内的所述发射光的所述光谱部分；和输出代表所述光谱部分的信号，从而指示所述样品中感兴趣的组成元素的存在。 21.根据权利要求20所述的方法，还包括，在所述检测之前，将所述光谱部分转换为转换波长，其中所述SiPM对所述转换波长相对更敏感，从而通过所述SiPM提高所述光谱部分的可检测性。 22.根据权利要求20或21所述的方法，其中所述检测包括将所述光谱部分的检测约束到相对于每个所述激光脉冲预定义的预定时间窗口，以隔离对应于所述感兴趣的元素的发射光。 23.根据权利要求20至22中任一项所述的方法，其中所述检测包括在输出所述信号之前，在多个激光脉冲上对与所述光谱部分对应的光子进行计数。 24.根据权利要求20至23中任一项所述的方法，所述方法用于同时检测两种或更多种感兴趣的组成元素：其中所述引导包括在多个激光脉冲上顺序地将所述发射光的相应光谱部分引导向所述SiPM；其中所述检测包括顺序检测所述相应光谱部分；和其中所述输出包括输出代表每个所述光谱部分的相应信号。 25.根据权利要求20至23中任一项所述的方法，所述方法用于同时检测两种或更多种感兴趣的组成元素：其中所述引导包括将所述发射光的相应光谱部分引导向相应的SiPM；其中所述检测包括通过所述相应的SiPM同时检测所述相应光谱部分；和其中所述输出包括输出代表每个所述光谱部分的相应信号。 26.一种便携式激光诱导击穿光谱(LIBS)设备，用于检测样品中感兴趣的组成元素，该设备包括：便携式壳体；脉冲激光源，安装在所述壳体内并可操作以使用重复的激光脉冲照射样品，从而产生等离子体，所述等离子体发射代表样品的一个或多个组成元素的光；居间光学器件，安装在所述壳体内，以限定至少所述发射光的发射光谱部分的光路，所述发射光谱部分在与感兴趣的组成元件相对应的预定波长区间内；和检测器，可操作地安装在所述壳体内以拦截所述路径并在所述预定波长区间内检测所述发射光的所述光谱部分，并输出代表所述光谱部分的信号。 27.根据权利要求26所述的设备，其中所述检测器可在时间选通模式下操作，以便将所述光谱部分的检测约束到相对于每个所述重复激光脉冲预定义的预定时间窗口，以便隔离对应于感兴趣的元素的发射光。 28.根据权利要求26或27所述的设备，其中所述检测器可在光子计数模式下操作，以便在输出所述信号之前，对由此在多个激光脉冲上检测到的与所述发射光谱部分相对应的光子进行计数。 29.根据权利要求26至28中任一项所述的设备，其中所述脉冲激光源是脉冲光纤激光器、微型或功率芯片激光器或二极管泵浦激光器。 30.根据权利要求29所述的设备，其中所述脉冲激光源的每脉冲能量为约10J至约数千J，脉冲频率为约1kHz至约1MHz。 31.根据权利要求30所述的设备，其中所述每脉冲能量为约50J至约500J，并且所述脉冲频率为约10KHz至约100kHz。 32.根据权利要求26至31中任一项所述的设备，其中所述居间光学器件包括紧凑型光谱仪。 33.根据权利要求26至32中任一项所述的设备，其中所述感兴趣的元素是碳、金或贵金属族元素。 34.根据权利要求26至33中任一项所述的设备，所述设备同时检测两种或更多种感兴趣的组成元素：其中所述居间光学器件包括扫视光学器件，扫视光学器件可操作以在多个激光脉冲上沿所述路径动态扫过所述发射光的相应光谱部分；并且其中所述检测器可操作以检测所述相应光谱部分，并输出代表相应光谱部分的相应信号。 35.根据权利要求26至33中任一项所述的设备，所述设备同时检测两种或更多种感兴趣的组成元素：其中所述居间光学器件为所述发射光的相应光谱部分定义相应的光学路径，所述相应光谱部分位于分别与所述两个或更多个感兴趣的组成元素相对应的相应预定波长区间内；并且其中，所述系统包括两个或更多个检测器，所述两个或更多个检测器设置在所述相应路径内，并且可操作以检测所述相应光谱部分并输出代表相应光谱部分的相应信号。 36.根据权利要求26至35中任一项所述的设备，其中所述检测器包括由106数量级的内部增益限定的光子-电子转换器。 37.根据权利要求36所述的设备，其中所述检测器由低于约50伏的偏置电压限定。 38.根据权利要求26至37中任一项所述的设备，其中所述检测器包括由低于1ns的输出脉冲半高全宽(FWHM)定义的响应时间。 39.根据权利要求26至38中任一项所述的设备，其中所述检测器包括固态检测器。 40.根据权利要求39所述的设备，其中所述固态检测器包括硅光电倍增管(SiPM)。 41.根据权利要求39或40所述的设备，其中所述检测器包括由线性阵列或二维阵列组成的检测器阵列。 42.根据权利要求26至41中任一项所述的设备，还包括在所述路径中的波长转换元件，波长转换元件将所述发射光谱部分转换为转换光谱部分，其中所述检测器对所述转换光谱部分相对更敏感，从而增加了所述发射转换部分的由所述检测器检测的可检测性。 43.根据权利要求42所述的设备，其中所述转换元件包括涂层。 44.一种激光诱导击穿光谱(LIBS)系统，具有脉冲激光光源以从发射代表样品的光的样品产生等离子体，所述系统包括：检测器，用于检测与感兴趣的组成元素相对应的预定波长区间内的光的光谱部分，并输出代表光谱部分的信号；其中所述检测器在时间选通光子计数模式下可操作，以便将所述光谱部分的检测限制到相对于每个激光脉冲预定义的预定时间窗口，并且在多个激光脉冲上计数在所述窗口内由此检测到的光子以输出所述信号。 45.根据权利要求44所述的系统，其中所述脉冲激光光源是脉冲光纤激光器、微型或功率芯片激光器或二极管泵浦激光器。 46.根据权利要求44或45所述的系统，其中所述脉冲激光源的每脉冲能量为约10J至约数千J，脉冲频率为约1kHz至约1MHz。 47.根据权利要求46所述的系统，其中所述每脉冲能量为约50J至约500J，并且所述脉冲频率为约10KHz至约100kHz。 48.根据权利要求44至47中任一项所述的系统，还包括紧凑型光谱仪，以将所述光谱部分引导到所述检测器。 49.根据权利要求44至48中任一项所述的系统，其中所述感兴趣的元素是碳、金或贵金属族元素。 50.根据权利要求44至47中任一项所述的系统，所述系统同时检测两个或更多个感兴趣的组成元素，所述系统还包括：扫视光学器件，可操作以在多个激光脉冲上动态扫过发射光的相应光谱部分；其中所述检测器可操作以检测所述相应光谱部分，并输出代表相应光谱部分的相应信号。 51.根据权利要求44至47中任一项所述的系统，所述设备同时检测两个或更多个感兴趣的组成元素，所述系统还包括：居间光学器件，限定所述发射光的相应光谱部分的相应光学路径，所述相应光谱部分分别在对应于感兴趣的两个或更多个组成元素的相应预定波长区间内；其中，所述系统包括两个或更多个检测器，所述两个或更多个检测器设置在所述相应路径内，并且可操作以检测相应光谱部分并输出代表相应光谱部分的相应信号。 52.根据权利要求44至51中任一项所述的系统，其中所述检测器包括由106数量级的内部增益限定的光子-电子转换器。 53.根据权利要求44至52中任一项所述的系统，其中所述检测器由低于约50伏的偏置电压限定。 54.根据权利要求44至53中任一项所述的系统，其中所述检测器包括由低于1ns的输出脉冲半峰全宽(FWHM)定义的响应时间。 55.根据权利要求44至54中任一项所述的系统，其中所述检测器包括固态检测器。 56.根据权利要求55所述的系统，其中所述固态检测器是硅光电倍增管(SiPM)。 57.根据权利要求55或56所述的系统，其中所述检测器包括由线性阵列或二维阵列组成的检测器阵列。 58.根据权利要求44至57中任一项所述的系统，所述系统还包括波长转换元件，所述波长转换元件转换所述光谱部分以增加所述光谱部分的由所述检测器检测的可检测性。 59.根据权利要求58所述的系统，其中所述转换元件包括涂层。 60.根据权利要求44至59中任一项所述的系统，所述系统由便携式系统组成。
所属类别：	发明专利