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原文传递一种用于水下检测的光纤LIBS探测系统及方法

专利名称：	一种用于水下检测的光纤LIBS探测系统及方法
摘要：	本发明涉及一种用于水下检测的光纤LIBS探测系统及方法，所述系统包括激光输出模块、水下光纤LIBS探头以及控制处理模块，采用本发明的系统在检测时通过气嘴向水下光纤LIBS探头充气，将光学窗口之下的液体通过排水口排出，使得待测样品表面附近营造出一种类空气环境，从而大幅度提高激光击穿诱导等离子体的效率和收集光谱信背比；并且可根据实际需求在水下光纤LIBS探头内制造多种气体介质环境，以满足激光检测各种元素的介质环境要求；本发明可实现多种元素的同时分析，操作安全可靠，重复性高，灵敏度高，测量精度高，光谱信噪比高，元素检测限高，分析速度快，效率高，能够进行远程在线监测，有效解决了水下进行LIBS元素检测的难点。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	江苏;32
申请人：	苏州热工研究院有限公司
发明人：	刘韬;吴坚;李兴文;朱斌;薛飞;杭玉桦;安英辉;王春辉;孔晨光;李平仁;陈海岳
专利状态：	有效
申请日期：	2019-05-21T00:00:00+0800
发布日期：	2019-09-10T00:00:00+0800
申请号：	CN201910422548.8
公开号：	CN110220884A
代理机构：	苏州创元专利商标事务所有限公司
代理人：	孙仿卫
分类号：	G01N21/71(2006.01);G;G01;G01N;G01N21
申请人地址：	215004 江苏省苏州市西环路1788号
主权项：	1.一种用于水下检测的光纤LIBS探测系统，其特征在于：包括激光输出模块（A）、水下光纤LIBS探头（B）以及控制处理模块（C）；所述水下光纤LIBS探头（B）包括第一光组件（B1）和第二光组件（B2）；所述第一光组件（B1）包括第一套筒（38）以及设于所述第一套筒中且将所述第一套筒（38）分隔为上部空腔和下部空腔的光学窗口（32），所述上部空腔依次设有位于同一光路的第一光纤转接件（21）、第二平凸透镜（36）、第三平凸透镜（34）和二向色镜（33），所述第一光纤转接件（21）与所述激光输出模块（A）相连；所述下部空腔的下端面设有用以紧贴待测样品（12）的排水口（30），所述下部空腔的两侧分别设有用以与外部气源相连的气嘴（28）；所述第二光组件（B2）包括位于所述第一套筒（38）一侧的第二套筒（23）且依次设于所述第二套筒（23）中且位于同一光路的第二光纤转接件（22）、第四平凸透镜（24）、第五平凸透镜（26）和第二反射镜（27），所述第二光纤转接件（22）与所述控制处理模块（C）中的光谱仪（17）相连，经过所述第一光组件（B1）的激光聚焦击穿所述待测样品（12）表面后产生的等离子体羽（13）的发光光束经过所述二向色镜（33）反射后传向所述第二反射镜（27）。 2.根据权利要求1所述的一种用于水下检测的光纤LIBS探测系统，其特征在于：所述光学窗口（32）位于所述下部空腔的一端连接有磁空约束体（31），所述磁空约束体（31）具有环状壁面以及由所述环状壁面围绕形成的正对所述光学窗口（32）的通道，所述磁空约束体（31）的壁面下部设有相对的两磁极（29）。 3.根据权利要求1所述的一种用于水下检测的光纤LIBS探测系统，其特征在于：所述光学窗口（32）为一圆柱体形石英玻璃且其两面均镀有增透膜；所述第四平凸透镜（24）和第五平凸透镜（26）的表面均镀有增透膜。 4.根据权利要求1所述的一种用于水下检测的光纤LIBS探测系统，其特征在于：所述第三平凸透镜（34）的侧面设有外螺纹，所述第三平凸透镜（34）与所述第一套筒（38）的内壁螺纹配合，所述水下光纤LIBS探头（B）还包括用以对所述第三平凸透镜（34）进行轴向位置调整的微调控制器（B3），所述微调控制器（B3）包括与所述第三平凸透镜（34）的外螺纹螺纹配合的微调螺杆（35）、用以限制所述微调螺杆（35）轴向移动的限位结构以及用以驱使所述微调螺杆（35）转动的微型电机（37），所述微型电机（37）与所述控制处理模块（C）电连接。 5.根据权利要求1所述的一种用于水下检测的光纤LIBS探测系统，其特征在于：所述激光输出模块（A）包括纳秒激光器（1）、用以对所述纳秒激光器（1）输出的激光进行分光的第一分光镜（2）和光电探测器（3）、用以对透过所述第一分光镜（2）的激光进行分光的第二分光镜（4）和激光能量计（8），以及与所述第二分光镜（4）依次连接的第一反射镜（5）和光纤耦合端（7），所述光电探测器（3）和所述激光能量计（8）分别与所述控制处理模块（C）相连。 6.根据权利要求5所述的一种用于水下检测的光纤LIBS探测系统，其特征在于：所述纳秒激光器（1）、所述第一分光镜（2）、所述第二分光镜（4）和所述第一反射镜（5）均位于同一光路且其各自的中心位于同一直线；所述第一分光镜（2）、所述第二分光镜（4）和所述第一反射镜（5）均与所述纳秒激光器（1）的输出激光光轴呈45°夹角。 7.根据权利要求6所述的一种用于水下检测的光纤LIBS探测系统，其特征在于：所述光纤耦合端（7）包括第一平凸透镜（6）以及用以与高功率传输光纤（9）的一端相连的输入端，所述高功率传输光纤（9）的另一端与所述第一光纤转接件（21）相连，所述第一反射镜（5）的中心和所述第一平凸透镜（6）的中心位于同一光路，所述第一反射镜（5）、所述第一平凸透镜（6）、以及所述高功率传输光纤（9）的输入端其各自的中心位于同一直线，所述第一平凸透镜（6）与所述纳秒激光器（1）的输出激光光轴平行。 8.根据权利要求7所述的一种用于水下检测的光纤LIBS探测系统，其特征在于：所述高功率输出光纤（9）的输出端、所述第一光纤转接件（21）、所述第二平凸透镜（36）、所述第三平凸透镜（34）、所述二向色镜（33）以及所述光学窗口（32）其各自的中心位于同一直线；所述第二光纤转接件（22）通过收集光纤（14）与所述光谱仪（17）相连，所述收集光纤（14）的输入端、所述第二光纤转接件（22）、所述第四平凸透镜（24）、所述第五平凸透镜（26）、所述第二反射镜（27）其各自的中心位于同一直线。 9.根据权利要求8所述的一种用于水下检测的光纤LIBS探测系统，其特征在于：所述控制处理模块（C）包括计算机（16）、可编程脉冲延迟发生器（15）、示波器（19）、所述光谱仪（17）以及ICCD（18），所述可编程脉冲延迟发生器（15）分别与所述纳秒激光器（1）、所述光谱仪（17）和所述ICCD（18）电性连接；所述示波器（19）分别与所述光电探测器（3）和所述ICCD（18）电性连接；所述计算机（16）分别与所述激光能量计（8）和所述光谱仪（17）电性连接。 10.一种根据权利要求9所述的系统进行水下检测的方法，其特征在于，包括如下步骤： S1、将水下光纤LIBS探头（B）至于水箱（11）中，使排水口（30）紧贴待测样品（12）表面； S2、通过气嘴（28）向水下光纤LIBS探头（B）的下部空腔中充入不溶性的气体介质，同时将下部空腔中的水通过排水口（30）排出； S3、待观测到有气泡从排水口（30）向外排出，将纳秒激光器（1）设置为内触发模式，设置可编程脉冲延迟发生器（15）的参数，改变纳秒激光器（1）的激光出光信号与ICCD（18）门宽信号的延时，使得在计算机（16）的软件上观测到的光谱图为线性辐射谱图； S4、调整第三平凸透镜（34）在第一套筒（38）中的轴向位置； S5、观测特征线辐射光谱的信背比和光谱图的纵坐标，直至观测到且光谱图纵坐标数值最大的特征线辐射光谱，否则返回S4的步骤； S6、将纳秒激光器（1）的工作模式改为外触发模式，通过可编程脉冲延迟发生器（15）控制纳秒激光器（1）的出光及ICCD（18）的门宽信号延时； S7、设置激光打靶的累加次数，使用光谱仪（34）采样背景光，得到待测样品（12）的累加光谱信息； S8、对比NIST数据库中LIBS光谱数据，分析得到所含的元素种类及对应的谱线强度； S9、进行标准样品的水下光纤LIBS实验，通过LIBS元素定标曲线定量检测待测样品（12）中的元素含量。
所属类别：	发明专利