本發(fā)明涉及應(yīng)用光譜技術(shù)、光譜分析、檢測與計量領(lǐng)域，具體涉及一種高重復(fù)頻率激光剝離-火花誘導(dǎo)擊穿光譜元素分析系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

在很多場合，需要對樣品中的元素進行掃描成像和含量分析。傳統(tǒng)的光譜分析方法，如原子吸收光譜、原子熒光光譜、電感耦合等離子體-原子發(fā)射光譜和電感耦合等離子體-質(zhì)譜分析技術(shù)等一般需要對樣品進行前處理，分析速度慢；基于低重頻的激光誘導(dǎo)擊穿光譜(laser-inducedbreakdownspectroscopy，libs)技術(shù)作為一種原子光譜分析技術(shù)，將一束高能量的脈沖激光聚焦到待分析的樣品表面產(chǎn)生高溫等離子體，被激光剝離出來的少量物質(zhì)在高溫等離子體中被原子化和離子化，并發(fā)出原子或者離子的特征光譜輻射，通過分析光譜強度來實現(xiàn)對樣品中元素濃度(或者含量)的分析。該技術(shù)具有無需復(fù)雜的樣品前處理過程、可以實現(xiàn)工業(yè)在線和遠距離分析等特點，被廣泛地應(yīng)用于各種不同場合的元素分析，還可以實現(xiàn)固體樣品二維元素分布的掃描成像分析。然而現(xiàn)有的libs技術(shù)一般是基于低重復(fù)頻率(一般為10hz)的脈沖激光器來開展的，也就是說，即使是單次取樣的話，獲取數(shù)據(jù)的頻率也就只有10hz，導(dǎo)致分析速度慢，特別是要完成一幅高分辨的二維元素分布的掃描成像的話，必定要花很長的時間，因而急需進行改進。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種高重復(fù)頻率激光剝離-火花誘導(dǎo)擊穿光譜元素分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)成像速度快、分析靈敏度高，能夠?qū)崿F(xiàn)對各種樣品中元素的快速掃描成像和含量分析。

本發(fā)明的另一目的在于提供一種高重復(fù)頻率激光剝離-火花誘導(dǎo)擊穿光譜元素分析方法。

本發(fā)明的目的可以通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)：

一種高重復(fù)頻率激光剝離-火花誘導(dǎo)擊穿光譜元素分析系統(tǒng)，包括用于提供高重復(fù)頻率脈沖激光的激光器、對脈沖激光進行聚焦的聚焦透鏡、固定待測樣品并能夠在二維平面內(nèi)移動的樣品臺、接收脈沖激光并產(chǎn)生脈沖信號的發(fā)光二極管、提供高壓脈沖的高壓脈沖電源、與高壓脈沖電源連接并進行限流的第一限流電阻、為放電電極提供電流的電容、與電容連接并進行限流的第二限流電阻、對待測樣品產(chǎn)生的等離子體施加高壓脈沖并進行火花放電的放電電極、其中高壓脈沖電源通過第一限流電阻與電容連接，電容通過第二限流電阻與放電電極連接，還包括對火花放電的發(fā)光進行收集的光學(xué)收集系統(tǒng)、與光學(xué)收集系統(tǒng)連接的光譜儀、與光譜儀連接并將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的光電倍增管、數(shù)字存儲示波器以及電子計算機，數(shù)字存儲示波器與發(fā)光二極管和光電倍增管連接，電子計算機與光譜儀和數(shù)字存儲示波器連接，對數(shù)字存儲示波器的數(shù)據(jù)做數(shù)據(jù)分析并控制光譜儀的輸出波長范圍。

進一步地，所述放電電極垂直放置在等離子體的上下方并與待測樣品表面平行。

進一步地，所述激光器為聲光調(diào)q的nd:yag激光器，脈沖重復(fù)率為1-10khz，單脈沖能量為1-10mj。

進一步地，所述聚焦透鏡為k9玻璃的球透鏡，表面鍍有增透膜，焦距為10-15cm。

進一步地，所述樣品臺能夠在x軸和y軸方向上平移，使脈沖激光每一次都打在待測樣品的不同位置。

進一步地，所述放電電極為鎢鈰電極，所述發(fā)光二極管為硅基pin二極管，所述高壓脈沖電源為直流高壓電源，電壓0-4000v，最大輸出電流為50ma。

進一步地，所述光學(xué)收集系統(tǒng)為一組透鏡或者為帶有透鏡的光纖，即光學(xué)收集系統(tǒng)通過一組透鏡將火花放電產(chǎn)生的發(fā)光收集到光譜儀的入射狹縫處，或者通過帶有透鏡的光纖將火花放電產(chǎn)生的發(fā)光收集到光譜儀的入射狹縫處。

進一步地，所述光譜儀的焦距為30或50cm，所述光電倍增管能夠用線陣ccd代替，所述數(shù)字存儲示波器的帶寬在200mhz以上，所述電子計算機為臺式或者手提式。

本發(fā)明的另一目的可以通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)：

一種高重復(fù)頻率激光剝離-火花誘導(dǎo)擊穿光譜元素分析方法，所述方法包括以下步驟：

s1、激光器產(chǎn)生高重復(fù)頻率脈沖激光，經(jīng)聚焦透鏡聚焦到樣品臺上的待測樣品上，樣品臺在二維平面內(nèi)不停地移動以使脈沖激光打在樣品的不同位置，脈沖激光對待測樣品進行剝離產(chǎn)生等離子體；

s2、發(fā)光二極管接收到脈沖激光后產(chǎn)生一個脈沖信號去同步觸發(fā)數(shù)字存儲示波器；

s3、高壓脈沖電源經(jīng)過第一限流電阻給電容充電，電容與第二限流電阻形成放電回路輸出高壓脈沖，并通過放電電極施加在步驟s1產(chǎn)生的等離子體的上下方，等離子體使放電電極間的空氣間隙短路從而觸發(fā)火花放電；

s4、光學(xué)收集系統(tǒng)將火花放電產(chǎn)生的發(fā)光收集到光譜儀的入射狹縫處；

s5、與光譜儀連接的光電倍增管將光信號轉(zhuǎn)換為電信號；

s6、數(shù)字存儲示波器將光電倍增管的電信號采集后傳送給電子計算機做數(shù)據(jù)分析，電子計算機同時控制光譜儀的輸出波長范圍；

s7、電子計算機選取設(shè)定時間范圍內(nèi)的積分信號作為信號的相對值，該值與待測樣品中元素的濃度相對應(yīng)；

s8、通過對比待測樣品和元素濃度已知的樣品的信號強度，分析得出待測樣品中的元素濃度值。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點和有益效果：

1、本發(fā)明的光譜元素分析系統(tǒng)由于是在高于1khz的重復(fù)頻率下運轉(zhuǎn)的，電子儀器可以在能力許可的范圍內(nèi)快速獲取分析數(shù)據(jù)，因而大大提高了分析速度和分析效率，特別是對于高分辨的二維元素分布掃描成像分析，可以快速地完成一幅圖像的掃描，極大地提高了掃描成像的速度。

2、本發(fā)明的光譜元素分析系統(tǒng)在等離子體的上下方設(shè)置有放電電極，經(jīng)高重頻激光剝離產(chǎn)生的等離子體經(jīng)火花誘導(dǎo)擊穿后，信號強度跟沒有火花放電時相比有顯著的提高，解決了聲光調(diào)q激光器單脈沖能量低、等離子體溫度低從而導(dǎo)致原子輻射信號低的缺點，提高了光譜分析靈敏度；此外，還可以在短時間內(nèi)通過快速平均多個脈沖來降低噪聲，獲得更高的信噪比，同樣也有利于提高光譜分析的靈敏度，在物質(zhì)成分快速分析和高速激光成像中具有巨大的應(yīng)用價值。

3、本發(fā)明的光譜元素分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、性價比高、易于實現(xiàn)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例高重復(fù)頻率激光剝離-火花誘導(dǎo)擊穿光譜元素分析系統(tǒng)的示意圖；

圖2(a)為采用傳統(tǒng)的激光誘導(dǎo)擊穿光譜儀在只有激光剝離條件下得到的鋁合金樣品中鋁的原子輻射(394.4nm)和等離子體軔致電子輻射背景(393.0nm)的時域圖；

圖2(b)為采用本發(fā)明實施例光譜元素分析系統(tǒng)得到的鋁合金樣品中鋁的原子輻射(394.4nm)和等離子體軔致電子輻射背景(393.0nm)的時域圖；

圖3為采用本發(fā)明實施例光譜元素分析系統(tǒng)得到的鋁合金在放電電壓為2kv、激光重復(fù)頻率為1khz時的掃描記錄光譜和采用傳統(tǒng)的激光誘導(dǎo)擊穿光譜儀在只有激光剝離條件下得到掃描記錄光譜的對比圖。

其中，1-激光器，2-聚焦透鏡，3-樣品臺，4-放電電極，5-發(fā)光二極管，6-高壓脈沖電源，7-第一限流電阻，8-電容，9-第二限流電阻，10-光學(xué)收集系統(tǒng)，11-光譜儀，12-光電倍增管，13-數(shù)字存儲示波器。

具體實施方式

下面結(jié)合實施例及附圖對本發(fā)明作進一步詳細的描述，但本發(fā)明的實施方式不限于此。

實施例：

如圖1所示，本實施例提供了一種高重復(fù)頻率激光剝離-火花誘導(dǎo)擊穿光譜元素分析系統(tǒng)，包括用于提供高重復(fù)頻率脈沖激光的激光器1、對脈沖激光進行聚焦的聚焦透鏡2、固定待測樣品并能夠在二維平面內(nèi)移動的樣品臺3、接收脈沖激光并產(chǎn)生脈沖信號的發(fā)光二極管5、提供高壓脈沖的高壓脈沖電源6、與高壓脈沖電源6連接并進行限流的第一限流電阻7、為放電電極4提供電流的電容8、與電容8連接并進行限流的第二限流電阻9、對待測樣品產(chǎn)生的等離子體施加高壓脈沖并進行火花放電的放電電極4、其中高壓脈沖電源6通過第一限流電阻7與電容8連接，電容8通過第二限流電阻9與放電電極4連接，還包括對火花放電的發(fā)光進行收集的光學(xué)收集系統(tǒng)10、與光學(xué)收集系統(tǒng)10連接的光譜儀11、與光譜儀11連接并將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的光電倍增管12、數(shù)字存儲示波器13以及電子計算機14，數(shù)字存儲示波器13與發(fā)光二極管5和光電倍增管12連接，電子計算機14與光譜儀11和數(shù)字存儲示波器13連接，對數(shù)字存儲示波器13的數(shù)據(jù)做數(shù)據(jù)分析并控制光譜儀11的輸出波長范圍。

其中，所述放電電極4垂直放置在等離子體的上下方并與待測樣品表面平行；所述激光器1為聲光調(diào)q的nd:yag激光器，脈沖重復(fù)率為1-10khz，單脈沖能量為1-10mj；所述聚焦透鏡2為k9玻璃的球透鏡，表面鍍有增透膜，焦距為10-15cm；所述樣品臺3能夠在x軸和y軸方向上平移，使脈沖激光每一次都打在待測樣品的不同位置；所述放電電極4為鎢鈰電極，所述發(fā)光二極管5為硅基pin二極管，所述高壓脈沖電源6為直流高壓電源，電壓0-4000v，最大輸出電流為50ma；所述光學(xué)收集系統(tǒng)10為一組透鏡或者為帶有透鏡的光纖，即光學(xué)收集系統(tǒng)10通過一組透鏡將火花放電產(chǎn)生的發(fā)光收集到光譜儀11的入射狹縫處，或者通過帶有透鏡的光纖將火花放電產(chǎn)生的發(fā)光收集到光譜儀11的入射狹縫處；所述光譜儀11的焦距為30或50cm，所述光電倍增管12能夠用線陣ccd代替，所述數(shù)字存儲示波器13的帶寬在200mhz以上，所述電子計算機14為臺式或者手提式。

采用上述高重復(fù)頻率激光剝離-火花誘導(dǎo)擊穿光譜元素分析系統(tǒng)對樣品中的元素含量進行分析，包括以下步驟：

s1、激光器1產(chǎn)生高重復(fù)頻率脈沖激光，經(jīng)聚焦透鏡2聚焦到樣品臺3上的待測樣品上，樣品臺3在二維平面內(nèi)不停地移動以使脈沖激光打在樣品的不同位置，脈沖激光對待測樣品進行剝離產(chǎn)生等離子體；

s2、發(fā)光二極管5接收到脈沖激光后產(chǎn)生一個脈沖信號去同步觸發(fā)數(shù)字存儲示波器13；

s3、高壓脈沖電源6經(jīng)過第一限流電阻7給電容8充電，電容8與第二限流電阻9形成放電回路輸出高壓脈沖，并通過放電電極4施加在步驟s1產(chǎn)生的等離子體的上下方，等離子體使放電電極4間的空氣間隙短路從而觸發(fā)火花放電；

s4、光學(xué)收集系統(tǒng)10將火花放電產(chǎn)生的發(fā)光收集到光譜儀11的入射狹縫處；

s5、與光譜儀11連接的光電倍增管12將光信號轉(zhuǎn)換為電信號；

s6、數(shù)字存儲示波器13將光電倍增管12的電信號采集后傳送給電子計算機14做數(shù)據(jù)分析，電子計算機14同時控制光譜儀11的輸出波長范圍；

s7、電子計算機14選取設(shè)定時間范圍內(nèi)的積分信號作為信號的相對值，該值與待測樣品中元素的濃度相對應(yīng)；

s8、通過對比待測樣品和元素濃度已知的樣品的信號強度，分析得出待測樣品中的元素濃度值。

圖2(a)為采用傳統(tǒng)的激光誘導(dǎo)擊穿光譜儀在只有激光剝離條件下得到的鋁合金樣品中鋁的原子輻射(394.4nm)和等離子體軔致電子輻射背景(393.0nm)的時域圖；圖2(b)為采用本實施例光譜元素分析系統(tǒng)得到的鋁合金樣品中鋁的原子輻射(394.4nm)和等離子體軔致電子輻射背景(393.0nm)的時域圖。從中可以看出，采用本實施例光譜元素分析系統(tǒng)后，不僅信號的峰值有增強，信號的弛豫時間也得到了延長，更有利于時間分辨的信號檢測和靈敏度的提高。

圖3為采用本實施例光譜元素分析系統(tǒng)得到的鋁合金在放電電壓為2kv、激光重復(fù)頻率為1khz時的掃描記錄光譜和采用傳統(tǒng)的激光誘導(dǎo)擊穿光譜儀在只有激光剝離條件下得到掃描記錄光譜的對比圖，從中可以看出，采用本實施例光譜元素分析系統(tǒng)后，等離子體的光輻射信號得到了顯著的改善。

本發(fā)明的高重復(fù)頻率激光剝離-火花誘導(dǎo)擊穿光譜元素分析系統(tǒng)的原理為：利用高重復(fù)頻率的脈沖激光對待測樣品進行剝離，產(chǎn)生等離子體，等離子體使一對放電電極中間的電阻迅速下降并觸發(fā)高壓火花放電，火花放電一方面對被激光剝離的樣品進行二次擊穿而增強等離子體輻射，另一方面還會剝離出更多的樣品并擊穿和發(fā)射原子輻射。由于火花誘導(dǎo)擊穿的作用效果，使得等離子體中原子輻射的信號強度得到顯著增強，以便于實現(xiàn)高靈敏的信號檢測，等離子體中的光輻射通過光譜分析系統(tǒng)進行光譜分析，以獲得元素成分與濃度等的相關(guān)信息。

以上所述，僅為本發(fā)明專利較佳的實施例，但本發(fā)明專利的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明專利所公開的范圍內(nèi)，根據(jù)本發(fā)明專利的技術(shù)方案及其發(fā)明專利構(gòu)思加以等同替換或改變，都屬于本發(fā)明專利的保護范圍。