一種用于libs遠(yuǎn)程探測的望遠(yuǎn)聚焦收集系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及一種用于LIBS遠(yuǎn)程探測的望遠(yuǎn)聚焦收集系統(tǒng)，激光初級擴(kuò)束系統(tǒng)同軸設(shè)置于激光發(fā)生裝置的出射方向；反射系統(tǒng)設(shè)置于激光初級擴(kuò)束系統(tǒng)的激光出射方向；望遠(yuǎn)系統(tǒng)在反射系統(tǒng)的激光出射方向一側(cè)同軸設(shè)置；光纖耦合系統(tǒng)在反射系統(tǒng)的另一側(cè)，與望遠(yuǎn)系統(tǒng)同軸設(shè)置，并在光纖耦合系統(tǒng)的會聚焦點(diǎn)處設(shè)置光纖。本實(shí)用新型能使激光在不同的距離下聚焦，并且使得聚焦光斑小于1mm，保證其在被測物的表面能激發(fā)出高溫、高密度的等離子體，同時(shí)保證聚焦光路和收集光路同軸，用最少的調(diào)整量來控制在不同距離下的聚焦和收集的優(yōu)化，還需保證在不同的距離下都能將寬波段的光譜信號耦合到光纖芯徑中。
【專利說明】一種用于LIBS遠(yuǎn)程探測的望遠(yuǎn)聚焦收集系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及光學(xué)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，特別是一種用于LIBS遠(yuǎn)程探測的望遠(yuǎn)聚焦收集系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)，簡稱LIBS技術(shù)，其基本原理是一束高能量的激光經(jīng)透鏡聚焦后產(chǎn)生高溫、高密度的等離子體，通過分析等離子體光譜中的特征譜線來檢測樣品的組分含量，由于其具有無需樣品制備、可同時(shí)測量多種元素、可測固、液、氣以及非接觸式、快速測量等優(yōu)點(diǎn)，非常適合于在線、實(shí)時(shí)、非接觸式分析，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于冶金、環(huán)境、考古、深海、太空等各行各業(yè)。
[0003]目前LIBS技術(shù)的發(fā)展已由近距離測量逐漸發(fā)展到遠(yuǎn)程測量，如在高溫、高輻射的危險(xiǎn)環(huán)境、懸崖峭壁、太空深海等人無法到達(dá)的環(huán)境下就需要利用LIBS技術(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)距離測量，而且隨著被測物的變化，測量距離也相應(yīng)的變化，目前的LIBS系統(tǒng)或者是不能同時(shí)在不同距離聚焦收集，不能滿足在不同距離下的分析測量；或者是聚焦系統(tǒng)和收集系統(tǒng)是分離的，這樣的光學(xué)系統(tǒng)不夠緊湊，不容易調(diào)節(jié)，所以目前的LIBS系統(tǒng)不適合LIBS應(yīng)用于未知遠(yuǎn)距離下的分析測量。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0004]針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實(shí)用新型提供一種能使激光在不同的距離下聚焦，并且使得聚焦光斑小于1_，保證其在被測物的表面能激發(fā)出高溫、高密度的等離子體，同時(shí)保證聚焦光路和收集光路同軸，用最少的調(diào)整量來控制在不同距離下的聚焦和收集的優(yōu)化，還需保證在不同的距離下都能將寬波段的光譜信號聚焦到光纖芯徑中的望遠(yuǎn)聚焦收集系統(tǒng)。
[0005]本實(shí)用新型為實(shí)現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案是:一種用于LIBS遠(yuǎn)程探測的望遠(yuǎn)聚焦收集系統(tǒng)，激光初級擴(kuò)束系統(tǒng)2同軸設(shè)置于激光發(fā)生裝置I的出射方向，用于對激光進(jìn)行擴(kuò)束；反射系統(tǒng)設(shè)置于激光初級擴(kuò)束系統(tǒng)2的激光出射方向，用于將激光導(dǎo)入望遠(yuǎn)系統(tǒng)中，并將等離子體7導(dǎo)入光纖耦合系統(tǒng)8 ;望遠(yuǎn)系統(tǒng)同軸設(shè)置于反射系統(tǒng)的激光出射方向一側(cè)，用于對激光進(jìn)行擴(kuò)束聚焦，并收集激光聚焦到被測物表面產(chǎn)生的等離子體7 ;光纖耦合系統(tǒng)8在反射系統(tǒng)的另一側(cè)，與望遠(yuǎn)系統(tǒng)同軸設(shè)置，并在光纖耦合系統(tǒng)8的聚焦焦點(diǎn)處設(shè)置光纖9。
[0006]所述激光初級擴(kuò)束系統(tǒng)2包括依次同軸設(shè)置的第一雙凹負(fù)透鏡10、第一彎月透鏡11和第一雙凸正透鏡12，所述第一雙凸正透鏡12的出射激光與光軸平行。
[0007]所述反射系統(tǒng)包括與激光初級擴(kuò)束系統(tǒng)2的光軸成45度角設(shè)置的反射鏡3和二向色鏡4 ；
[0008]所述反射鏡3和二向色鏡4的中心分別與激光初級擴(kuò)束系統(tǒng)2和望遠(yuǎn)系統(tǒng)同軸，且中心連線垂直于初級擴(kuò)束系統(tǒng)2的光軸。[0009]所述望遠(yuǎn)系統(tǒng)包括在二向色鏡4的激光出射方向依次同軸設(shè)置的主鏡5和副鏡6。
[0010]所述主鏡5為凹球面鏡，且中心開孔；所述副鏡6為可在光軸方向移動的凸非球面鏡。
[0011]所述光纖耦合系統(tǒng)包括在通過二向色鏡4的等離子體7的出射方向依次同軸設(shè)置的第二雙凸正透鏡13、第二雙凹負(fù)透鏡14、第三雙凸正透鏡15和第二彎月透鏡16。
[0012]本實(shí)用新型具有以下有益效果及優(yōu)點(diǎn):
[0013]1.可在不同距離下對激光進(jìn)行聚焦，且聚焦光斑小于1mm，保證了在被測物表面能激發(fā)出高溫、高密度的等離子體；
[0014]2.聚焦光路和收集光路為同軸結(jié)構(gòu)，使得系統(tǒng)更加緊湊、更加容易調(diào)節(jié)；
[0015]3.望遠(yuǎn)系統(tǒng)即作為激光聚焦系統(tǒng)的一部分，又作為光譜信號收集系統(tǒng)的一部分，保證了只需移動副鏡即可實(shí)現(xiàn)激光聚焦和光譜信號收集在不同距離下能同時(shí)優(yōu)化，大大縮短了優(yōu)化時(shí)間；
[0016]4.在不同距離下能將寬波段的信號光都耦合到光纖芯徑中。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]圖1是本實(shí)用新型的總體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖2是本實(shí)用新型的激光初級擴(kuò)束系統(tǒng)的光學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖3是本實(shí)用新型的收集系統(tǒng)的光學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖4是激光經(jīng)本系統(tǒng)后在5m處聚焦的幾何彌散斑示意圖；
[0021]圖5是5m外的光譜信號經(jīng)本系統(tǒng)收集聚焦的幾何彌散斑示意圖；
[0022]其中，I為激光發(fā)生裝置，2為激光初級擴(kuò)束系統(tǒng)，3為反射鏡,4為二向色鏡,5為主鏡，6為副鏡,7為等離子體，8為光纖稱合系統(tǒng),9為光纖，10為第一雙凹負(fù)透鏡，11為第一彎月透鏡，12為第一雙凸正透鏡，13為第二雙凸正透鏡，14為第二雙凹負(fù)透鏡，15為第三雙凸正透鏡，16為第二彎月透鏡。
【具體實(shí)施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對本實(shí)用新型做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0024]如圖1所示為本實(shí)用新型的總體結(jié)構(gòu)示意圖，本實(shí)用新型提供一種用于LIBS遠(yuǎn)程探測的望遠(yuǎn)聚焦收集系統(tǒng)，其中:激光發(fā)生裝置I發(fā)出激光光束，激光初級擴(kuò)束系統(tǒng)2接收并將激光光束進(jìn)行第一次擴(kuò)束后，經(jīng)過反射鏡3和二向色鏡4的反射，并通過主鏡5的中心孔照射到副鏡6 ；
[0025]激光光束經(jīng)副鏡6擴(kuò)束散后反射到主鏡5上再次反射，通過主鏡5反射的激光光束聚焦，產(chǎn)生等離子體7;
[0026]等離子體7傳輸?shù)浇?jīng)主鏡5收集后，反射到副鏡6再次反射，并通過二向色鏡4后傳輸?shù)绞占饫w耦合系統(tǒng)8 ；
[0027]等離子體7通過收集光纖耦合系統(tǒng)8后聚焦耦合到光纖9中，光纖9將等離子體7傳輸?shù)酵ㄟ^光譜儀中進(jìn)行分光處理分析探測，最后得到了含被測物組分含量信息的光譜圖。
[0028]望遠(yuǎn)系統(tǒng)即作為激光聚焦系統(tǒng)的一部分又作為等離子體光譜信號收集系統(tǒng)的一部分，加上二向色鏡4的配合保證了激光聚焦光路和等離子體光譜信號收集光路為同軸結(jié)構(gòu)。保證了只需移動副鏡6即可實(shí)現(xiàn)激光聚焦和等離子體光譜信號收集在不同距離下能同時(shí)優(yōu)化。
[0029]光纖耦合系統(tǒng)8能夠降低其系統(tǒng)中的球差和色差，保證在不同的距離下都能將寬波段的等離子體光譜信號耦合到光纖芯徑中。
[0030]如圖2所示為本實(shí)用新型的激光初級擴(kuò)束系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，包括依次同軸設(shè)置第一雙凹負(fù)透鏡10、第一彎月透鏡11和第一雙凸正透鏡12，使第一雙凸正透鏡12的出射激光與光軸平行。
[0031]激光經(jīng)透鏡10擴(kuò)散后，再經(jīng)透鏡11和12進(jìn)行準(zhǔn)直，鏡片都鍍增透膜，注意鏡片的擺放位置，防止鬼點(diǎn)打壞鏡片。
[0032]如圖3所示為本實(shí)用新型的光纖耦合系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，包括在二向色鏡的等離子體光譜信號出射方向依次同軸設(shè)置的第二雙凸正透鏡13、第二雙凹負(fù)透鏡14、第三雙凸正透鏡15和第二彎月透鏡16。
[0033]寬波段的等離子體光譜信號經(jīng)透鏡聚焦會產(chǎn)生各種像差，如球差、色差等，設(shè)計(jì)中采用多組鏡片以及采用不同的材料來消減各種像差。
[0034]以激光(1064nm,光斑直徑8mm)經(jīng)望遠(yuǎn)聚焦收集光學(xué)系統(tǒng)后在5m處聚焦收集為例，其【具體實(shí)施方式】如下:
[0035]首先激光照射到激光初級擴(kuò)束系統(tǒng)后，出射后光斑變?yōu)?7mm，經(jīng)反射鏡3將激光折到二向色鏡4上，二向色鏡4將激光反射到望遠(yuǎn)系統(tǒng)中的副鏡6上，激光經(jīng)副鏡6擴(kuò)束反射到主鏡5上，此時(shí)激光光斑變?yōu)?20mm，當(dāng)主鏡5和副鏡6的間距為112.03mm時(shí)，主鏡5將激光聚焦到5m遠(yuǎn)處的位置，此時(shí)激光聚焦產(chǎn)生等離子體7，聚焦光斑為324um。
[0036]聚焦產(chǎn)生的等離子體光譜信號7經(jīng)望遠(yuǎn)系統(tǒng)主鏡5收集，然后反射到副鏡6，經(jīng)副鏡6反射出近似平行光的信號光，然后透過二向色鏡4將光譜信號傳輸?shù)焦饫w耦合系統(tǒng)8中，經(jīng)光纖耦合系統(tǒng)8將光譜信號耦合到光纖中，此時(shí)寬波段的光譜信號聚焦光斑為312um，絕大部分能量都能耦合到光纖9 (芯徑600um)中
[0037]其用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件模擬成像質(zhì)量如下:
[0038]如圖4所示為激光經(jīng)本系統(tǒng)后在5m處聚焦的幾何彌散斑示意圖，望遠(yuǎn)聚焦收集光學(xué)系統(tǒng)在5m處激光(1064nm)聚焦的幾何彌散斑，其RMS半徑為324um，滿足了激光聚焦光斑小于Imm的要求，從而保證了激光在5m遠(yuǎn)的被測物表面激發(fā)出高溫、高密度的等離子體。
[0039]如圖5所示為5m外的光譜信號經(jīng)本系統(tǒng)收集聚焦的幾何彌散斑示意圖，望遠(yuǎn)聚焦收集光學(xué)系統(tǒng)在5m處光譜信號(250nm-900nm)收集聚焦的幾何彌散斑，其RMS半徑為312um,保證了絕大部分能量都能稱合到光纖9 (芯徑600um)中
[0040]本實(shí)用新型的望遠(yuǎn)聚焦收集光學(xué)系統(tǒng)非常適合于LIBS遠(yuǎn)程探測的需求，利用該望遠(yuǎn)聚焦收集光學(xué)系統(tǒng)，可以得到很好的聚焦效果，極大地提高了激光焦點(diǎn)處的能量密度，保證焦點(diǎn)處能激發(fā)出高溫、高密度的等離子體，而且由于該望遠(yuǎn)聚焦收集光學(xué)系統(tǒng)中的主鏡和副鏡之間的間距可以調(diào)節(jié)，所以可以根據(jù)需要靈活地改變激光聚焦位置，同時(shí)該望遠(yuǎn)聚焦收集光學(xué)系統(tǒng)保證了聚焦光路和收集光路為同軸結(jié)構(gòu)，只需改變副鏡的位置，即可同時(shí)在不同距離下對聚焦和收集進(jìn)行優(yōu)化，大大縮短了優(yōu)化時(shí)間，而且可以在不同距離下將寬波段的光譜信號都耦合到光纖芯徑中，所以該實(shí)用新型非常適合用于LIBS應(yīng)用于未知遠(yuǎn)距離下的分析測量。
【權(quán)利要求】
1.一種用于LIBS遠(yuǎn)程探測的望遠(yuǎn)聚焦收集系統(tǒng)，其特征在于: 激光初級擴(kuò)束系統(tǒng)(2)同軸設(shè)置于激光發(fā)生裝置(I)的出射方向，用于對激光進(jìn)行擴(kuò)束； 反射系統(tǒng)設(shè)置于激光初級擴(kuò)束系統(tǒng)(2)的激光出射方向，用于將激光導(dǎo)入望遠(yuǎn)系統(tǒng)中，并將等離子體(7)導(dǎo)入光纖耦合系統(tǒng)(8)； 望遠(yuǎn)系統(tǒng)同軸設(shè)置于反射系統(tǒng)的激光出射方向一側(cè)，用于對激光進(jìn)行擴(kuò)束聚焦，并收集激光聚焦到被測物表面產(chǎn)生的等離子體(7)； 光纖耦合系統(tǒng)(8)在反射系統(tǒng)的另一側(cè)，與望遠(yuǎn)系統(tǒng)同軸設(shè)置，并在光纖耦合系統(tǒng)(8)的聚焦焦點(diǎn)處設(shè)置光纖(9)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于LIBS遠(yuǎn)程探測的望遠(yuǎn)聚焦收集系統(tǒng)，其特征在于:所述激光初級擴(kuò)束系統(tǒng)(2)包括依次同軸設(shè)置的第一雙凹負(fù)透鏡(10)、第一彎月透鏡(11)和第一雙凸正透鏡(12)，所述第一雙凸正透鏡(12)的出射激光與光軸平行。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于LIBS遠(yuǎn)程探測的望遠(yuǎn)聚焦收集系統(tǒng)，其特征在于:所述反射系統(tǒng)包括與激光初級擴(kuò)束系統(tǒng)(2)的光軸成45度角設(shè)置的反射鏡(3)和二向色鏡(4); 所述反射鏡(3)和二向色鏡(4)的中心分別與激光初級擴(kuò)束系統(tǒng)(2)和望遠(yuǎn)系統(tǒng)同軸，且中心連線垂直于初級擴(kuò)束系統(tǒng)(2)的光軸。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的用于LIBS遠(yuǎn)程探測的望遠(yuǎn)聚焦收集系統(tǒng)，其特征在于:所述望遠(yuǎn)系統(tǒng)包括在二向色鏡(4)的激光出射方向依次同軸設(shè)置的主鏡(5)和副鏡(6)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于LIBS遠(yuǎn)程探測的望遠(yuǎn)聚焦收集系統(tǒng)，其特征在于:所述主鏡(5)為凹球面鏡，且中心開孔；所述副鏡(6)為可在光軸方向移動的凸非球面鏡。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于LIBS遠(yuǎn)程探測的望遠(yuǎn)聚焦收集系統(tǒng)，其特征在于:所述光纖耦合系統(tǒng)包括在通過二向色鏡(4)的等離子體(7)的出射方向依次同軸設(shè)置的第二雙凸正透鏡(13)、第二雙凹負(fù)透鏡(14)、第三雙凸正透鏡(15)和第二彎月透鏡(16)。
【文檔編號】G01N21/63GK203376255SQ201320496002
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年8月14日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月14日
【發(fā)明者】辛勇, 孫蘭香, 叢智博, 齊立峰, 李洋, 楊志家 申請人:中國科學(xué)院沈陽自動化研究所