一种激光诱导单液滴击穿检测的方法与装置

技术领域

本发明适用于激光诱导击穿光谱技术在化学元素成分检测分析领域中的应用，以及激光 与物质相互作用的物理机制基础研究领域。具体来说，本发明可以通过辅助设备产生气体环 境中一定体积的球状样品液滴，然后引入激光脉冲烧蚀样品液滴，通过研究样品中不同化学 元素的光谱辐射特性，最终达到定性和定量分析样品中元素组分的目的；同时，可以用于研 究激光与物质相互作用过程，以及等离子体的形成与演化特性。本发明所设计的检测系统可 以用于化工、食品、药品等领域的高精度成分检测应用，也可以应用于科研领域中的基础研 究。

背景技术

通过高能量密度激光脉冲击穿样品产生等离子体，在等离子体冷却复合的过程中检测其 发射光谱，从而进行样品成分识别分析的技术，称为激光击穿光谱技术(Laser induced  breakdown spectroscopy，LIBS)。与其他成分检测分析技术相比，激光击穿光谱技术以其无需 样品预处理以及快速、实时、微损等特点，得到了广泛地关注。该技术可根据击穿过程产生 的等离子体发射出来的原子发射光谱谱峰位置及谱线强度来进行定性和定量的成分分析。将 这种技术应用到液体样品的成分分析领域中也具有较好前景，可预见该技术能够在水资源的 重金属污染，矿产资源勘探，药剂饮品生产检验和工矿企业排放污水监测等领域中发挥作用。

当LIBS应用于化学成分分析领域时，激光能量等实验参数的不稳定、基质效应等因素 会导致击穿烧蚀过程的不一致，进而造成烧蚀样品量的不同，影响了LIBS技术的检测能力。 确定每次被烧蚀样品的体积和数量，对于LIBS定量分析技术的研究也有着可预见的帮助。 同时，激光诱导击穿光谱技术在化学分析应用领域中受到了广泛地重视，但是由于烧蚀过程 的不可控制，以及对于这一技术背后的物理机制的理解仍较为有限，使得LIBS检测技术的 发展也受到了一定程度的限制，因此相关的理论基础亟待发展。因此，对特定环境气体下独 立的体积可控的小颗粒样品进行激光烧蚀实验，结合光谱检测技术和时间分辨成像技术，观 察分析烧蚀过程、等离子演化过程及谱线特性，将有助于有效解决上述关键问题。

发明内容：

本发明利用特殊设计的样品液滴产生装置生成体积可控制的球状液体样品，并在特定气 体环境中利用激光脉冲击穿样品，利用光谱分析设备和和时间分辨图像传感器分析烧蚀过程 和等离子体特性。

本发明可以分为样品液滴产生装置、位置传感装置、激光脉冲发射装置、光谱分析装置 和时间分辨成像装置五个部分。其中样品液滴产生装置主要用来产生一定体积的样品，并通 过导流装置使样品沿直线运动；位置传感装置主要用来监测样品速度、位置等信息，以便计 算触发激光脉冲的时间；激光脉冲发射装置，主要包括脉冲激光器和聚焦透镜组，用来产生 击穿样品所需的激光脉冲；光谱分析装置主要包括收集透镜组、光谱仪及探测器，用来对击 穿产生的光谱辐射进行采集；时间分辨成像装置时具有时间分辨门控装置的图像传感器，用 来采集被击穿样品的空间辐射情况。

附图说明：

下面将结合附图对本发明做进一步说明。

附图为单液滴激光击穿检测装置示意图。其中1为气动室，2为微量气泵，3为微量注射 器，4为透明材质的毛细管，5为导流排气口，6为毛细管为管柱轴线，7为密封舱，底部开有 进气口，上述部件组成样品液滴产生装置；8为连续激光器，9为高速光电探测器，两者组成 位置传感装置，10为辅助控制电路，11为脉冲激光器，12为聚焦透镜组，组成激光脉冲发 射装置；13为收集透镜组，14为光纤，15为光谱仪，16光电探测器，组成光谱分析装置； 17为配有成像镜头的图像光电探测器，作为时间分辨成像装置；18为计算机。

具体实施方式：

本发明按照如下方式进行实施。将待测液体样品放入微量注射器3的针管内，根据检测 所需求的样品量，由计算机18控制注射器3将一定体积的液体样品注入毛细管4内。毛细管 4内腔为圆柱体管柱，液体样品注入后形状近似圆柱体。由微量气泵2将空气或特定的气体 注入气动室1的底部的球状空腔，所形成的气压推动毛细管4中的液体样品喷出毛细管4上 端的出口，形成样品液滴。由于毛细管4管柱的轴线6与导流排气口5的轴线重合，使样品 液滴能够沿毛细管管柱轴线6运动。小功率连续激光器8所发出的连续光束垂直并过毛细管 的管柱轴线6，入射到高速光电探测器9的感光面上。样品液滴遮挡连续光束时，高速光电 探测器8上探测到的信号发生变化，触发辅助控制电路10产生延时信号给脉冲激光器11。 脉冲激光器11发射出的激光脉冲经聚焦透镜组12聚焦在毛细管管柱轴线6上，通过时序控 制使激光脉冲恰好击中到达的液滴样品。击穿所产生的等离子体冷却时产生的光辐射由收集 透镜组13聚焦耦合到光纤14中，并由光栅光谱仪15分光，探测器16检测，光谱信号由计 算机18显示和存储。光电图像传感器17可以探测击穿时或击穿后的图像信号，由计算机18 显示和存储。

根据检测目的和检测条件，微量注射器3向毛细管4注射的样品体积可以根据需要进行 设定，最终可以产生直径在3mm到0.3mm的球状液体样品。毛细管4管柱内直径通常可以 在0.125mm-3mm之间选择，为了便于生成形状较为规则的球状样品液滴，注入的样品在毛细 管中的长度应与毛细管直径相近。

气动室1底部的球状空腔起到缓冲和稳定气流的作用。微量气泵2注入气动室1的气体 可以为空气，也可以是氮气或氦气等特殊气体。当注入特殊气体时候，需要提前在密封舱7 中注入相同的气体。

密封舱7的作用是防止外部气流的扰动影响样品液滴行进路线，同时防止在对有害或有 毒样品进行检测时污染外部环境。为了使导流排气口5形成的气流均匀，可以在密封舱内部 的底部开孔处放置微孔海绵层。

高速光电探测器9可以采用PIN型光电二极管或光电倍增管，响应速度应达到ns量级。 辅助控制电路10收到高速光电探测器9的触发信号后产生一个延时脉冲，触发脉冲激光器 11发射激光脉冲。

脉冲激光器11输出的脉冲的波长可以根据研究目的在红外到紫外波段任意选择；脉冲的 脉宽可以为纳秒量级，也可为飞秒量级；为了覆盖从紫外到红外波段，激光波长可以在266nm、 355nm、532nm和1064nm之间选择；脉冲的能量也可以根据需要进行选择。经聚焦透镜组12 聚焦后，当激光脉冲与样品液滴相遇时，激光脉冲光斑直径可以大于样品直径，也可以小于 激光脉冲光斑直径。

光谱仪15采用光栅光谱仪，也可以采用中阶梯光栅光谱仪或折叠光栅光谱仪，检测范围 为200nm-900nm。为了进行时间分辨光谱分析，探测器16采用光电倍增管或ICCD。光谱仪 同探测器相结合分辨能力至少应达到0.1nm。在进行成分检测分析时，为了避开初始时刻的 连续背景辐射，光谱采集延时时间在300ns-1500ns之间选择。最佳积分门宽在900ns-30000ns 之间选择。

光电图像传感器17可以选择CCD或ICCD图像传感器。其可以用来记录击穿时产生的 气泡膨胀、收缩和破裂的过程，也可以用来记录某种特定元素在击穿过程中，不同时刻的空 间分布情况。当进行特定元素的光谱空间分布进行分析时，需要在光电图像传感器前加特定 型号的带通滤波片。

计算机18用来显示和存储探测器16记录的光谱信号和图像传感器17记录的图像信号数 据，并对信号进行处理。在实验条件相同的情况下，根据目标元素特征谱峰的强度，可以反 演液滴样品中目标元素的浓度。

本方法能够限定被烧蚀的样品液滴的体积，从而可以提高定量检测的精度。本方法可以 给烧蚀过程提供不同的环境气体，从而进行环境气体对烧蚀过程影响方面的研究。通过对单 液滴样品烧蚀过程进行图像检测分析，可以用来分析样品液滴在脉冲激光器一侧和另一侧烧 蚀过程的不同，以研究激光与样品相互作用的机制。