一種用于libs遠程探測的望遠聚焦收集系統的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種用于LIBS遠程探測的望遠聚焦收集系統，激光初級擴束系統同軸設置于激光發生裝置的出射方向；反射系統設置于激光初級擴束系統的激光出射方向；望遠系統在反射系統的激光出射方向一側同軸設置；光纖耦合系統在反射系統的另一側，與望遠系統同軸設置，并在光纖耦合系統的會聚焦點處設置光纖。本實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出高溫、高密度的等離子體，同時保證聚焦光路和收集光路同軸，用最少的調整量來控制在不同距離下的聚焦和收集的優化，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遠程探測的望遠聚焦收集系統
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及光學設計領域，特別是一種用于LIBS遠程探測的望遠聚焦收集系統。
【背景技術】
[0002]激光誘導擊穿光譜技術，簡稱LIBS技術，其基本原理是一束高能量的激光經透鏡聚焦后產生高溫、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、可同時測量多種元素、可測固、液、氣以及非接觸式、快速測量等優點，非常適合于在線、實時、非接觸式分析，現已廣泛應用于冶金、環境、考古、深海、太空等各行各業。
[0003]目前LIBS技術的發展已由近距離測量逐漸發展到遠程測量，如在高溫、高輻射的危險環境、懸崖峭壁、太空深海等人無法到達的環境下就需要利用LIBS技術進行遠距離測量，而且隨著被測物的變化，測量距離也相應的變化，目前的LIBS系統或者是不能同時在不同距離聚焦收集，不能滿足在不同距離下的分析測量；或者是聚焦系統和收集系統是分離的，這樣的光學系統不夠緊湊，不容易調節，所以目前的LIBS系統不適合LIBS應用于未知遠距離下的分析測量。
實用新型內容
[0004]針對現有技術的不足，本實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出高溫、高密度的等離子體，同時保證聚焦光路和收集光路同軸，用最少的調整量來控制在不同距離下的聚焦和收集的優化，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聚焦收集系統。
[0005]本實用新型為實現上述目的所采用的技術方案是:一種用于LIBS遠程探測的望遠聚焦收集系統，激光初級擴束系統2同軸設置于激光發生裝置I的出射方向，用于對激光進行擴束；反射系統設置于激光初級擴束系統2的激光出射方向，用于將激光導入望遠系統中，并將等離子體7導入光纖耦合系統8 ;望遠系統同軸設置于反射系統的激光出射方向一側，用于對激光進行擴束聚焦，并收集激光聚焦到被測物表面產生的等離子體7 ;光纖耦合系統8在反射系統的另一側，與望遠系統同軸設置，并在光纖耦合系統8的聚焦焦點處設置光纖9。
[0006]所述激光初級擴束系統2包括依次同軸設置的第一雙凹負透鏡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]所述反射系統包括與激光初級擴束系統2的光軸成45度角設置的反射鏡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束系統2和望遠系統同軸，且中心連線垂直于初級擴束系統2的光軸。[0009]所述望遠系統包括在二向色鏡4的激光出射方向依次同軸設置的主鏡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置的第二雙凸正透鏡13、第二雙凹負透鏡14、第三雙凸正透鏡15和第二彎月透鏡16。
[0012]本實用新型具有以下有益效果及優點:
[0013]1.可在不同距離下對激光進行聚焦，且聚焦光斑小于1mm，保證了在被測物表面能激發出高溫、高密度的等離子體；
[0014]2.聚焦光路和收集光路為同軸結構，使得系統更加緊湊、更加容易調節；
[0015]3.望遠系統即作為激光聚焦系統的一部分，又作為光譜信號收集系統的一部分，保證了只需移動副鏡即可實現激光聚焦和光譜信號收集在不同距離下能同時優化，大大縮短了優化時間；
[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是本實用新型的總體結構示意圖；
[0018]圖2是本實用新型的激光初級擴束系統的光學結構示意圖；
[0019]圖3是本實用新型的收集系統的光學結構示意圖；
[0020]圖4是激光經本系統后在5m處聚焦的幾何彌散斑示意圖；
[0021]圖5是5m外的光譜信號經本系統收集聚焦的幾何彌散斑示意圖；
[0022]其中，I為激光發生裝置，2為激光初級擴束系統，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,9為光纖，10為第一雙凹負透鏡，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為第二雙凹負透鏡，15為第三雙凸正透鏡，16為第二彎月透鏡。
【具體實施方式】
[0023]下面結合附圖及實施例對本實用新型做進一步的詳細說明。
[0024]如圖1所示為本實用新型的總體結構示意圖，本實用新型提供一種用于LIBS遠程探測的望遠聚焦收集系統，其中:激光發生裝置I發出激光光束，激光初級擴束系統2接收并將激光光束進行第一次擴束后，經過反射鏡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]激光光束經副鏡6擴束散后反射到主鏡5上再次反射，通過主鏡5反射的激光光束聚焦，產生等離子體7;
[0026]等離子體7傳輸到經主鏡5收集后，反射到副鏡6再次反射，并通過二向色鏡4后傳輸到收集光纖耦合系統8 ；
[0027]等離子體7通過收集光纖耦合系統8后聚焦耦合到光纖9中，光纖9將等離子體7傳輸到通過光譜儀中進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]望遠系統即作為激光聚焦系統的一部分又作為等離子體光譜信號收集系統的一部分，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構。保證了只需移動副鏡6即可實現激光聚焦和等離子體光譜信號收集在不同距離下能同時優化。
[0029]光纖耦合系統8能夠降低其系統中的球差和色差，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所示為本實用新型的激光初級擴束系統的結構示意圖，包括依次同軸設置第一雙凹負透鏡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]激光經透鏡10擴散后，再經透鏡11和12進行準直，鏡片都鍍增透膜，注意鏡片的擺放位置，防止鬼點打壞鏡片。
[0032]如圖3所示為本實用新型的光纖耦合系統的結構示意圖，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置的第二雙凸正透鏡13、第二雙凹負透鏡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透鏡聚焦會產生各種像差，如球差、色差等，設計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)經望遠聚焦收集光學系統后在5m處聚焦收集為例，其【具體實施方式】如下:
[0035]首先激光照射到激光初級擴束系統后，出射后光斑變為27mm，經反射鏡3將激光折到二向色鏡4上，二向色鏡4將激光反射到望遠系統中的副鏡6上，激光經副鏡6擴束反射到主鏡5上，此時激光光斑變為120mm，當主鏡5和副鏡6的間距為112.03mm時，主鏡5將激光聚焦到5m遠處的位置，此時激光聚焦產生等離子體7，聚焦光斑為324um。
[0036]聚焦產生的等離子體光譜信號7經望遠系統主鏡5收集，然后反射到副鏡6，經副鏡6反射出近似平行光的信號光，然后透過二向色鏡4將光譜信號傳輸到光纖耦合系統8中，經光纖耦合系統8將光譜信號耦合到光纖中，此時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]其用光學設計軟件模擬成像質量如下:
[0038]如圖4所示為激光經本系統后在5m處聚焦的幾何彌散斑示意圖，望遠聚焦收集光學系統在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遠的被測物表面激發出高溫、高密度的等離子體。
[0039]如圖5所示為5m外的光譜信號經本系統收集聚焦的幾何彌散斑示意圖，望遠聚焦收集光學系統在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]本實用新型的望遠聚焦收集光學系統非常適合于LIBS遠程探測的需求，利用該望遠聚焦收集光學系統，可以得到很好的聚焦效果，極大地提高了激光焦點處的能量密度，保證焦點處能激發出高溫、高密度的等離子體，而且由于該望遠聚焦收集光學系統中的主鏡和副鏡之間的間距可以調節，所以可以根據需要靈活地改變激光聚焦位置，同時該望遠聚焦收集光學系統保證了聚焦光路和收集光路為同軸結構，只需改變副鏡的位置，即可同時在不同距離下對聚焦和收集進行優化，大大縮短了優化時間，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，所以該實用新型非常適合用于LIBS應用于未知遠距離下的分析測量。
【權利要求】
1.一種用于LIBS遠程探測的望遠聚焦收集系統，其特征在于: 激光初級擴束系統(2)同軸設置于激光發生裝置(I)的出射方向，用于對激光進行擴束； 反射系統設置于激光初級擴束系統(2)的激光出射方向，用于將激光導入望遠系統中，并將等離子體(7)導入光纖耦合系統(8)； 望遠系統同軸設置于反射系統的激光出射方向一側，用于對激光進行擴束聚焦，并收集激光聚焦到被測物表面產生的等離子體(7)； 光纖耦合系統(8)在反射系統的另一側，與望遠系統同軸設置，并在光纖耦合系統(8)的聚焦焦點處設置光纖(9)。
2.根據權利要求1所述的用于LIBS遠程探測的望遠聚焦收集系統，其特征在于:所述激光初級擴束系統(2)包括依次同軸設置的第一雙凹負透鏡(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.根據權利要求1所述的用于LIBS遠程探測的望遠聚焦收集系統，其特征在于:所述反射系統包括與激光初級擴束系統(2)的光軸成45度角設置的反射鏡(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束系統(2)和望遠系統同軸，且中心連線垂直于初級擴束系統(2)的光軸。
4.根據權利要求1或3所述的用于LIBS遠程探測的望遠聚焦收集系統，其特征在于:所述望遠系統包括在二向色鏡(4)的激光出射方向依次同軸設置的主鏡(5)和副鏡(6)。
5.根據權利要求4所述的用于LIBS遠程探測的望遠聚焦收集系統，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.根據權利要求1所述的用于LIBS遠程探測的望遠聚焦收集系統，其特征在于:所述光纖耦合系統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置的第二雙凸正透鏡(13)、第二雙凹負透鏡(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 優先權日:2013年8月14日
【發明者】辛勇, 孫蘭香, 叢智博, 齊立峰, 李洋, 楊志家 申請人:中國科學院沈陽自動化研究所