基于平凸柱面鏡的LIBS光束整形系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳姿穎 李紅蓮* 殷嘯林 方立德 李瑩瑩

(1.河北大學(xué) 質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督學(xué)院,河北 保定 071000;2.河北白沙煙草有限責(zé)任公司 保定卷煙廠 供應(yīng)部,河北 保定 071000)

在食品原料、中藥材、煙草等植物生長(zhǎng)過(guò)程中,土壤受到工業(yè)排放的污染,根部會(huì)吸收土壤中的金屬微量元素,這些微量金屬隨著植物的生長(zhǎng)被轉(zhuǎn)移到其他部分。隨著傳統(tǒng)電化學(xué)分析法和應(yīng)用中子活化分析法在微量元素測(cè)試方面的應(yīng)用減少,金屬微量元素檢測(cè)分析逐漸向快速多元素儀器測(cè)定的方向發(fā)展[1-3],如:原子吸收光譜法、電感耦合等離子體質(zhì)譜法、原子發(fā)射光譜法、激光誘導(dǎo)擊穿光譜法等。其中激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)利用激光和物質(zhì)間相接觸產(chǎn)生直接作用,省略了以往中間繁瑣復(fù)雜的制作流程并具備了快捷分析的優(yōu)點(diǎn)[4-5],在近年的地質(zhì)[6]、生物[7]和環(huán)保[8]等領(lǐng)域普遍運(yùn)用。根據(jù)研究發(fā)現(xiàn),單模激光光束的波形能量密度呈現(xiàn)出中心強(qiáng)邊緣弱的高斯分布,在光學(xué)材料應(yīng)用中可能導(dǎo)致材料表面發(fā)生熱灼燒效應(yīng),從而引起裂紋、濺射等缺陷使探測(cè)靈敏度降低,影響后續(xù)相關(guān)分析。因此,改善高斯激光光束能量分布均勻性成為了LIBS技術(shù)的研究熱點(diǎn)之一。

改變高斯光束光斑能量密度分布,則需要對(duì)其進(jìn)行一定程度的整形,整形成同一外形輪廓或不同輪廓的平頂光束。平頂光束是在光束橫截面上具有均勻光強(qiáng)能量和均勻相位分布的一類(lèi)傍軸光束,具有填充因子大、強(qiáng)度調(diào)制小、對(duì)光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)光學(xué)元器件的損傷風(fēng)險(xiǎn)比較小等優(yōu)點(diǎn)[9]。在優(yōu)化理論算法整形方面,根據(jù)計(jì)算形式和使用的理論方法有幾何理論、標(biāo)量理論和矢量理論三類(lèi)。常用優(yōu)化算法基礎(chǔ)是標(biāo)量理論,其中包括G-S算法、Y-G算法、輸入-輸出算法等。PANG等[10]提出了一種采用具有特殊球形初始相位的Gerchberg-Saxton(GS)算法計(jì)算純相位全息圖的新方法,實(shí)現(xiàn)了降噪平頂光束整形。LIU等[11]提出了一種基于矢量衍射的光束整形方法,利用麥克斯韋方程組的時(shí)間反轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)性,對(duì)瑞利矢量衍射積分進(jìn)行了修正。然而與標(biāo)量衍射方法相比,約束了光場(chǎng)各分量的設(shè)計(jì)。在實(shí)驗(yàn)光學(xué)元件整形方面,光闌攔截是最初取得平頂光束的一種整形措施[12]。張浩等[13]利用設(shè)計(jì)的開(kāi)普勒型非球面整形鏡實(shí)現(xiàn)了大口徑激光的均勻光束。翟中生等[14]提出了一種基于組合光柵的任意形狀光束整形方法,利用外光柵阻擋非0級(jí)光束,內(nèi)光柵改善幾何掩模能量分布獲得均勻性較好的平頂光束。劉文靜等[15]采用一種可有效抑制散斑噪聲的衍射元件設(shè)計(jì)方法,通過(guò)選擇一種特殊的初始相位,在不降低衍射效率的同時(shí)生成了環(huán)形平頂光束。

上述研究方法雖然可以實(shí)現(xiàn)一定程度的光束整形,但是部分平頂光在加工應(yīng)用中局限性很大,整形效果不夠理想,適用的光束范圍特殊。因此本文提出一種基于平凸柱面鏡的光束整形方法改善激光光束的能量密度分布。使用光學(xué)仿真軟件,分別對(duì)平凸柱面鏡的不同焦距尺寸進(jìn)行成像模擬,確定整形實(shí)驗(yàn)元件的具體參數(shù)。并利用其設(shè)計(jì)和搭建光束整形實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),對(duì)平凸柱面鏡的整形效果進(jìn)行測(cè)試和驗(yàn)證。

1 實(shí)驗(yàn)仿真

1.1 平凸柱面鏡的模擬設(shè)計(jì)

光學(xué)軟件在序列模式下設(shè)置波長(zhǎng)1 064 nm,鏡頭材料BK7,光源標(biāo)準(zhǔn)面的曲率半徑為無(wú)限,厚度為無(wú)限,成像平面曲率半徑為無(wú)限,平凸柱面鏡中平面的曲率半徑為無(wú)限、半直徑12.5 mm,柱面的曲率半徑51.680 mm、半直徑12.5 mm,改變其焦距即改變平面和柱面厚度的代數(shù)和。在90～10 mm的焦距大區(qū)間中,選取90、96、104和110 mm四個(gè)值進(jìn)行模擬仿真,得到了如圖1分別對(duì)應(yīng)f=90、96 mm的兩個(gè)光路三維布局圖和光線追跡后圖2分別對(duì)應(yīng)f=104、110 mm的兩個(gè)光束成像標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)列圖。可以看出,前兩個(gè)焦距中心部分光束聚焦在接收屏以前且焦距越大焦點(diǎn)越接近接收屏,而104 mm和110 mm的點(diǎn)列圖中心部分光束較為發(fā)散,表現(xiàn)出滯后聚焦在接收屏之后且焦距越大越發(fā)散,由此將焦距控制在96～104 mm后繼續(xù)模擬。

圖1 光路三維布局圖Figure 1 3D layout of optical path chart.

圖2 光束成像標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)列圖Figure 2 Beam imaging standard point chart.

其次,選取中間值100 mm焦距即平面和柱面厚度的代數(shù)和為100 mm,設(shè)置平面厚度3 mm,柱面厚度97 mm。模擬得到通過(guò)平凸柱面鏡透射后的圖3(a)三維布局成像和3(b)光束成像點(diǎn)列圖,可以看出焦點(diǎn)剛好在接收屏上,不提前也不滯后。由此確定滿足實(shí)驗(yàn)條件的合適焦距為100 mm。光學(xué)軟件轉(zhuǎn)換模式,在非序列模式下設(shè)置波長(zhǎng)1 064 nm,鏡頭材料BK7,光源的陳列光線條數(shù)20條,分析光線條數(shù)105條,能量1 W,X半寬5 mm,Y半寬10 mm。柱面透鏡Z位置10 mm,徑向高度10 mm,X半寬5 mm,厚度10 mm,直徑1為0,直徑2為-25 mm,矩形探測(cè)器Z位置60 mm,X半寬5 mm,Y半寬10 mm,像元數(shù)100×100,X/Y最小角為-90°,X/Y最大角為90°。分析模擬得出如圖4所示的三維光束透射平凸柱面鏡光路成像圖,包括NSC(非序列模式)實(shí)體模型和NSC三維布局成像圖。

圖3 焦距100 mm:(a)三維布局成像圖;(b)光束成像點(diǎn)列圖Figure 3 Focal length 100 mm:(a) 3D layout imaging image;(b) Beam imaging point chart.

圖4 光束光路圖:(a)NSC實(shí)體模型;(b)NSC三維布局成像圖Figure 4 Beam path chart:(a) NSC physical model;(b) NSC 3D layout imaging chart.

1.2 LIBS光束整形系統(tǒng)確立

結(jié)合光學(xué)模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)操作平臺(tái)的各影響因素,擬采用f=100 mm,r=12.5 mm的平凸柱面鏡作為實(shí)驗(yàn)光學(xué)整形元件。光學(xué)軟件在序列模式下模擬的表面矢高圖如圖5所示,寬度為25 mm,單面相對(duì)于光軸的偏心x=0 mm,y=0 mm。

圖5 表面矢高圖Figure 5 Surface vector height chart.

光學(xué)系統(tǒng)一般分為共軸式光學(xué)系統(tǒng)和非共軸式光學(xué)系統(tǒng)兩種[16],本實(shí)驗(yàn)采用的非共軸式光學(xué)系統(tǒng)原理圖如圖6所示,為保證系統(tǒng)工作時(shí)處于穩(wěn)定狀態(tài),首先需要進(jìn)行預(yù)熱。整個(gè)實(shí)驗(yàn)采集過(guò)程在空氣環(huán)境下完成,采用輸出波長(zhǎng)為1 064 nm、脈寬為6.4 ns和M2為1.5左右的Nd:YAG激光器(DAWA系列)作為激發(fā)光源。激光器發(fā)出帶有一定能量的高斯激光脈沖通過(guò)焦距為100 mm,半徑為12.5 mm的圓形平凸柱面鏡,經(jīng)整形后的光束聚焦在樣品表面,光纖對(duì)燒蝕激發(fā)產(chǎn)生的等離子體進(jìn)行采集耦合,得到的光信號(hào)經(jīng)過(guò)光譜儀放大轉(zhuǎn)換成電信號(hào)傳輸至PC端后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和光譜分析。其中延遲時(shí)間設(shè)置為1.9 μs,光譜的檢測(cè)波長(zhǎng)199～517 nm,并根據(jù)實(shí)驗(yàn)得出最佳的透鏡到樣品的距離為103 mm。

圖6 整形光學(xué)系統(tǒng)框圖Figure 6 Block diagram of shaping optical system.

2 結(jié)果與分析

2.1 樣品制備

采集土壤樣品經(jīng)過(guò)自然風(fēng)干、去除雜質(zhì)和過(guò)篩,形成細(xì)致的小顆粒土壤樣品后,用電子天平稱(chēng)取10份等量樣品,通過(guò)準(zhǔn)確計(jì)算分別在樣品中加入不等量的光譜純?cè)噭㏒rCl2,配制成Sr的濃度如表1所示分別為:0.01%、0.02%、0.05%、0.08%、0.15%、0.3%、0.5%、0.7%、0.9%、1.1%。經(jīng)過(guò)1 h的研磨后,添加蔗糖溶液再次進(jìn)行研磨,研磨好的土壤粉末經(jīng)769YP-15A型壓片機(jī)在15 MPa壓力下壓片10 min,制成直徑為15 mm、厚度為5 mm的圓片狀樣品,放入80 ℃的烘干箱,烘干備用。

表1 土壤樣品制備表Table 1 The preparation table of soil samples

2.2 光斑能量變化

光斑能量分布能夠反映激光光束的均勻性程度。如圖7所示,激光光源最初是一個(gè)高斯分布的圓形激光光束,中間能量高邊緣能量弱。經(jīng)過(guò)平凸柱面鏡的整形后激光光束變成了較為狹長(zhǎng)的且能量相對(duì)均勻的線性激光光束。其實(shí)際光束光斑如圖8所示。

圖7 光斑能量圖Figure 7 Spot energy map.

圖8 實(shí)際光斑圖Figure 8 Actual spot image.

2.3 焦斑光強(qiáng)均方差系數(shù)

焦斑光強(qiáng)均方差系數(shù)能夠反映出一組數(shù)據(jù)的離散程度,間接表明光強(qiáng)的平均性,其表達(dá)式[17]為:

式中,I為實(shí)際輸出光強(qiáng),為輸出光強(qiáng)的平均值,N為實(shí)驗(yàn)次數(shù),fRMS為光強(qiáng)均方差系數(shù),值越小則均勻性越好。將實(shí)驗(yàn)所得的譜線強(qiáng)度帶入式(1),計(jì)算繪制如表2所示。光束整形后樣品光譜強(qiáng)度的焦斑光強(qiáng)均方差系數(shù)均降低了,且平均降低率達(dá)到了41.91%,故可知通過(guò)平凸柱面鏡整形后焦斑光強(qiáng)在均勻性方面有所改善。

表2 激光整形前后焦斑光強(qiáng)均方差系數(shù)Table 2 Mean square error coefficients of focal spot intensity before and after laser shaping

2.4 焦斑光強(qiáng)峰谷比

焦斑光強(qiáng)峰谷比系數(shù)能夠反映光強(qiáng)的波動(dòng)程度,如果波動(dòng)越大則值越大,波動(dòng)越小值越小,其表達(dá)式[17]:

(2)

式中,Imax為輸出光強(qiáng)的最大值,Imin為輸出光強(qiáng)的最小值,V為輸出光強(qiáng)峰谷值比系數(shù),值越小則光強(qiáng)均勻性越好。將實(shí)驗(yàn)所得的譜線強(qiáng)度帶入式(2),計(jì)算繪制如表3所示。光束整形后樣品光譜強(qiáng)度的焦斑光強(qiáng)峰谷比系數(shù)明顯下降,且平均降低率達(dá)到41.27%。由此說(shuō)明平凸柱面鏡整形后光強(qiáng)能量均勻性提高,可以有效改善后期金屬微量元素的檢測(cè)靈敏性。

表3 激光整形前后焦斑光強(qiáng)峰谷比系數(shù)Table 3 Peak to valley ratio coefficient of focal spot intensity before and after laser shaping

2.5 能量均勻度

對(duì)于光束整形系統(tǒng),輸出的光束在空間中的照度分布需要進(jìn)行均勻性評(píng)價(jià)。引入能量均勻度的概念,它是一種標(biāo)準(zhǔn)的均勻性評(píng)價(jià)方法[18]。計(jì)算公式[19]如下:

(3)

式中,n是檢測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù),Ei是(i≥2)檢測(cè)點(diǎn)數(shù)值,是所有檢測(cè)點(diǎn)的平均值。能量均勻度反映了截面內(nèi)的整體光強(qiáng)偏離平均光強(qiáng)的程度,其值越大,表明能量分布越均勻。將實(shí)驗(yàn)所得的譜線強(qiáng)度帶入式(3),計(jì)算繪制如表4所示能量均勻度變化表。使用平凸柱面鏡后,光學(xué)系統(tǒng)成像的能量均勻度呈上漲的趨勢(shì),且平均上升率達(dá)到了17.23%。能量均勻度數(shù)值越大,平面內(nèi)整體光強(qiáng)接近平均光強(qiáng)的程度越高,由此可知,平凸柱面鏡對(duì)激光光束整形的有效性。

表4 激光整形前后能量均勻度Table 4 Energy uniformity before and after laser shaping

2.6 擬合決定系數(shù)

根據(jù)NIST數(shù)據(jù)庫(kù),選取Sr Ⅰ 421.5 nm為特征譜線(圖9),對(duì)待檢測(cè)土壤樣品進(jìn)行每組40次重復(fù)實(shí)驗(yàn)測(cè)量分析。隨著土壤樣品中Sr濃度含量的逐漸增多,激光擊穿誘導(dǎo)迸發(fā)出的等離子體也在增加,對(duì)應(yīng)的光譜強(qiáng)度也逐漸增強(qiáng)。由圖10可知高斯光束下Sr的光譜強(qiáng)度平均值曲線擬合決定系數(shù)為0.860,線性光束下Sr的光譜強(qiáng)度平均值曲線擬合決定系數(shù)為0.914。結(jié)果表明,通過(guò)使用平凸柱面鏡進(jìn)行激光光束整形后,光譜強(qiáng)度曲線的回歸擬合度更好即高斯光束得到了有效的改善。

圖9 鍶元素的特征譜線Figure 9 Characteristic spectral lines of strontium element.

圖10 整形前后樣品光譜強(qiáng)度平均值Figure 10 Average spectral intensity of samples before and after shaping.

3 結(jié)論

本文以激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)為理論基礎(chǔ),通過(guò)光學(xué)仿真模擬光束成像,確定了平凸柱面鏡的最佳實(shí)驗(yàn)焦距,然后基于最佳的平凸柱面鏡進(jìn)行高斯光束整形實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的搭建,并以土壤中的鍶元素為例檢測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)光束整形的有效性。通過(guò)比較使用平凸柱面鏡和聚焦透鏡后光斑能量變化、焦斑光強(qiáng)均方差系數(shù)、焦斑光強(qiáng)峰谷比系數(shù)、能量均勻度以及鍶元素整形前后的擬合決定系數(shù),得出了平凸柱面鏡可以有效改善激光中心強(qiáng)邊緣弱的不均勻分布,使其轉(zhuǎn)換成相對(duì)均勻能量分布的結(jié)論,證明了平凸柱面鏡整形的有效性。