阅读说明：本技术 Libs系统 (LIBS system ) 是由 李勇 潘嘉杰 张昊翔 孙玲 于 2019-12-19 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种LIBS系统,包括：激光装置,能够向待检测物发射激光；至少一台光谱装置,能够检测并分析经等离子体刻蚀的所述待检测物发出的光谱；以及时序控制装置,所述时序控制装置能够基于同一时钟源向所述激光装置和所述光谱装置发送控制信号,当光谱装置为一台时,时序控制装置基于同一时钟源向激光装置和光谱装置发送控制信号,能够消除因激光装置和光谱装置基于不同基准时钟运行而产生的信号延迟,提高了光谱采集的准确性,当光谱装置为多台时,不仅克服了光谱装置对外部触发信号(激光发射信号)的响应的触发延迟抖动,而且实现了多个光谱装置或同一光谱装置的多个通道的同步运行,进而实现了同时对多个待测样品的检测。(The invention discloses a LIBS system, comprising: the laser device can emit laser to the object to be detected; the spectrum device can detect and analyze the spectrum emitted by the object to be detected after the plasma etching; and the time sequence control device can send control signals to the laser device and the spectrum device based on the same clock source, when the spectrum device is one, the time sequence control device sends control signals to the laser device and the spectrum device based on the same clock source, the signal delay generated by the operation of the laser device and the spectrum device based on different reference clocks can be eliminated, the accuracy of spectrum acquisition is improved, when the spectrum devices are multiple, the trigger delay jitter of the response of the spectrum device to an external trigger signal (laser emission signal) is overcome, the synchronous operation of multiple spectrum devices or multiple channels of the same spectrum device is realized, and the simultaneous detection of multiple samples to be detected is realized.)

LIBS系统

技术领域

本发明涉及光谱装置触发技术领域，具体地涉及一种LIBS系统。

背景技术

在激光诱导击穿光谱(Laser Induced Breakdown Spectroscopy简称LIBS)系统中，使用激光器作为激发源。激光器的输出激光脉冲被聚焦到被测物体的表面，产生激光剥离以及寿命很短但亮度很高的等离子体，从而发射出具有特定波长的光辐射，使用高灵敏度的光谱装置对这些光辐射进行探测和光谱分析，就可以得到被测材料的元素信息。在进行光谱采集时，光谱装置的探测装置通常由时钟脉冲信号驱动，现有技术中，每一个独立的光谱装置，其内部都会有一个时钟信号发生装置，在激光诱导击穿光谱系统中，为了实现对多个样品同时进行检测，需要同步控制多个光谱装置的运行，由于多个光谱装置的时钟信号发生装置所产生的时钟信号无法完全同步，且外部触发信号对多个光谱装置的触发也存在着时间差，而LIBS系统中等离子体信号的寿命非常短，其等离子体的演变过程又非常迅速，迅速到需要用ns来计算，因此，当多个光谱装置同时进行采样时，即使微小的时间偏差也可能对采样结果产生较大的影响。

因此，有必要对现有的LIBS系统进行改进。

发明内容

为了解决现有技术中，LIBS系统中的光谱装置的响应与外部触发信号不同步，及多个光谱装置的采样时间不同步的技术问题，本发明提供一种LIBS系统，包括：激光装置，能够向待检测物发射激光；至少一台光谱装置，能够检测并分析经等离子体刻蚀的待检测物发出的光谱；以及时序控制装置，时序控制装置能够基于同一时钟源向激光装置和光谱装置发送控制信号。

在该技术方案中，能够应对光谱装置为一台或者多台的情况。具体来说，当光谱装置为一台时，由于控制光谱装置进行光谱采样的采样信号通常由控制激光装置发射激光的激光发射信号触发，时序控制装置基于同一时钟源向激光装置和光谱装置发送控制信号，也即激光装置和光谱装置基于同一基准时钟运行，能够消除因激光装置和光谱装置基于不同基准时钟运行而产生的信号延迟，由此提高了光谱采集的准确性，进而提升了光谱分析的稳定性和一致性。

进一步说，当光谱装置为多台时，时序控制装置基于同一时钟源向激光装置和光谱装置发送控制信号，不仅克服了光谱装置对外部触发信号(激光发射信号)的响应的触发延迟抖动，而且在上述技术效果的基础上实现了多个光谱装置或同一光谱装置的多个通道的同步运行，进而实现了同时对多个待测样品的检测，提高了检测效率，进一步提高了时间控制精度和采样分析的准确性。

在本发明的较优技术方案中，光谱装置包括:探测装置，用于采集光谱；探测装置具有时钟信号发生装置，时钟源为时钟信号发生装置。

在该技术方案中，明确了时钟源的配置，即时钟源为探测装置的时钟信号发生装置，利用了LIBS系统中原有的时钟源，而无需新增时钟源，简化了线路的连接，并节约了成本。

在本发明的较优技术方案中，时序控制装置与时钟信号发生装置相连接。

在该技术方案中，时序控制装置与时钟信号发生装置相连接，也即时序控制装置以时钟信号发生装置发出的时钟信号作为系统时钟，实现了由时序控制装置发送的信号与光谱装置所接受的信号的同时钟源。时序控制装置与时钟信号发生装置相连接的具体方式没有限定，可以是通信连接，也可以是线路连接。

在本发明的较优技术方案中，控制信号至少包括：用于控制激光装置产生激光的激光发生信号；用于控制激光装置发射激光的激光发射信号；以及用于控制光谱装置对光谱进行采样的采样信号。

在该技术方案中，控制信号至少包括激光发生信号、激光发射信号以及采样信号等，从而实现了多个光谱装置或同一光谱装置的多个通道的同步运行。

在本发明的较优技术方案中，还包括：延时电路，延时电路能够使采样信号相对于激光发射信号延时发送。

在该技术方案中，设置延时电路的原因之一在于：激光诱导等离子体形成的初期，不仅存在表征物质成分的原子谱线，由于轫致辐射的原因还存在较强的连续谱线，而连续谱线会将有效的原子谱线淹没，降低信噪比，不利于物质成分的检测，但是连续谱线衰减速度较快，远远大于原子谱线，经过一段时间(1-2μs)，连续谱线衰减殆尽，而表征物质成分的原子谱线强度依旧较强，此时启动光谱装置采集光谱可获得较弱的连续谱线和较强的原子谱线，实现信噪比的最大化，将此时刻定义为最佳采样时间，并根据该时刻与激光发射信号发送时刻的时间差，基于该时间差将采样信号相对于激光发射信号延时发送,也即光谱装置的外部触发信号为激光发射信号。

在一些技术方案中，用户也可以根据使用需求利用延时电路延时发送激光发射信号，并相应地调整采样信号的发送时间，以保持激光发射信号和采样信号的发送时间的时间差不变，从而实现信噪比的最大化。

在本发明的较优技术方案中，延时电路设置于时序控制装置。

在该技术方案中，延时电路设置于时序控制装置，有利于整体化生产时序控制装置，也有利于时序控制装置对延时电路的控制。

在本发明的较优技术方案中，激光装置为光泵浦激光装置。

在本发明的较优技术方案中，激光装置为Nd：YAG激光装置。

在本发明的较优技术方案中，探测装置为CCD探测装置或CMOS探测装置。

在本发明的较优技术方案中，还包括：计算机，与时序控制装置相连接，并能够通过软件实现对时序控制装置所发送的控制信号的发送时间和延时时间进行设定。

在该技术方案中，计算机能够通过软件实现对时序控制装置所发送的控制信号的发送时间和延时时间进行设定，如此设置，不仅方便研究，易于集成至现有的工业系统中，而且省去了用于同步信号的信号发生器，节约了制造成本。

附图说明

图1为本发明所提供的LIBS系统的结构示意图；

附图标记：

100-LIBS系统

101-待检测物

110-激光装置

111-泵浦源

112-激光晶体

113-谐振腔

114-激光发射装置

120-光谱装置

121-探测装置

1211-时钟信号发生装置

130-时序控制装置

131-控制单元

1311-时钟倍频PLL模块

1312-脉宽调制HRPWM模块

1313-处理器

1314-计算机

132-信号输出单元

140-延时电路

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本实施方式所提供的LIBS系统100，如图1所示，主要包括：激光装置110，激光装置110能够向待检测物101发射激光，其中，待检测物101可以呈固态、液态或气态，并能够在激光诱导产生的等离子体的刻蚀下发出光谱；光谱装置120，光谱装置120能够检测并分析经等离子体刻蚀的待检测物101发出的光谱；以及时序控制装置130，时序控制装置130能够基于同一时钟源向激光装置110和光谱装置120发送控制信号。

需要说明的是，本发明的技术方案可以应对光谱装置120为一台或者多台的情况，虽然本实施方式中，如图1所示，给出了光谱装置120的数量为一台的示例，但在一些实施方式中，光谱装置120的数量也可以为多台。

当光谱装置120的数量为一台时，由于控制光谱装置120进行光谱采样的采样信号通常由控制激光装置110发射激光的激光发射信号触发，时序控制装置130基于同一时钟源向激光装置110和光谱装置120发送控制信号，也即激光装置110和光谱装置120基于同一基准时钟运行，能够消除因激光装置110和光谱装置120基于不同基准时钟运行而产生的信号延迟，具体地，以激光装置110和光谱装置120的基准时钟的频率均为2.4Mhz，也即基准时钟的周期约为416.7ns,采样信号和激光发射信号均由周期内的高电平触发，采样信号设定为相对于激光发射信号延迟2μs发送，若激光装置110和光谱装置120基于不同基准时钟运行，激光发射信号的首个高电平信号发送后，光谱装置120因不同的时钟信号发生装置之间的差异而无法准确在预定的延迟时间2μs后做出响应，若错过该高电平信号，则需要再延迟一定时间(该时间最大时为一个周期，416.7ns)直至下一高电平信号发送时才能响应，也就是产生了触发延迟抖动，根据本发明，利用时序控制装置130的设置，使得激光装置110和光谱装置120基于同一基准时钟运行，从而能够有效避免这一问题的发生，提高了光谱采集的准确性，进而提升了光谱分析的稳定性和一致性。

在一些应用场景中，需要对多个样品同时进行采样分析，此时，光谱装置120的数量为多个，或光谱装置120的通道为多个，因此对多个光谱装置120或多个通道之间的同步性也有了相应的需求，在该技术方案中，时序控制装置130基于同一时钟源向激光装置110和多个光谱装置120发送控制信号，不仅克服了光谱装置120对外部触发信号(激光发射信号)的响应的触发延迟抖动，而且实现了多个光谱装置120或同一光谱装置120的多个通道的同步运行，提高了时间控制精度和采样分析的准确性。

在本实施方式的较优技术方案中，激光装置110为光泵浦激光装置，更为优选地，激光装置110为Nd：YAG激光装置。Nd：YAG激光装置输出峰值功率可以很高，光束质量好，特别有利于多个光谱装置120的情况。

下面以激光装置110为Nd：YAG激光装置作为示例，对于LIBS系统的工作进行说明，激光装置110主要包括：泵浦源111、激光晶体112以及谐振腔113；其中，泵浦源111可以为氪气(kryton)或氙气(xenon)灯管；激光晶体112可以为YAG晶体；泵浦源111的泵浦光照射到激光晶体112上激发激光晶体112发光，并经过谐振腔113谐振之后，最终产生脉冲激光，激光装置110还包括激光发射装置114，激光发射装置114能够控制激光装置110产生的激光的发射，时序控制装置130分别与泵浦源111和激光发射装置114相连接，以向激光装置110发送激光发生信号和激光发射信号，LIBS系统通常将激光发生信号发出的时间或激光装置110基于激光发生信号向时序控制装置130发出反馈信号的时间作为LIBS系统的初始时间。

在本实施方式的较优技术方案中，光谱装置120包括:探测装置121，探测装置121用于采集经等离子体刻蚀的待检测物101发出的光谱；探测装置121具有时钟信号发生装置1211，其中，时序控制装置130能够基于时钟信号发生装置1211向激光装置110和光谱装置120发送控制信号，也即激光装置110和光谱装置120共用同一工作时钟，进一步地，时序控制装置130与时钟信号发生装置1211相连接。

需要说明的是，这里所说的控制信号，至少包括：用于控制激光装置110产生激光的激光发生信号；用于控制激光装置110发射激光的激光发射信号；以及用于控制光谱装置120对光谱进行采样的采样信号。利用对于上述多种信号的控制，实现共用同一工作时钟以及后续说明的延迟控制等。

时序控制装置130至少包括控制单元131以及信号输出单元132；控制单元131至少包括时钟倍频PLL模块1311、脉宽调制HRPWM模块1312以及处理器1313，其中，时钟倍频PLL模块1311与时钟信号发生装置1211相连接，并以时钟信号发生装置1211的时钟信号作为基准，为时序控制装置130提供系统时钟，脉宽调制HRPWM模块1312在系统时钟的驱动下产生多路同步的脉冲时序信号，该脉冲时序信号在处理器1313的控制下经信号输出单元132输出；信号输出单元132一方面与脉宽调制HRPWM模块1312相连接，另一方面与泵浦源111、激光发射装置114以及探测装置121相连接。

在本实施方式的较优技术方案中，还包括：延时电路140，延时电路140能够对控制信号进行延时处理，其连接于信号输出单元132的后端或集成于信号输出单元132内部，设置延时电路140的原因之一在于：激光诱导等离子体形成的初期，不仅存在表征物质成分的原子谱线，由于轫致辐射的原因还存在较强的连续谱线，而连续谱线会将有效的原子谱线淹没，降低信噪比，不利于物质成分的检测，但是连续谱线衰减速度较快，远远大于原子谱线，经过一段时间(1-2μs)，连续谱线衰减殆尽，而表征物质成分的原子谱线强度依旧较强，此时启动光谱装置120采集光谱可获得较弱的连续谱线和较强的原子谱线，实现信噪比的最大化，将此时刻定义为最佳采样时间，并根据该时刻与激光发射信号发送时刻的时间差，基于该时间差将采样信号相对于激光发射信号延时发送,也即,光谱装置120的外部触发信号为激光发射信号。

在一些实施方式中，用户也可以根据使用需求利用延时电路140延时发送激光发射信号，并相应地调整采样信号的发送时间，以保持激光发射信号和采样信号的发送时间的时间差不变。

在本实施方式的较优技术方案中,延时电路140设置于时序控制装置130，从而有利于整体化生产,在一些实施方式中,延时电路140当然也可以单独设置并与时序控制装置130相连接，同样可以实现上述控制功能。

在本实施方式的较优技术方案中，LIBS系统还包括：计算机1314，计算机1314与处理器1313相连接，并能够通过软件实现对时序控制装置130所发送的控制信号的发送时间和延时时间进行设定，如此设置，不仅方便研究，易于集成至现有的工业系统中，而且省去了用于同步信号的信号发生器，节约了制造成本。

在一些实施方式中，也可以不设置计算机1314，而通过设置与处理器1313相连接的控制面板(未图示)实现对时序控制装置130所发送的控制信号的设定。

在本实施方式的较优技术方案中，探测装置121为CCD探测装置或CMOS探测装置，作为进一步的优选，探测装置121为CCD探测装置。

在上述说明的基础上，下面对本实施方式所提供的LIBS系统100的工作原理进行说明：

首先放置好待检测物101，为LIBS系统100上电，理论上讲，LIBS系统可以实现对任何物质的元素分析，不论它是什么物理状态。因此，待检测物101可以为固体、液体、气体甚至混合状态；

时序控制装置130向激光装置110发送激光发生信号，激光装置110的泵浦源111在接收到激光发生信号时发出泵浦光，泵浦光照射到激光晶体112上激发激光晶体112发光，并经过谐振腔113谐振之后，最终产生脉冲激光；

时序控制装置130向激光装置110发送激光发射信号，激光发射装置114在接收到激光发射信号后向待检测物101发射激光，待检测物101在激光诱导产生的等离子体的刻蚀下发出光谱；

时序控制装置130在延时电路140的作用下，相较于激光发射信号，延时一定时间向光谱装置120发送采样信号，以对待检测物101发出的光谱进行采样，例如采样信号设定为相对于激光发射信号延迟2μs发送，延迟时间可以根据实际需要进行调整；

探测装置121将收到的光谱信号通过光纤发送给光谱装置120，光谱装置120将收集的光谱信号进行分析，把待检测物101的等离子体光谱信号与标准光谱信号进行对比分析，得出待检测物101的元素以及元素浓度。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。