光纖式激光誘導擊穿光譜實驗平臺開發

汪 倩， 邱 巖， 吳 堅， 李興文

（1.西安理工大學理學院，西安 710054；2.西安交通大學a.電子物理與器件教育部重點實驗室；b.電力設備電氣絕緣國家重點實驗室，西安 710049）

0 引言

激光誘導擊穿光譜（Laser-Induced Breakdown Spectroscopy，LIBS），作為一種原子發射光譜技術，是近年來最熱門且應用推廣迅猛的元素組成測量技術之一。LIBS基于脈沖激光燒蝕靶物質產生瞬態等離子體（Laser-Induced Plasma，LIP），采用等離子體冷卻過程中，持續時間長且輻射強度大的特征輻射作為光源，通過采集原子或離子的特征譜線，實現對待測靶物質中元素組分的定性識別或定量分析［1-2］。LIBS 作為一種非接觸式測量方法，具有遠程實時、原位頂點、快速微損等獨特的技術優勢［3-4］。然而，目前已開發出的商業儀器中多為人工手持式設備，尚未充分發揮出LIBS 遠程探測的優勢；考慮到工業現場管線排布復雜、空間狹小，且在核電、化工等高溫、輻照的極端環境中，人工進入作業區域也存在暴露風險［5］。隨著高能激光的光纖傳輸技術發展，采用光纖傳輸脈沖激光并回傳光譜信號的光纖式LIBS（Fiber-Optic LIBS，FOLIBS）正被越來越廣泛地用于遠程獲取材料的LIBS光譜信號，從而避免分析人員和精密光電設備暴露于極端環境［6-7］。因此，開發FO-LIBS同步控制的自動化硬件系統，架構并實現數據顯示、儲存、分析、結果輸出的軟件系統已經成為工業極端環境中LIBS 技術集成和創新的基礎［8］。

本文依據FO-LIBS實驗平臺開發了FO-LIBS自動化控制與數據處理的軟硬件系統，以滿足工業環境的遠程探測需求。

1 光纖式激光誘導擊穿光譜實驗平臺硬件系統

FO-LIBS的功能實現主要包括三個方面：激光-光纖耦合、饋出激光光束再聚焦和光譜信號收集回傳。但目前使用石英光纖的激光-光纖耦合效率不高［9］，未饋入光纖的激光能量則被光纖端面所吸收，極易造成光纖損傷；另外，經大芯徑多模光纖傳輸的饋出激光光束聚焦光斑過大［10］；加之傳輸能量受限，通常在20 ～30 mJ范圍內，造成激光輻照度不足，降低FO-LIBS 探測靈敏度。故需對FO-LIBS 實驗裝置優化設計，形成滿足工業應用要求的調控方法。

1.1 激光-光纖耦合

激光-光纖耦合是指激光光束經透鏡聚焦后饋入到傳輸光纖中。高效的激光-光纖耦合需保證饋入激光光束在光纖中傳輸發生全反射，有以下兩個充分條件：激光光束聚焦光斑直徑小于光纖芯徑；聚焦光束的會聚角小于光纖孔徑角。

激光-光纖耦合的光纖損傷機制分為兩類［11］：激光輻照度最高的聚焦束腰區域距離纖芯端面過近，超出了端面的損傷閾值；聚焦束腰區域在纖芯內部，入射激光照射內表面涂層的輻照度過高。因此，激光聚焦束腰區域應位于光纖纖芯端面的外部，并距離端面足夠的長度，降低到達端面聚焦輻照度。如圖1 所示為本文自主搭建的激光-光纖耦合器。

圖1 激光-光纖耦合器工作原理圖（ds：纖芯與焦點間的距離，f：透鏡焦距，Df：光纖芯徑，D0：入射激光光束直徑，Dl：聚焦光斑）

ds是決定耦合效率的關鍵。根據光的衍射原理，可以參照前序工作構建幾何光路模型［12］。本文基于模型計算結果，微調優化確定ds的安全距離為4.5 mm。在光纖饋出能量6 ～56 mJ 的范圍內調節，耦合效率（饋出能量/饋入能量）＞80%。

1.2 饋出激光光束再聚焦

在傳輸光纖的另一端，激光光束饋出后呈發散狀態，為實現饋出激光再聚焦，需在光纖饋出前端構建可緊貼樣品表面工作的FO-LIBS探頭。本文使用短焦透鏡搭建了一種緊湊型探頭，如圖2 所示。將光纖饋出端面置于靶面的共軛位置以實現高效率光束聚焦及等離子體輻射信號收集。

圖2 緊湊型探頭的光路結構

1.3 光譜信號收集與回傳

由圖2 的緊湊型探頭，依據光路可逆原理，發散的等離子體輻射光束可被探頭反向收集，并在光纖的激光光束饋出端面完成耦合，反向傳輸至激光-光纖耦合端面，經準直后，沿著激光光路逆向傳播。在激光-光纖耦合的前端光路中使用二向色分束鏡可實現等離子體輻射信號與激光傳輸光路的分離，如圖3 所示。

圖3 等離子體輻射信號回傳光路

激光饋出的聚焦光斑尺寸由緊湊型探頭的物距u和像距v共同決定，對于給定的物距u，像距v可在一定范圍內取值，通過光譜特征信噪比尋優確定最佳v值。

1.4 光纖式激光誘導擊穿光譜實驗平臺整體搭建

將激光器及前端光路、激光-光纖耦合器、光譜信號收集光路集成為一個整體，即形成FO-LIBS 實驗平臺的硬件系統，如圖4 所示。

圖4 FO-LIBS整機平臺示意圖

激光光束射出后，經過采樣鏡，固定比重的2 束光分別被反射到激光能量計和光子探測器，分別用于測量能量并記錄時序。激光主光束經短通二向色鏡反射后，通過激光-光纖耦合器饋入高功率傳輸光纖中。在傳輸光纖的另一端，饋出激光在探頭的引導下，聚焦輻照樣品表面，等離子體經相同光纖回傳至激光-光纖耦合器，透過二向色鏡后被連接光譜儀的信號傳輸光纖所收集。數字延時發生器被用來控制激光器和光譜儀ICCD探測器的時序配合，光子探測器和ICCD的反饋信號在示波器中顯示。即整機的光譜儀、示波器、計算機等精密設備可工作于遠離探測終端的適宜環境中，集成裝置與工作于工業環境中的探頭通過長程高功率光纖相連。

2 配套軟件的設計及集成

FO-LIBS實驗平臺控制和數據采集的設計不僅要按照測試功能的實際需求對多臺儀器進行操作，完成儀器的控制及數據訪問，同時要實現傳輸數據的在線處理、分析、顯示和存儲功能。

2.1 用戶界面設計

圖5 所示為軟件用戶主要界面，其包括主控制界面、常用菜單界面、方法管理界面、譜圖管理界面和系統管理界面，實現對各模塊設備的控制、光譜實時采集與定性/定量分析功能。

圖5 軟件用戶屏顯界面及其主要菜單

（1）主控制界面。軟件主控制界面［見圖5（a）］，主要包括菜單欄、方法信息顯示區、譜線列表顯示區、色階分布顯示區、分析結果顯示區以及譜圖信息顯示區。

（2）常用菜單欄。外接儀器參數設置界面［見圖5（b）］，設置光譜采集延時、積分時間、采樣次數、光譜儀型號等參數，并對實時展示的譜圖進行元素標記和光譜數據的導入導出操作。

（3）方法管理界面。通過分析通道的選擇與設置，可以實現光譜數據預處理、定標樣品數據儲存、定標曲線擬合與最優模型求解等功能。

（4）譜圖管理界面。可以實現對譜圖進行特征元素標記及譜圖放縮、關閉、顯示等操作。

（5）系統管理界面。通過時序設置窗口［見圖5（c）］，設置激光器、光譜儀等外接設備時序與頻率，通過平臺控制窗口設置電動位移平臺的移動方式與速度，實現多設備協同自動化控制。

2.2 主體程序編譯及功能

本程序以C++作為編程語言，開發IDE 為Microsoft Visual Studio 2010，數據庫采用Access 數據庫。軟件分為5 個模塊：主界面模塊、數據處理模塊、數據庫管理模塊、光譜儀通信模塊、儀器控制通信模塊。主體程序框架如圖6 所示。

圖6 主體程序框架

數據處理模塊和數據庫管理模塊均采用動態鏈接庫實現，導出相應的函數接口；通過激光器和光譜儀供應商提供的二次開發SDK，實現與激光器、光譜儀的聯控通信。設置泵浦參數，控制激光器動作出光；設置采樣參數，控制光譜儀動作采集光譜數據，并實時顯示及儲存光譜數據。通過設計通信協議，實現時序控制器DG535 與電動位移平臺的聯控。同時，主界面模塊通過調用DLL文件，實現數據處理模塊和數據庫管理模塊的調用。最終實現包括激光器控制、光譜儀控制及激發光譜采集、時序控制、電動位移臺控制、譜圖導入、光譜數據處理、譜線譜峰擬合、元素譜線識別、分析方法管理、定標分析、標準樣品管理、譜線庫管理、分析結果報告等在內的功能。

3 基于軟件功能元素定性與定量分析

基于FO-LIBS及其他LIBS 系統進行材料元素組成定性分析的依據在于不同元素的原子發射譜線波長不同，特征譜線波長與元素一一對應［13］。當誘導等離子體處于局部熱力學平衡狀態時，激發態粒子服從Boltzmann分布，構建光譜特征與元素含量的定量關聯是定量分析的關鍵，常用方法包括外定標、內定標、化學計量學算法等［14］。

3.1 元素定性標識

利用本文開發的元素識別功能可以對采集光譜進行特征譜線識別。對譜線庫（NIST數據庫或自建數據庫）、目標元素符號、波長范圍、強度范圍、查詢譜線數量、電離度、誤差閾值、是否標記所有譜線等信息進行設置，并按照設置條件篩選目標譜線。經過查找和篩選的特征譜線將列于主界面的譜線列表展示區，并在譜線信息展示區上進行標注說明，如圖7 所示。

圖7 元素譜線標識屏顯結果

3.2 定標定量分析

采用內定標方法建立了最優內標譜線組合尋優算法，通過計算相關系數，快速確定最優譜線組合。基于最優化譜線特征組合建立定標曲線，在獲取未知光譜數據后，將自動調用定標曲線計算得到元素含量，如圖8 所示。此外，聯用電控位移平臺控制模塊實現了樣品二位掃描功能，完成單點光譜數據后即時計算元素含量，并將元素二維分布圖繪制于主界面的色階分布顯示區。

圖8 定標曲線擬合及元素含量計算屏顯結果

4 結語

本文以光纖式激光誘導擊穿光譜實驗平臺，開發了集儀器整機控制、光譜數據獲取與分析等功能為一體的配套軟件。該平臺實現了納秒脈沖激光器、光柵光譜儀、數字延時發生器等主要硬件設備協同配合。研究結果表明，系統工作穩定、輸出結果可靠、人機交互界面友好，同時軟件程序架構具有兼容開放性，易于系統維護及分析算法的二次開發，能為遠程LIBS智能分析系統設計研發提供重要參考，具有良好的應用前景。

同時，本實驗平臺在本科教學實踐環節中，通過為學生提供真實的操作環境進行實驗、實訓及工程訓練，能很好地鍛煉學生的動手能力。