CN102866134B - 一种用于激光诱导检测的光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种新型激光诱导检测装置的激光导入光学系统，特别是涉及一种将激光汇聚在被检测物质的表面，通过激光所激发等离子体光谱得到被检测材料成分，或通过激光在材料内部及表面所激励的超声进行分析得到材料内部缺陷的激光导入光学系统，属于激光诱导检测领域。本发明涉及的系统包括：外套筒、分光棱镜、分光遮挡板、光束选择挡板、聚光套筒，还可以将聚光套筒替换成反射镜组，或者增加电动控制器，或者增加聚焦透镜。本发明通过将激光分束，并控制单束激光能量在诱导激励的阈值之下，而多束合并时又处于激励阈值之上的方法来实现诱导的调节控制，并能够同时避免激光聚焦在被检测材料的上，或者导致气体击穿的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种新型激光诱导检测装置的激光导入光学系统，特别是涉及一种将激光汇聚在被检测物质的表面，通过激光所激发等离子体光谱得到被检测材料成分，或通过激光在材料内部及表面所激励的超声进行分析得到材料内部缺陷的激光导入光学系统，属于激光诱导检测领域。
背景技术
激光诱导等离子体光谱(Laser Induced Plasma Spectroscopy，LIPS)检测技术，是一种利用脉冲激光烧蚀物质产生等离子体，通过等离子体发射光谱来定性或定量研究物质成份的分析技术。它具有适用范围广、分析速度快、测量破坏性小、可远程非接触测量以及可实现实时检测等优点。激光诱导等离子体光谱技术是基于激光和材料相互作用产生的发射光谱的一种定量分析技术，该方法在测量过程中只需几微克，可实现非破坏测量，并且无需样品预处理即可实现对任何物理状态物质的元素分析。激光诱导等离子体光谱技术可通过定标对物质中的元素进行定量分析，且检测限和精密度完全满足应用需求，现已广泛应用于众多领域。
另一方面，激光诱导超声检测技术是利用激光来激发和检测超声的无损检测技术，激光聚焦在被测材料表面后，被照射材料会发生膨胀，形成热弹效应或者融蚀作用。热弹效应或者融蚀作用可以激发出以激光照射点为源的超声波。与传统的压电超声检测技术相比，激光诱导超声检测技术具有非接触、宽带以及点发射接收等优点。因此激光诱导超声检测技术在材料表征、缺陷检测、加工过程监测，以及复杂形貌的工件或高温、高压、腐蚀、辐射等特殊环境下设备的检测或监测中得以应用。
目前国内外有一些专利进行了这方面的保护，比如申请号为200780101871.0的激光超声无损检测装置，将激光通过透镜汇聚到材料上面后，通过折叠行进来实现对大面积的扫描检测。申请号为US2003/0172736A1的专利，介绍了一种采用光纤结构的激光诱导超声检测系统，该系统将激光诱导超声激励源与激光诱导超声检测信号透镜同轴整合实现检测。美国专利US7671349B2保护了一种激光诱导等离子体的装置，采用一种包含凹面反射镜的收集结构实现将激光汇聚到被检测的物质上，结构紧凑，较为实用。
对于激光诱导等离子体光谱技术和激光诱导超声检测技术，均需要光学系统将激光汇聚在被检测材料的表面，来实施激光诱导。诱导的激光通常采用透镜聚焦，这种方式面临的最大问题是焦点尺寸比较小，一旦被检测材料到聚焦透镜的间距发生波动，就会影响检测的实施。对于激光诱导等离子体光谱技术，当焦点在材料表面之上时，就会发生气体击穿，使得监测得到的光谱是空气光谱而不是被检测材料的光谱；对于激光诱导超声检测技术，当诱导激光恰好汇聚到材料表面上时，就会发生损伤，破坏被检测件。
发明内容
本发明目的在于提供一种新的激光诱导检测技术中的光学导入系统，用来解决激光诱导等离子体光谱技术和激光诱导超声检测技术在实施过程中的导入激光调节问题。本发明通过将激光分束，并控制单束激光能量在诱导激励的阈值之下，而多束合并时又处于激励阈值之上的方法来实现诱导的调节控制，并能够同时避免激光聚焦在被检测材料的上，或者导致气体击穿的问题。
本发明的目的是这样实现的：
本发明涉及的用于激光诱导检测的光学系统，如图1和图2所示，包括：外套筒1、分光棱镜2、分光遮挡板3、光束选择挡板4、聚光套筒5，还可以将聚光套筒5替换成反射镜组6，或者增加电动控制器7，或者增加聚焦透镜组8。
在所述的技术方案中，所述的外套筒1用来将诱导激励的激光束汇聚到被检测的材料表面上；
在所述的技术方案中，所述的分光棱镜2用来将诱导用的入射激光分散成多束；
在所述的技术方案中，所述的分光遮挡板3用来透过分束后的激光，并遮挡被光束选择挡板4反射的激光，避免散射干扰；
在所述的技术方案中，所述的光束选择挡板4用来对入射的多束激光进行选择，控制其中的部分或全部透过；
在所述的技术方案中，所述的聚光套筒5内壁可以是棱台面、圆台面或者组合曲面，由金属抛光或者其他材料镀膜构成，用来反射并改变多束诱导激光的方向，使多束诱导激光共同汇聚在一个面上。
在所述的技术方案中，所述的反射镜组6可以由金属抛光或者玻璃等材料镀膜构成，可以是平面也可以是凹面或者凸面，功能与聚光套筒5相同。
在所述的技术方案中，所述的电动控制器7内部包括驱动电机和传动机构，用来实现分光遮挡板3、光束选择挡板4、聚光套筒5的电动控制。
在所述的技术方案中，所述的聚焦透镜组8可以被添加在分光棱镜2前、分光棱镜2与分光遮挡板3之间、分光遮挡板3与光束选择挡板4之间、光束选择挡板4与聚光套筒5之间，用来实现单束光的汇聚。
本发明与已有技术相比具有如下的优点：
无论是激光诱导等离子体光谱检测技术还是激光诱导超声检测技术，均需要将激光汇聚在被检测件的表面进行激励。现有的激励技术是通过透镜将激光汇聚到材料表面来实现高能量密度的激励，但是存在空气击穿、焦点需要精确定位的问题。本发明避免了透镜聚焦焦点的存在，通过多束激光的重叠实现诱导激光诱导，这样对焦点位置不明感，可以有效避免诱导激光的气体击穿和被检测材料的损伤。
附图说明
图1是用于激光诱导检测的光学系统的剖视图。
图2是用于激光诱导检测的光学系统的外观图。
图3是用于激光诱导检测的光学系统的内部结构。
图4是用于激光诱导检测的光学系统的另一种内部结构方案实例。
图5是用于激光诱导检测的光学系统的一种90度4块一层分光棱镜结构图。
图6是用于激光诱导检测的光学系统的一种4束分光遮挡板结构图。
图7是用于激光诱导检测的光学系统的一种光束选择挡板结构图。
图8是用于激光诱导检测的光学系统的一种45度8块一层分光棱镜结构图。
图9是用于激光诱导检测的光学系统的一种45度8块两层分光棱镜结构图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例将对本发明进一步详细说明。
实施例1
参考图1、图2和图3，制作一个用于激光诱导检测的光学系统。外套筒1由不锈钢焊接制成，内部为螺纹结构，通过包含外螺纹的金属环来加紧固定光学元件。沿着通光顺序，第一个光学元件是聚焦透镜组8，第二个光学元件为分光棱镜2，用来将诱导用的入射激光分散成4束，结构如图5。第三个光学元件为分光遮挡板3，由厚度1mm的铝片制成，上面包含4个直径3mm的通光孔，成90°夹角圆周阵列，结构如图6，由分光棱镜2分出的光经过这4个通光孔射出。第四个光学元件为光束选择挡板4，上面沿着一个圆周排布12个孔，结构如图7，通过旋转光束选择挡板4，可以实现1、2、3、4束激光通过光束选择挡板4。被光束选择挡板4遮挡的激光在光束选择挡板4和分光遮挡板3之间散射。第五个光学元件为聚光套筒5，内壁为圆台曲面，由金属铝抛光镀高反射膜构成，经过光束选择挡板4透射的激光束由聚光套筒5改变方向，共同汇聚在被检测面上。在外套筒1外面，附着安装有电动控制器7，用来通过外部控制信号实现对分光遮挡板3、光束选择挡板4的调节，实现对激光分光的电动控制。
实施例2
参考图4，制作一个用于激光诱导检测的光学系统。外套筒1由铝板加工制成，内部为滑套结构，每个元件外部有套筒。通过紧固螺钉来实现光学元件定位。沿着通光顺序，第一个光学元件为分光棱镜2，用来将诱导用的入射激光分散成8束，如图8。第二个光学元件为分光遮挡板3，由厚度0.5mm的钢片制成，上面包含8个直径5mm的通光孔，由分光棱镜2分出的光经过这8个通光孔射出。第三个光学元件为光束选择挡板4，上面沿着一个直径50mm的圆周等角度间距阵列排布20个孔，通过旋转光束选择挡板4可以实现2、4、6、8束激光通过光束选择挡板4。被光束选择挡板4遮挡的激光在光束选择挡板4和分光遮挡板3之间散射。第四个光学元件为聚光套筒5，内壁安装有反射镜组6，反射镜为圆形，直径10mm。经过光束选择挡板4透射的激光束由反射镜组6改变方向，共同汇聚在被检测面上。在使用时，通过手动控制光束选择挡板4的角度，实现多束激光照射在材料表面，实现激光诱导激励。
实施例3
参考图4，制作一个用于激光诱导检测的光学系统。外套筒1由铝板加工制成，内部为滑套结构，每个元件外部有套筒。通过紧固螺钉来实现光学元件定位。沿着通光顺序，第一个光学元件为分光棱镜2，用来将诱导用的入射激光分散成两层，每层8束，如图9。第二个光学元件为分光遮挡板3，由厚度1mm的钢片制成，上面包含两层每层8个直径3mm的通光孔，由分光棱镜2分出的光经过这8个通光孔射出。第三个光学元件为光束选择挡板4，上面沿着一个直径50mm的圆周等角度间距分两层，每层阵列排布20个孔，通过旋转光束选择挡板4可以实现4、8、12、16束激光通过光束选择挡板4。被光束选择挡板4遮挡的激光在光束选择挡板4和分光遮挡板3之间散射。第四个光学元件为聚光套筒5，内壁安装有反射镜组6，反射镜为圆形，直径10mm。经过光束选择挡板4透射的激光束由反射镜组6改变方向，共同汇聚在被检测面上。在使用时，通过手动控制光束选择挡板4的角度，实现多束激光照射在材料表面，实现激光诱导激励。
Claims (7)
1.一种用于激光诱导检测的光学系统，包括：外套筒(1)、分光棱镜(2)、分光遮挡板(3)、光束选择挡板(4)、聚光套筒(5)，还可以将聚光套筒(5)替换成反射镜组(6)，或者增加电动控制器(7)，或者增加聚焦透镜组(8)；
所述的外套筒(1)用来将诱导激励的激光束汇聚到被检测的材料表面上；所述的分光棱镜(2)用来将诱导用的入射激光分散成多束；所述的分光遮挡板(3)用来透过分束后的激光，并遮挡被光束选择挡板(4)反射的激光，避免散射干扰；所述的光束选择挡板(4)用来对入射的多束激光进行选择，控制其中的部分或全部透过；所述的聚光套筒(5)用来反射并改变多束诱导激光的方向，使多束诱导激光共同汇聚在一个面上；所述的反射镜组(6)可以由金属抛光或者玻璃等材料镀膜构成，可以是平面也可以是凹面或者凸面，功能与聚光套筒(5)相同；所述的电动控制器(7)内部包括驱动电机和传动机构，用来实现分光遮挡板(3)、光束选择挡板(4)、聚光套筒(5)的电动控制；所述的聚焦透镜(8)可以被添加在分光棱镜(2)前或分光棱镜(2)与分光遮挡板(3)之间或分光遮挡板(3)与光束选择挡板(4)之间或光束选择挡板(4)与聚光套筒(5)之间，用来实现单束光的汇聚。
2.按权利要求1所述的用于激光诱导检测的光学系统，其特征在于，分光棱镜(2)用来实现激光的分光，可以是仅沿着轴向的1至50等分，每份呈扇形；也可以是沿着径向的1至50等分与沿着轴向的1至50等分相结合，将光束分成沿同一圆心的1至50个环带，每个环带上进行1至50等分。
3.按权利要求1所述的用于激光诱导检测的光学系统，其特征在于，包含的分光遮挡板(3)和光束选择挡板(4)用来实现光束透过的选择，在分光遮挡板(3)和光束选择挡板(4)上面可以沿一个或多至10个的圆周设置分光通光孔，在每个圆周上可以包含1至100个孔，这些孔的间距不等，主要目的是分光遮挡板(3)和光束选择挡板(4)上的孔配合，实现不同组数的激光透过,并且每个孔的形状可以为圆形、矩形、梯形或者扇形，通常为直径在1至20mm的圆孔或者单边长1至20mm的矩形。
4.按权利要求1所述的用于激光诱导检测的光学系统，其特征在于，包含的聚光套筒(5)用来实现对分出光束的汇聚，内壁可以是棱台面、圆台面或者组合曲面，由金属抛光或者塑料、玻璃、陶瓷镀高反射膜构成；聚光套筒(5)可以由3至30片的梯形镜片围拢粘贴构成，可以由铝、铁、铜通过机械加工的方式构成内空的孔，形状可以是圆柱孔、棱台孔或者球面与圆柱和棱台组合的孔的形状。
5.按权利要求1所述的用于激光诱导检测的光学系统，其特征在于，聚光套筒(5)还可以替换成反射镜组(6)，由1至50片的反射镜按照适当的角度排布构成，这些反射镜可以是金属反射镜，也可以是陶瓷、玻璃反射镜，反射镜可以是圆形、矩形或者梯形；反射镜反射面可以是平面、凹面或者凸面，可以是球面也可以是非球面。
6.按权利要求1所述的用于激光诱导检测的光学系统，其特征在于，在聚光套筒(5)的前面或者后面可以添加聚焦透镜组(8)，来实现多束光的进一步汇聚，以及通过对聚焦透镜组(8)的调节实现光束汇聚位置的精确定位；聚焦透镜组(8)可以增加电动控制系统，实现自动调节，或者通过手动调节来实现。
7.按权利要求1所述的用于激光诱导检测的光学系统，其特征在于，在分光棱镜(2)后，分光遮挡板(3)前，可以添加聚焦透镜组，来实现多束光的进一步汇聚，以及通过对聚焦透镜组(8)的调节实现光束汇聚位置的精确定位；聚焦透镜组(8)可以增加电动控制系统，实现自动调节，或者通过手动调节来实现。
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20150415 Termination date: 20210828 |
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