基于平凸柱面镜的LIBS光束整形系统设计

陈姿颖 李红莲* 殷啸林 方立德 李莹莹

(1.河北大学 质量技术监督学院,河北 保定 071000;2.河北白沙烟草有限责任公司 保定卷烟厂 供应部,河北 保定 071000)

在食品原料、中药材、烟草等植物生长过程中,土壤受到工业排放的污染,根部会吸收土壤中的金属微量元素,这些微量金属随着植物的生长被转移到其他部分。随着传统电化学分析法和应用中子活化分析法在微量元素测试方面的应用减少,金属微量元素检测分析逐渐向快速多元素仪器测定的方向发展[1-3],如:原子吸收光谱法、电感耦合等离子体质谱法、原子发射光谱法、激光诱导击穿光谱法等。其中激光诱导击穿光谱技术利用激光和物质间相接触产生直接作用,省略了以往中间繁琐复杂的制作流程并具备了快捷分析的优点[4-5],在近年的地质[6]、生物[7]和环保[8]等领域普遍运用。根据研究发现,单模激光光束的波形能量密度呈现出中心强边缘弱的高斯分布,在光学材料应用中可能导致材料表面发生热灼烧效应,从而引起裂纹、溅射等缺陷使探测灵敏度降低,影响后续相关分析。因此,改善高斯激光光束能量分布均匀性成为了LIBS技术的研究热点之一。

改变高斯光束光斑能量密度分布,则需要对其进行一定程度的整形,整形成同一外形轮廓或不同轮廓的平顶光束。平顶光束是在光束横截面上具有均匀光强能量和均匀相位分布的一类傍轴光束,具有填充因子大、强度调制小、对光学系统内光学元器件的损伤风险比较小等优点[9]。在优化理论算法整形方面,根据计算形式和使用的理论方法有几何理论、标量理论和矢量理论三类。常用优化算法基础是标量理论,其中包括G-S算法、Y-G算法、输入-输出算法等。PANG等[10]提出了一种采用具有特殊球形初始相位的Gerchberg-Saxton(GS)算法计算纯相位全息图的新方法,实现了降噪平顶光束整形。LIU等[11]提出了一种基于矢量衍射的光束整形方法,利用麦克斯韦方程组的时间反转对称性,对瑞利矢量衍射积分进行了修正。然而与标量衍射方法相比,约束了光场各分量的设计。在实验光学元件整形方面,光阑拦截是最初取得平顶光束的一种整形措施[12]。张浩等[13]利用设计的开普勒型非球面整形镜实现了大口径激光的均匀光束。翟中生等[14]提出了一种基于组合光栅的任意形状光束整形方法,利用外光栅阻挡非0级光束,内光栅改善几何掩模能量分布获得均匀性较好的平顶光束。刘文静等[15]采用一种可有效抑制散斑噪声的衍射元件设计方法,通过选择一种特殊的初始相位,在不降低衍射效率的同时生成了环形平顶光束。

上述研究方法虽然可以实现一定程度的光束整形,但是部分平顶光在加工应用中局限性很大,整形效果不够理想,适用的光束范围特殊。因此本文提出一种基于平凸柱面镜的光束整形方法改善激光光束的能量密度分布。使用光学仿真软件,分别对平凸柱面镜的不同焦距尺寸进行成像模拟,确定整形实验元件的具体参数。并利用其设计和搭建光束整形实验系统,对平凸柱面镜的整形效果进行测试和验证。

1 实验仿真

1.1 平凸柱面镜的模拟设计

光学软件在序列模式下设置波长1 064 nm,镜头材料BK7,光源标准面的曲率半径为无限,厚度为无限,成像平面曲率半径为无限,平凸柱面镜中平面的曲率半径为无限、半直径12.5 mm,柱面的曲率半径51.680 mm、半直径12.5 mm,改变其焦距即改变平面和柱面厚度的代数和。在90～10 mm的焦距大区间中,选取90、96、104和110 mm四个值进行模拟仿真,得到了如图1分别对应f=90、96 mm的两个光路三维布局图和光线追迹后图2分别对应f=104、110 mm的两个光束成像标准点列图。可以看出,前两个焦距中心部分光束聚焦在接收屏以前且焦距越大焦点越接近接收屏,而104 mm和110 mm的点列图中心部分光束较为发散,表现出滞后聚焦在接收屏之后且焦距越大越发散,由此将焦距控制在96～104 mm后继续模拟。

图1 光路三维布局图Figure 1 3D layout of optical path chart.

图2 光束成像标准点列图Figure 2 Beam imaging standard point chart.

其次,选取中间值100 mm焦距即平面和柱面厚度的代数和为100 mm,设置平面厚度3 mm,柱面厚度97 mm。模拟得到通过平凸柱面镜透射后的图3(a)三维布局成像和3(b)光束成像点列图,可以看出焦点刚好在接收屏上,不提前也不滞后。由此确定满足实验条件的合适焦距为100 mm。光学软件转换模式,在非序列模式下设置波长1 064 nm,镜头材料BK7,光源的陈列光线条数20条,分析光线条数105条,能量1 W,X半宽5 mm,Y半宽10 mm。柱面透镜Z位置10 mm,径向高度10 mm,X半宽5 mm,厚度10 mm,直径1为0,直径2为-25 mm,矩形探测器Z位置60 mm,X半宽5 mm,Y半宽10 mm,像元数100×100,X/Y最小角为-90°,X/Y最大角为90°。分析模拟得出如图4所示的三维光束透射平凸柱面镜光路成像图,包括NSC(非序列模式)实体模型和NSC三维布局成像图。

图3 焦距100 mm:(a)三维布局成像图;(b)光束成像点列图Figure 3 Focal length 100 mm:(a) 3D layout imaging image;(b) Beam imaging point chart.

图4 光束光路图:(a)NSC实体模型;(b)NSC三维布局成像图Figure 4 Beam path chart:(a) NSC physical model;(b) NSC 3D layout imaging chart.

1.2 LIBS光束整形系统确立

结合光学模拟结果和实验操作平台的各影响因素,拟采用f=100 mm,r=12.5 mm的平凸柱面镜作为实验光学整形元件。光学软件在序列模式下模拟的表面矢高图如图5所示,宽度为25 mm,单面相对于光轴的偏心x=0 mm,y=0 mm。

图5 表面矢高图Figure 5 Surface vector height chart.

光学系统一般分为共轴式光学系统和非共轴式光学系统两种[16],本实验采用的非共轴式光学系统原理图如图6所示,为保证系统工作时处于稳定状态,首先需要进行预热。整个实验采集过程在空气环境下完成,采用输出波长为1 064 nm、脉宽为6.4 ns和M2为1.5左右的Nd:YAG激光器(DAWA系列)作为激发光源。激光器发出带有一定能量的高斯激光脉冲通过焦距为100 mm,半径为12.5 mm的圆形平凸柱面镜,经整形后的光束聚焦在样品表面,光纤对烧蚀激发产生的等离子体进行采集耦合,得到的光信号经过光谱仪放大转换成电信号传输至PC端后进行数据处理和光谱分析。其中延迟时间设置为1.9 μs,光谱的检测波长199～517 nm,并根据实验得出最佳的透镜到样品的距离为103 mm。

图6 整形光学系统框图Figure 6 Block diagram of shaping optical system.

2 结果与分析

2.1 样品制备

采集土壤样品经过自然风干、去除杂质和过筛,形成细致的小颗粒土壤样品后,用电子天平称取10份等量样品,通过准确计算分别在样品中加入不等量的光谱纯试剂SrCl2,配制成Sr的浓度如表1所示分别为:0.01%、0.02%、0.05%、0.08%、0.15%、0.3%、0.5%、0.7%、0.9%、1.1%。经过1 h的研磨后,添加蔗糖溶液再次进行研磨,研磨好的土壤粉末经769YP-15A型压片机在15 MPa压力下压片10 min,制成直径为15 mm、厚度为5 mm的圆片状样品,放入80 ℃的烘干箱,烘干备用。

表1 土壤样品制备表Table 1 The preparation table of soil samples

2.2 光斑能量变化

光斑能量分布能够反映激光光束的均匀性程度。如图7所示,激光光源最初是一个高斯分布的圆形激光光束,中间能量高边缘能量弱。经过平凸柱面镜的整形后激光光束变成了较为狭长的且能量相对均匀的线性激光光束。其实际光束光斑如图8所示。

图7 光斑能量图Figure 7 Spot energy map.

图8 实际光斑图Figure 8 Actual spot image.

2.3 焦斑光强均方差系数

焦斑光强均方差系数能够反映出一组数据的离散程度,间接表明光强的平均性,其表达式[17]为:

式中,I为实际输出光强,为输出光强的平均值,N为实验次数,fRMS为光强均方差系数,值越小则均匀性越好。将实验所得的谱线强度带入式(1),计算绘制如表2所示。光束整形后样品光谱强度的焦斑光强均方差系数均降低了,且平均降低率达到了41.91%,故可知通过平凸柱面镜整形后焦斑光强在均匀性方面有所改善。

表2 激光整形前后焦斑光强均方差系数Table 2 Mean square error coefficients of focal spot intensity before and after laser shaping

2.4 焦斑光强峰谷比

焦斑光强峰谷比系数能够反映光强的波动程度,如果波动越大则值越大,波动越小值越小,其表达式[17]:

(2)

式中,Imax为输出光强的最大值,Imin为输出光强的最小值,V为输出光强峰谷值比系数,值越小则光强均匀性越好。将实验所得的谱线强度带入式(2),计算绘制如表3所示。光束整形后样品光谱强度的焦斑光强峰谷比系数明显下降,且平均降低率达到41.27%。由此说明平凸柱面镜整形后光强能量均匀性提高,可以有效改善后期金属微量元素的检测灵敏性。

表3 激光整形前后焦斑光强峰谷比系数Table 3 Peak to valley ratio coefficient of focal spot intensity before and after laser shaping

2.5 能量均匀度

对于光束整形系统,输出的光束在空间中的照度分布需要进行均匀性评价。引入能量均匀度的概念,它是一种标准的均匀性评价方法[18]。计算公式[19]如下:

(3)

式中,n是检测点个数,Ei是(i≥2)检测点数值,是所有检测点的平均值。能量均匀度反映了截面内的整体光强偏离平均光强的程度,其值越大,表明能量分布越均匀。将实验所得的谱线强度带入式(3),计算绘制如表4所示能量均匀度变化表。使用平凸柱面镜后,光学系统成像的能量均匀度呈上涨的趋势,且平均上升率达到了17.23%。能量均匀度数值越大,平面内整体光强接近平均光强的程度越高,由此可知,平凸柱面镜对激光光束整形的有效性。

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

2.6 拟合决定系数

根据NIST数据库,选取Sr Ⅰ 421.5 nm为特征谱线(图9),对待检测土壤样品进行每组40次重复实验测量分析。随着土壤样品中Sr浓度含量的逐渐增多,激光击穿诱导迸发出的等离子体也在增加,对应的光谱强度也逐渐增强。由图10可知高斯光束下Sr的光谱强度平均值曲线拟合决定系数为0.860,线性光束下Sr的光谱强度平均值曲线拟合决定系数为0.914。结果表明,通过使用平凸柱面镜进行激光光束整形后,光谱强度曲线的回归拟合度更好即高斯光束得到了有效的改善。

图9 锶元素的特征谱线Figure 9 Characteristic spectral lines of strontium element.

图10 整形前后样品光谱强度平均值Figure 10 Average spectral intensity of samples before and after shaping.

3 结论

本文以激光诱导击穿光谱技术为理论基础,通过光学仿真模拟光束成像,确定了平凸柱面镜的最佳实验焦距,然后基于最佳的平凸柱面镜进行高斯光束整形实验系统的搭建,并以土壤中的锶元素为例检测实验系统对光束整形的有效性。通过比较使用平凸柱面镜和聚焦透镜后光斑能量变化、焦斑光强均方差系数、焦斑光强峰谷比系数、能量均匀度以及锶元素整形前后的拟合决定系数,得出了平凸柱面镜可以有效改善激光中心强边缘弱的不均匀分布,使其转换成相对均匀能量分布的结论,证明了平凸柱面镜整形的有效性。