(19)国家知识产权局 (12)实用新型专利 (10)授权公告 号 (45)授权公告日 (21)申请 号 202221538051.6 (22)申请日 2022.06.20 (73)专利权人 西北师范大学 地址 730070 甘肃省兰州市安宁区安宁东 路967号 (72)发明人 孙对兄　蒋赟　林灿炯　李双豆　 钱恒礼　苏茂根　梁西银　董晨钟　 (74)专利代理 机构 兰州智和专利代理事务所 (普通合伙) 62201 专利代理师 周立新 (51)Int.Cl. G01N 21/01(2006.01) G01N 21/73(2006.01) (54)实用新型名称 用于激光诱导击穿光谱远程探测的自聚焦 装置 (57)摘要 本实用新型公开了一种用 于激光诱导击穿 光谱远程探测的自聚焦装置， 包括激光测距仪及 沿激光束传播方向依次设置的激光器、 扩束透镜 组、 第一激光反射镜、 二向色镜、 主镜和多副镜变 焦结构； 二向色镜背离主镜的一侧设有聚焦系 统， 聚焦系统与光谱仪相连； 主镜为中心有圆孔 的凹球面反射镜； 多副镜变焦结构 包括平行的导 轨和光栅尺； 导轨上安有第二激光反射镜、 两台 电机和多个可绕导轨轴线往复转动的旋转臂， 旋 转臂上有限位杆和旋转臂支杆， 旋转臂支杆上安 有副镜， 副镜均为凸球面透镜， 所有副镜的凸面 均朝向主镜， 所有副镜的曲率半径均不相同。 该 自聚焦装置变焦精度更高， 可运用于一些不方便 直接近距离接触的极端环境的待测物品的组成 成分的分析测量。 权利要求书1页 说明书6页 附图3页 CN 217505627 U 2022.09.27 CN 217505627 U 1.一种用于激光诱导击穿光谱远程探测的自聚焦装置， 其特征在于， 包括激光测距仪 （8） 以及沿激光束传播方向依次设置的激光器 （2） 、 扩束透镜组 （3） 、 第一激光反射镜 （4） 、 二 向色镜 （9） 、 主镜 （5） 和多副镜变焦结构 （6） ； 第一激光反射镜 （4） 和二向色镜 （9） 上下平行设 置， 第一激光反射镜 （4） 和二向色镜 （9） 与水平面之间的夹角均为45 °， 二向色镜 （9） 背离主 镜 （5） 的一侧设有聚焦系统 （10） ， 聚焦系统 （10） 与光谱仪 （11） 相连； 激光器 （2） 、 多副镜变焦 结构 （6） 、 激光测距仪 （8） 和光谱仪 （1 1） 均与计算机 （1） 相连； 主镜 （5） 采用中心有圆孔的凹球面反射镜， 主镜 （5） 的凹球面朝向多副镜变焦结构 （6） ； 多副镜变焦结构 （6） 包括平行设置 的导轨 （14） 和光栅尺 （15） ， 光栅尺 （15） 上安装有可 沿光栅尺 （15） 长度方向往复移动的光栅尺滑块 （18） ， 光栅尺滑块 （18） 通过第一连接支杆 （16） 与导轨 （14） 相连； 沿导轨 （14） 的轴线方向、 导轨 （14） 上依次安装有多个可绕导轨 （14） 轴线往复转动的旋转臂 （22） ， 旋转臂 （22） 采用电磁离合器， 旋转臂 （22） 上固接有限位杆 （17） 和旋转臂支杆 （21） ， 旋转臂支杆 （21） 上安装有副镜 （12） ， 副镜 （12） 均为凸球面透镜， 所 有副镜 （12） 的凸面均朝向主镜 （5） ， 且 所有副镜 （12） 的曲率半径均不相同； 导轨 （14） 两端分 别安装有第一电机 （19） 和第二电机 （23） ， 第一电机 （19） 和第二电机 （23） 上均安装有控制模 块， 所有的控制模块均与计算机 （1） 信号连接； 第一电机 （19） 和与第一电机 （19） 相邻的旋转 臂 （22） 之间的导轨 （14） 上固接有第二连接支杆 （20） ， 第二连接支杆 （20） 位于导轨 （14） 下 方， 第二连接支杆 （20） 下端安装有倾斜方向与第一激光反射镜 （4） 的倾斜方向相反 的第二 激光反射镜 （13） ， 第二激光反射镜 （13） 与水平面之间的夹角为 45°； 所有的旋转臂 （22） 均通过控制电路与计算机 （1） 相连接； 光栅尺 （15） 上安装有数量与 旋转臂 （2 2） 数量相同的限位 开关； 第一电机 （19） 采用直线电机； 扩束透镜组 （3） 包括并排设置的第一双凹透镜 （25） 和平凸透镜 （26） ， 平凸透镜 （26） 的 凸面背离第一双凹透 镜 （25） 设置； 第一双凹透 镜 （25） 与激光器 （2） 相邻； 聚焦系统 （10） 包括并排依次设置 的第二双凹透镜 （27） 、 第一双凸透镜 （28） 、 第二双凸 透镜 （29） 和负弯月透镜 （30） ， 负弯月透镜 （30） 的凹面朝向第二双凸透镜 （29） ； 负弯月透镜 （30） 与光谱仪 （1 1） 相邻。 2.如权利要求1所述的用于激光诱导击穿光谱远程探测的自聚焦装置， 其特征在于， 所 述电磁离合器的从动转子外壁上固接有限位杆 （17） 和旋转臂支杆 （21） ， 限位杆 （17） 和旋转 臂支杆 （21） 之间的夹角为90 °； 电磁离合器的主动转子套装在导轨 （14） 上。 3.如权利要求1所述的用于激光诱导击穿光谱远程探测的自聚焦装置， 其特征在于， 第 二电机 （23） 通过花键联接与导轨 （14） 相连接； 该花键联接中内花键的长度和外花键的长度 不同。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 217505627 U 2用于激光诱导击穿光谱 远程探测的自聚焦装 置 技术领域 [0001]本实用新型属于光谱测量技术领域， 涉及一种基于激光诱导击穿光谱的检测装 置， 具体涉及一种能够远程探测的激光 诱导击穿光谱自聚焦装置 。 背景技术 [0002]激光诱导击穿光谱法Laser  Induced Breakdown  Spectroscopy， （LIBS） 也被称为 激光诱导等离子体光谱学技术 （Laser ‑Induced Plasma Spectroscop y， LIPS） 或者激光火 花光谱技术 （Laser  Spark Spectroscopy， LSS） ， 是近年来发展起来的一种属于原 子发射光 谱的元素检测技术。 LIBS的原理是将高能量脉冲激光聚焦到待测物体表面烧蚀物体产生等 离子体， 在激光诱导等离子体冷却 膨胀的过程中， 通过聚焦系统和光谱仪系统可以获得待 测物品的特 征光谱， 进行 数据处理后， 可得到待测物体组成元 素的含量。 [0003]近些年来， 随着LIBS技术 的快速发展， 在医学治疗、 工业生产、 深海及宇宙空间探 索、 核环境及爆炸物的元 素检测等领域都取 得了重要的研究成果。 [0004]尽管LIBS已经发展得很成熟了， 但大部分LIBS都是近距离检测， 而现实中存在很 多无法直接进行近距离检测的场景。 例如， 在高温、 高辐射的危险环境、 悬崖峭壁、 太空深 海。 所以远程 LIBS的应用需求十分巨大。 [0005]LIBS最显著的特点在 于无需进行样品制备， 在实际应用的时候， 操作便捷； LIBS的 工作媒介是脉冲激光， 所以其测量对被测物品影响极小， 近于无损检测； 又 因为激光诱导等 离子体发出的光信号足够强， 这对远程 LIBS的可行性提供了可能。 [0006]实际使用中， 被测物面积较大， 跟检测装置的距离不固定， 常见的实验室定焦LIBS 无法满足这个需求。 并且， 常见的实验室LIBS是手动变焦， 变焦速度慢， 调试光路难度高， 对 设备使用人员要求高； 有 些LIBS的聚焦系统和聚光系统设计成了 分离结构， 体积相对较大， 对空间利用率低， 不 易于集成， 加大了设备使用人员的工作量。 [0007]目前大多数远程LIBS的远程聚焦光学结构使用的是卡塞格林结构， 在进行远程变 焦时， 只使用移动一块副镜变焦的方式， 它的变焦曲线在中末端较为平滑， 即镜片移动很短 的距离， 但聚焦的距离变化很大。 但是， 这提高了对位移系统的精度要求， 提高了使用成本， 它的实际变焦范围往 往会小于理论设计的变焦范围。 发明内容 [0008]本实用新型的目的是提供一种能够自动变焦的用于激光诱导击穿光谱远程探测 的自聚焦装置 。 [0009]为实现上述目的， 本实用新型所采用的技术方案是： 一种用于激光诱导击穿光谱 远程探测的自聚焦装置， 包括激光测距仪以及沿激光束传播方向依 次设置的激光器、 扩束 透镜组、 第一激光反射镜、 二向色镜、 主镜和多副镜变焦结构； 第一激光反射镜和二向色镜 上下平行设置， 第一激光反射镜和二向色镜与水平面之间的夹角均为45 °， 二向色镜背离主 镜的一侧设有聚焦系统， 聚焦系统与光谱仪相连； 激光器、 多副镜变焦结构、 激光测距仪和说　明　书 1/6 页 3 CN 217505627 U 3