(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210300412.1 (22)申请日 2022.03.24 (71)申请人 中国人民解 放军军事科学院军事医 学研究院 地址 100850 北京市海淀区太平路27号 (72)发明人 杨文慧　郭连波　周冬生　胡桢麟　 张登　胡凌飞　吕蒙　汪威良　 李胜林　 (74)专利代理 机构 北京理工大 学专利中心 11120 专利代理师 仇蕾安 (51)Int.Cl. G01N 21/71(2006.01) G01N 21/01(2006.01) (54)发明名称 一种激光诱导击穿光谱气溶胶元素成分实 时监测装置及方法 (57)摘要 本发明属于环 境污染监测技术领域， 涉及一 种激光诱导击穿光谱气溶胶元素成分实时监测 装置及方法。 所述装置包括气溶胶进样模块、 激 光激发模块、 高效光谱收集模块、 三通道光纤光 谱仪和计算机； 所述气溶胶 进样模块用于对大气 环境中的气溶胶进行实时采集， 并输送至检测腔 室； 所述激光激发模块用于发射高能量脉冲激光 束， 对检测腔室内的气溶胶 进行聚焦烧蚀并产生 等离子体； 所述高效光谱收集模块用于将等离子 体的紫外、 可见光和近红外辐射进行分离， 并分 别通过光纤耦合进三通道光纤光谱仪； 所述三通 道光纤光谱仪用于分别对等离子体不同波段的 光辐射进行分光， 并将不同波长的光信号转化为 电信号； 计算机用于将电信号解析为光谱， 并进 行存储和分析。 利用本发明的激光诱导击穿光谱 气溶胶元素成分实时监测装置， 能够更快速、 灵 敏地实时监测气溶胶的元 素成分。 权利要求书3页 说明书6页 附图1页 CN 114778523 A 2022.07.22 CN 114778523 A 1.一种激光 诱导击穿光谱气溶胶元 素成分实时监测装置， 其特 征在于： 该实时监测装置包括气溶胶进样模块(4)、 激光激发模块(1)、 高效光谱收集模块(13)、 三通道光纤光谱仪(18)和计算机(3)； 所述气溶胶进样模块(4)用于对大气环境中的气溶胶进行实时采集并形成气溶胶柱； 所述激光激发模块(1)用于发射高能量脉冲激光束， 对气溶胶进样模块(4)中形成的气 溶胶柱进行聚焦烧蚀并产生 等离子体； 所述高效光谱收集模块(13)用于将等离子体的紫外、 可见光和近红外辐射进行分离， 再分别通过光纤耦合进三 通道光纤光谱仪(18)； 所述三通道光纤光谱仪(18)为包含覆盖紫外、 可见光和近红外波段三个通道的光纤光 谱仪， 用于分别对等离子体不同波段的光辐 射进行分光， 并将不同波长的光信号转化为电 信号； 计算机(3)与三通道光纤光谱仪(18)连接， 用于调整三通道光纤光谱仪(18)的采集参 数， 控制三 通道光纤光谱仪(18)启停， 将传输来的电信号 解析为光谱并进行存 储和分析。 2.根据权利要求1所述的一种激光诱导击穿光谱气溶胶元素成分实时监测装置， 其特 征在于： 所述气溶胶进样模块(4)包括气溶胶收集器(8)、 检测腔室(5)和抽气泵(7)， 通过抽气 泵(7)将大气环境中的气溶胶收集经过气溶胶收集器(8)后在检测腔室(5)内形成气溶胶 柱。 3.根据权利要求2所述的一种激光诱导击穿光谱气溶胶元素成分实时监测装置， 其特 征在于： 气溶胶收集器(8)与检测腔 室(5)之间通过管路连接， 检测腔室(5)与抽气泵(7)之间通 过管路连接 。 4.根据权利要求2或3所述的一种激光诱导击穿光谱气溶胶元素成分实时监测装置， 其 特征在于： 所述激光激发模块(1)包括脉冲激光器(2)和激光聚焦透镜(6)， 激光聚焦透镜(6)镶嵌 于检测腔室(5)的侧壁上， 激光聚焦透镜(6)的中心与脉冲激光器(2)所产生的激光束中心 轴重合， 激光聚焦透镜(6)的镜面与激光束传输方向夹角为90 °， 用于将激光束会聚于检测 腔室(5)内的气溶胶柱上， 对气溶胶柱进行烧蚀并形成等离 子体。 5.根据权利要求4所述的一种激光诱导击穿光谱气溶胶元素成分实时监测装置， 其特 征在于： 脉冲激光器(2)与 三通道光纤光谱仪(18)相电连接， 脉冲激光器(2)在发生激光束的同 时向三通道光纤光谱仪(18)发送高电平信号， 用于触发三 通道光纤光谱仪(18)开始采集。 6.根据权利要求4所述的一种激光诱导击穿光谱气溶胶元素成分实时监测装置， 其特 征在于： 所述高效光谱收集模块(13)包括准直透镜(9)、 第一二向色镜(10)、 第二二向色镜 (14)、 第一消色差透镜(11)、 第二消色差透镜(15)、 第三消色差透镜(17)、 第一光纤耦合器 (12)、 第二 光纤耦合器(16)、 第三 光纤耦合器(19)； 准直透镜(9)镶嵌于检测腔 室(5)的侧壁上， 准直透镜(9)与激光聚焦镜(6)位于气溶胶 柱的两侧， 准直透镜(9)的中心与脉冲激光器(2)所产生的激光束中心轴重合， 准直透镜(9)权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 114778523 A 2的镜面与激光束传输方向夹角为90 °， 准直透镜(9)的焦点与等离子体中心重合， 用于将等 离子体的紫外、 可见光和近红外辐射准直为平行光束； 第一二向色镜(10)位于准直透镜(9) 所准直的等离子体平行光束的传输方向上， 第一二向色镜(10)的镜面与 平行光束传输方向 夹角为45 °， 用于使紫外辐射光束的前进方向发生90 °的偏转， 可见光和 近红外辐射光束可 直接透过第一二 向色镜(10)； 第一消色差透镜(11)位于紫外辐射光束的反射光路上， 第一 消色差透镜(11)的中心轴 与紫外辐射光束的中心轴重合， 用于将紫外辐射光束会聚于第一 光纤耦合器(12)上， 并通过光纤将紫外辐射传输于三通道 光纤光谱仪(18)的紫外波 段通道 中； 第二二向色镜(14)位于透过第一二向色镜(10)的可见光和近红外辐射光束的传输方向 上， 镜面与光束传输方向夹角为45 °， 用于使可见光辐射光束的前进 方向发生90 °的偏转， 近 红外辐射光束 可直接透过第二二向色镜(14)； 第二消色差透镜(15)位于可见光辐射光束的 反射光路上， 其中心轴与可见光辐 射光束的中心轴重合， 用于将可见光辐 射光束会聚于第 二光纤耦合器(16)上， 并通过光纤将紫外辐射传输于三通道 光纤光谱仪(18)的可见光波段 通道中； 第三消色差透镜(17)位于透过第二二向色镜(14)的近红外辐射光束的传输光路 上， 其中心轴与近红外辐 射光束的中心轴重合， 用于将近红外辐 射光束会聚于第三光纤耦 合器(19)上， 并通过光纤将近红外辐射传输于三通道光纤光谱仪(18)的近红外波段通道 中。 7.根据权利要求6所述的一种激光诱导击穿光谱气溶胶元素成分实时监测装置， 其特 征在于： 准直透镜(9)为平凸透镜， 直径为25.4mm， 焦距为75cm； 第一二向色镜(10)的直径为 50.8mm， 反射波段为250 ‑350nm， 透过波段为350 ‑900nm； 第二二向色镜(14)的直径为 50.8mm， 反射波段为350 ‑700nm， 透过波段为700 ‑900nm； 第一消色差透镜为双胶合消色差透 镜， 直径为25.4mm， 消色差波 段为250‑350nm； 第二消色差透镜为双胶合消色差透镜， 直径为 25.4mm， 消色差波段为350 ‑700nm； 第三消色差透镜为双胶合消色差透镜， 直径为25.4mm， 消 色差波段为70 0‑900nm。 8.根据权利要求6所述的一种激光诱导击穿光谱气溶胶元素成分实时监测装置， 其特 征在于： 脉冲激光器(2)产生的激光束波长为532nm， 出光频率为10Hz， 单个脉冲激光束能量为 200mJ， 光斑直径为8m m； 激光聚焦透 镜(6)为镀有5 32nm激光增透膜的平凸透 镜， 直径为25.4m m， 焦距为75 cm。 9.根据权利要求8所述的一种激光诱导击穿光谱气溶胶元素成分实时监测装置， 其特 征在于： 三通道光纤光谱仪(18)包含覆盖紫外、 可见光和近红外波段的三个通道， 紫外通道采 集波段覆盖250 ‑350nm， 可见光通道采集波段覆盖350 ‑750nm， 近红外通道采集波段覆盖 750‑900nm， 每个通道内均采用M型C zerny‑Turner分光 光路和4096像素的C MOS线阵。 10.一种使用权利要求2 ‑9任一所述的装置进行激光诱导击穿光谱气溶胶元素成分实 时监测方法， 其特 征在于： 首先， 启动气溶胶进样模块(4)， 实时从大气环境中采集气溶胶， 在检测腔室(5)内形成 气溶胶柱； 然后通过计算机(3)设置三通道 光纤光谱仪(18)采集参数， 包括采集延时时间和 积分时间； 紧接着打开脉冲激光器(2)， 脉冲激光器产生激光束经过激光聚焦透镜(6)会聚权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 114778523 A 3