高光谱分辨率空间外差激光诱导击穿光谱技术研究

发布时间：2020-04-03 10:19

【摘要】：激光诱导击穿光谱技术(Laser-Induced Breakdown Spectroscopy,LIBS)在实际应用中,受限于探测系统数值孔径和光谱仪分辨率,检测信号弱、谱线重叠的问题普遍存在。采用合理的方法对重叠光谱进行分离,提升LIBS技术的探测灵敏度,有助于提高对待测物体定性、定量分析的准确性。目前,市场上大部分光谱仪器采用限制狭缝宽度的方法来保证光谱探测分辨本领,但这也降低了仪器所能获得的光通量,造成了探测信号的灵敏度的下降。这一现状严重影响了LIBS光谱信号的信噪比及光谱分析的准确性。空间外差光谱技术是基于Fizeau干涉条纹的傅里叶变换光谱技术,系统的分辨率不受狭缝尺寸的制约,能够同时获得高的光通量以及高的光谱分辨。同时,它还同时具备任意波段选择、无运动部件、结构紧凑、易于集成、体积小、功耗低等优势。空间外差光谱仪作为一种高通量、高分辨的干涉光谱技术具备解决LIBS技术在实际探测过程中谱线大量谱线重叠干扰的问题,并提高光谱信号的探测灵敏度。本文以高分辨、高通量、集成化的空间外差光谱探测技术为研究目标,内容包括:1.以LIBS高分辨、高通量的检测需求为出发点,引入空间外差光谱技术,对空间外差光谱技术在国内外的微型化发展趋势及应用领域进行了归纳总结。2.对激光诱导击穿光谱、空间外差光谱的理论机制进行了详细的阐述论证,简要描述了两种用于空间外差光谱数据处理的方法。3.开展基于空间外差光谱仪的高通量、高分辨LIBS检测技术的相关研究工作,突破了传统光谱仪器无法同时获得高通量、高光谱分辨的限制,建立了基于空间外差光谱技术的高分辨LIBS探测系统及相应的系统标定及数据处理方法。文中以矢量矩阵理论为基础,研究分析了空间外差光谱系统中的误差敏感方向,为实际的仪器调试提供了理论指导。4.针对小型化、便捷化探测目标,研制了基于无线图像传输技术的微型空间外差光谱系统,可以在手机端实时的监测光谱数据的变化。无需电脑的接入以及交流电源的供电大幅提升了微型空间外差光谱系统的使用便捷性。
【图文】：

第１章绪邋论逡逑系中气体温度变化的过程（图１．２）。除了传统的基于迈克尔逊干涉结构的空间外逡逑差光谱仪，全反式结构［２５］［２６］的空间外差光谱系统由于其结构更为简单，任意波逡逑段可调，没有分束棱镜的限制，与传统的结构相比较更适合于应用在紫外波段的逡逑深空光谱探测。１９９１年，加州大学伯克利分校［２７１的地球空间大气实验室将全反逡逑式空间外差光谱结构应用于ＥＵＶ？和ＦＵＶ？波段并对Ｈ－ａ邋１２１．６邋ｎｍ的谱线进行检逡逑测。２００９年，ＤａｗＳ0ｎ［２８］等设计了波长可调型全反式空间外差光谱系统，其波长逡逑覆盖范围为３６５－６３０邋ｎｍ，光谱分辨本领为１００００，并通过该系统对金星和木星进逡逑行了观测。２０１０年，Ｈｏｓｓｅｉｎｉ［２９］等利用该系统对太阳系中高速运动的小型天体逡逑进行探测。图１．３为传统的空间外差光谱与全反式空间外差光谱原理的比较。逡逑Ｓｏｕｒｃｅ逡逑Ｂａｎｄｐａｓｓ邋Ｆｉｌｔｅｒ逡逑（丨：：：：＂二．二－—ａ逦Ｇｒｉｐｅｒ逡逑Ｓｐａｃｅｒ邋ｌ＾ｄＧｒ８ｔｉ？ｌＳ＾逡逑Ｌｅｎｓ邋ａｎｄ邋ｃａｍｅｒａ逦ｊ逡逑＇＼Ｔ邋＇＂＂＂邋７＂＂＂＂ｒｏｕｔｅ邋ａｉｏｎｇ逡逑＼邋！逡逑Ｎｏ＾－ｐｃｌａｒｔｒｗｇ邋ＢＳ逦＾逡逑ＦｉｃＷ邋ＶＶｉｄｃｉＫ＇ｇ邋Ｐｒ．ｓ（ｎ逡逑＿＿＿＿＿邋一——ｒ－邋ｆｉ！、ｄ邋Ｓｐａｃｅｒｓ逡逑Ｇｒａｔｉｎｇ邋２逡逑１１１邋＝逦＼逦＇邋ｙ邋７／逦？？邋＇■邋＋１逡逑ｉｘｘｘｘｙｘｘｘｘｘｉ逡逑图１．３传统的空间外差光谱与全反式空间外差光谱原理逡逑近年来，集成一体化的空间外差光学系统［２４］［３Ｑｎ３１］［３２］的研制提升了整个系逡逑统的空间利用度和系统稳定性。另外

通过各组间光程差的不同及离散傅里叶变换技术实现超高的光谱分辨。逡逑２０１７年，Ｂａｍｅｔｔ［４Ｑ］等将空间外差光谱系统与ＬＧ公司的手机摄像头Ｇ４结合在逡逑一起，向微小型手机空间外差光谱技术发展。图１．４为近年来集成化微型空间外逡逑差光谱技术的主要研究成果。逡逑由于空间外差光谱系统高通量、高分辨、结构紧凑简单、无运动部件的优势，逡逑它也逐渐应用到其它领域。１９９９年，Ｌｏｓ邋Ａｌａｍｏｓ国家实验室搭建ＩＲ１ＳＨＳ［４１Ｈ４２］［４３］逡逑系统，将空间外差光谱技术与成像光谱技术相结合，用于地质环境以及火山喷发逡逑的监测。２０１１年，由于空间外差光谱系统适用于微弱信号探测的特点，Ｇｏｍｅｒｔ４４］ｔ４５］［４６］逡逑等首先将空间外差光谱技术与拉曼光谱技术（图１．５）有效的结合，，并分别研制逡逑了用于可见光波段以及紫外波段探测拉曼光谱系统；同年，ＴｏｄｄＮａｔｈａｎｉｄ［４７Ｗ＋逡逑对航空探测领域，也展开了空间外差拉曼光谱系统的研究。从２０１５年开始，南逡逑５逡逑
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH744.1

【参考文献】

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本文编号：2613245