激光誘導(dǎo)擊穿光譜的基本原理

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激光弧光光譜（LASS）、激光誘導(dǎo)等離子光譜（LIPS）或者更常見的叫法激光誘導(dǎo)擊穿光譜（LIBS）是一種原子發(fā)射光譜，它使用脈沖激光器作為激發(fā)源。它的基本原理請參見下面的示意圖。脈沖激光器 ( 比如調(diào)Q的Nd:YAG激光器 ) 的輸出激光脈沖被聚焦到被測物體的表面。僅使用小型激光器和簡單的聚焦透鏡，就可以在激光脈沖的持續(xù)時間內(nèi)（典型值是10ns）使被測材料表面的激光功率密度超過1GW/cm2。

在如此之高的激光功率密度作用下，被測材料表面就會有幾微克的物質(zhì)被噴射出來，這個過程通常被稱為激光剝離，同時材料表面還會產(chǎn)生壽命很短但亮度很高的等離子體，其瞬間溫度可達(dá)10,000℃。在這個熱等離子體中，噴射出來的物質(zhì)離解成激發(fā)態(tài)的原子和離子。在激光脈沖結(jié)束后，由于等離子體以超音速向向外擴(kuò)展所以迅速地冷卻下來。在這段時間內(nèi)，處于激發(fā)態(tài)的原子和離子從高能態(tài)躍遷到低能態(tài)，并發(fā)射出具有特定波長的光輻射。用高靈敏度的光譜儀對這些光輻射進(jìn)行探測和光譜分析分析，就可以得到被測材料的元素構(gòu)成信息。

在測量時要使用帶門控的探測器來記錄激光脈沖延遲一段時間后所產(chǎn)生的激光等離子體的光輻射，這是由于只有在等離子體已經(jīng)膨脹并開始冷卻時才會出現(xiàn)原子或者離子的特征輻射譜線。從下面的光譜圖中展示了在不同的探測器采樣時間延遲下得到的锝的特征輻射譜線，從中可以看出在快門延遲10微秒時得到的譜線強(qiáng)度大。?LIBS的測量性和精度分別優(yōu)于10％和5％。

對任何材料的真正無損檢測

由于測量過程中只消耗極微小的一部分物質(zhì)，LIBS可以說是真正的非破壞測量。由于入射到樣品上的平均功率還不到1W，激光對樣品的加熱也基本可以忽略不計(jì)。理論上講，LIBS可以實(shí)現(xiàn)對任何物質(zhì)的元素分析，不論它是什么物理狀態(tài)。固體、液體、氣體甚至混合狀態(tài)的，都可以分析。已經(jīng)成功的分析過的樣品包括了軟泥、泥漿、礦石、廢料、污水等等。

遠(yuǎn)程分析能力

由于LIBS技術(shù)實(shí)質(zhì)上是一個全光學(xué)的技術(shù)，只需用光接觸被測樣品即可完成分析。所以LIBS技術(shù)可以用來進(jìn)行遠(yuǎn)程分析。通常可以使用一個望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)在10米遠(yuǎn)處進(jìn)行分析，或者使用光纖探頭在100米外進(jìn)行分析。這個特點(diǎn)使得LIBS技術(shù)特別適合對危險(xiǎn)或高溫材料進(jìn)行分析，或在非常惡劣的環(huán)境中使用。

無需樣品預(yù)處理

LIBS技術(shù)可以直接對材料進(jìn)行分析，而不需要對材料做任何預(yù)處理。但如果樣品表面涂覆有其他物質(zhì)（比如氧化的或者涂層的鋼材）時，則要用激光先把樣品表面的涂層清理干凈，把下面的被測材料暴露出來，才能對樣品做分析。激光清除過程的效率取決于所要清除的材料種類以及所激光能量。通常對于幾百微米厚的氧化物、油污或者涂層，使用一個小巧的低功率激光器就可以很快清除干凈。此外，激光等離子體產(chǎn)生的超聲震波對去除半流體或者粘滯性污物有非常好的效果。例如，利用 LIBS技術(shù)可以分析表面裹有幾厘米厚的氫氧化鎂礦泥的金屬。

定量分析微量元素
對LIBS系統(tǒng)進(jìn)行定標(biāo)后就可以對基體材料中的微量元素進(jìn)行定量分析，比如分析鋼材中的鉻、鋁合金中的鎂、玻璃中的鐵、硫酸銅中的銅等。定標(biāo)時要使用經(jīng)過鑒定的樣品材料，這個樣品材料與被測材料具有相同的基體，但含有不同含量的被分析元素。在分析時通常采用所謂的“內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)化”的過程，即把被分析元素的譜線強(qiáng)度和基體材料的譜線強(qiáng)度進(jìn)行比較，這樣就可以減少由于激光的脈沖 - 脈沖能量不一致性所導(dǎo)致的等離子體條件變化對測量結(jié)果的影響。要想得到好的分析結(jié)果就要對LIBS的硬件進(jìn)行仔細(xì)的設(shè)計(jì)并采用合適的測量方法。LIBS系統(tǒng)測量的靈敏度與許多因素有關(guān)：被分析物和基體材料的結(jié)合方式， LIBS系統(tǒng)和被測樣品的距離，以及是否需要遙測等。LIBS系統(tǒng)測量結(jié)果的正確性可優(yōu)于10% ，精度可優(yōu)于5%。不同元素的典型檢測限請參閱下面的元素周期表。

LIBS的測量性和精度分別優(yōu)于10％和5％。

測量速度快、非接觸測量

在許多情況下，只用一個激光脈沖就可以進(jìn)行樣品分析，所以LIBS系統(tǒng)能夠非常快速地對樣品進(jìn)行快速分析。再加上可以非接觸測量的特點(diǎn)，使得LIBS系統(tǒng)在廢金屬、合金和塑料回收工業(yè)中就顯得非常重要，此時的被測樣品在傳送帶上飛速移動，需要系統(tǒng)的測量速度要非常快，再沒有其他技術(shù)比LIBS技術(shù)更適合在這個領(lǐng)域應(yīng)用了。

分層結(jié)構(gòu)和表面涂層的深度輪廓分析
由于激光可以以一種可控的方式來清除表面涂層，因此分層結(jié)構(gòu)的深度輪廓分析可以用LIBS技術(shù)來進(jìn)行。在激光不斷“鉆入”到被測材料中的同時用光譜儀對其產(chǎn)生的光輻射進(jìn)行光譜測量，就可以得到被測材料的構(gòu)成成分元素隨深度變化的函數(shù)。通常這一技術(shù)只能用于那些在典型LIBS系統(tǒng)中激光器的參數(shù)下比較容易去除的材料。比如在鋼材上鋅鍍的過程控制中的成分分析，探測油漆中的重金屬（鉛、鈾、钚等），檢測混凝土的成分污染等。

激光誘導(dǎo)擊穿光譜應(yīng)用
● 材料的遠(yuǎn)程無損分析，定性和識別
● 危險(xiǎn)材料 ( 高溫、放射性、化學(xué)毒性材料 ) 的遠(yuǎn)程探測和元素分析
● 存儲容器的放射性污染的現(xiàn)場檢測 ( 玻璃化的高等級廢料、中間級廢料 )
● 不易接近環(huán)境中鋼材的現(xiàn)場成分分析 ( 核反應(yīng)堆壓力容器等 )
● 廢料回收過程中快速鑒別金屬和合金
● 關(guān)鍵部件在制造和裝配過程中的金屬鑒定（ Positive Metal Identification ）
● 對液態(tài)金屬和合金進(jìn)行過程控制時的在線成分分析 ( 如鋼中的碳、硅、磷等含量的測定 )
● 對液態(tài)玻璃進(jìn)行過程控制時的在線成分分析 ( 如鐵、鉛等含量的測定 )
● 對淹沒在水中的材料進(jìn)行現(xiàn)場識別 ( 如金屬、合金、陶瓷、礦物質(zhì)、放射性材料等 )
● 對物體表面涂層的深度輪廓分析和成分分析 ( 如電鍍鋼、塑料膜層、油漆中的重金屬等 )
● 空氣中微粒的在線監(jiān)測 ( 如煙囪排放監(jiān)測 )
● 復(fù)雜形狀物體的成分分析

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