激光诱导击穿光谱技术研究的新进展
激光诱导击穿光谱技术研究的新进展
刘 佳,高 勋,段花花,林景全
(长春理工大学理学院,长春 130022)
提要:激光诱导击穿光谱技术(LIBS )是一种基于原子发射光谱学的物质组分分析技术。随着激光技术和光学检测技术的发展,激光诱导
击穿光谱技术已经成为光谱学领域的研究热点。尤其是近几年,LIBS 技术发展迅速,涌现出多种LIBS 的激发和探测新技术。在光谱激发方面,出现了如飞秒激光及飞秒激光大气中长距离成丝诱导击穿光谱技术,双脉冲激光诱导击穿光谱技术等。在光谱探测方面,出现了时间分辨激光诱导击穿光谱技术,偏振分辨激光诱导击穿光谱技术等。本文将对这几种LIBS 中所出现的新技术进行介绍并给出LIBS 技术的发展趋势。
关键词:原子发射光谱;激光诱导击穿光谱;时间分辨;偏振分辨;
中图分类号:TN248.1 文献标识码:A 文章编号:0253-2743(2012)01-0007-04
Latest development of laser induced breakdown spectroscopy
LIU Jia,GAO Xun,D UAN Hua-hua,LIN Ji ng-quan
(School of Science,Changchun Universi ty of Science and Technol ogy,Changchun 130022,Chi na)
Abs tract:Laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS)is a technique based on atomic spectroscopy for the anal ysi s of the elementary c omposi ti on and concentration of materials.With the development of laser tec hnique and optical detection technique,LIBS has become a focus in the s pectrometric field.Particularl y in recent years,LIBS technique develops very quickly.There e merge many new excitation and detection techniques of LIBS.At the as pect of plas ma excitati on;there are femtosecond-LIBS ,filamentation LIBS,and dual pulse LIBS.At the aspec t of s pectral detection;there are ti me-resolved LIBS and polarization-resolved LIBS.This paper gives a revie w of these new LIBS techniques.
K ey words :atomic emi ssion spectroscopy;LIBS;time-resolved LIBS;PRLIBS
收稿日期:2011-12-16
基金项目:国家自然科学基金(60978014),吉林省科技厅基金(20100168,20090523,20100521),长春市科技局国际合作项目(09GH01),长春理工大学大学生创新性实验计划项目(2010A0103)作者简介:刘 佳
通讯作者:林景全(1966-)
激光诱导击穿光谱技术(LIBS)是一种基于原子发射光谱和激光等离子体发射光谱的元素分析技术。利用高能量密度的脉冲激光诱导击穿材料表面,使材料表面的微量样品发生电离,产生激光诱导等离子体,在等离子体发射光谱中包含携带着丰富的样品元素信息的线状光谱和背景信息的连续光谱,根据反映元素信息的线状光谱便可对样品中所含元素进行定性和定量分析。LIBS 探测物质成分仅需激光到样品表面的光学过程,不像化学检测技术所需要的复杂的化学反应过程。该技术相对于其他光学检测方法如激光光谱技术(激光拉曼光谱技术、激光吸收光谱技术等)而言实验方法简单,并且可实现多元素实时在线分析。
早在1962年,Brech 和Cross 112在第十届国际光谱学论文集中首次提出用激光作为原子发射光谱的激发源,将元素的原子发射光谱应用于测定固体、气体和液体基质中元素组份,这就是LIBS 技术的前身。经过40多年的发展,LIBS 技术日趋成熟,已经广泛渗透到越来越多的研究和应用领域,在环境污染检测12-62、生物医学17-92、材料成分在线检测110,112、土壤成分检测1122、空间探索113,142、军事爆炸物探测115,162和文物鉴定117,182等诸多领域已经有了广泛的应用。近几年,随着激光技术和光谱探测技术等相关领域的发展,LIBS 技术也得到了长足的发展,本文对LIB S 技术的研究现状和进展进行了分析并给出发展趋势。
1 LIBS 技术研究进展
LIBS 技术作为一种有力的物质成分检测方法,虽然相比于电感耦合等离子体发射光谱(1CP-MS)等光谱检测技术在精确度和灵敏度方面尚有不足,但是LIB S 技术凭借样品需求量少并且无需预处理:对固体、液体、气体、非导电材料
和生物样品等各种材料都适用119-212
;可同时探测多种元素;可不接触样品进行实时快速检测等优点已成为当前光谱检测技术的研究热点。为了将LIBS 技术进一步向实用化方向推进,提高LIBS 探测的可靠性、经济性和准确性,目前的研
究重点集中在对收集光谱信号的优化上,如增强光谱线信号强度、提高信噪比、降低基体效应、提高探测限等方面。随之出现了多种激光诱导击穿光谱的激发及探测新技术,其中具有代表性的有:飞秒激光诱导击穿光谱(fs-LIBS)、飞秒成丝激光诱导击穿光谱和双脉冲激光诱导击穿光谱等LIBS 激发新技术,以及时间分辨激光诱导击穿光谱、偏振分辨激光诱导击穿光谱(PRLIBS)等LIBS 光谱探测新技术。1.1 飞秒激光诱导击穿光谱
30多年前,飞秒激光的出现,以其超短的脉冲宽度和极高的峰值功率等特性为激光光谱学开辟了崭新的天地。由于飞秒激光脉冲的持续时间远小于电子与晶格耦合的时间(ps 量级1222),当飞秒激光与靶材相互作用时,靶材内的电子吸收激光能量,而加热后的电子来不及在如此短的时间内将热量传递给周围的晶格,电子温度瞬间升高,但晶格的温度并没有改变。也就是说,当飞秒激光与物质相互作用时,可在极短的时间注入足够的能量使靶材料产生激光等离子体,而且不存在激光与其诱导的等离子体相互作用的情况。而纳秒激光诱导击穿光谱(ns-LIB S)技术由于纳秒激光脉冲的持续时间远大于电子与晶格碰撞弛豫时间,不可避免的存在脉冲后沿与脉冲前沿产生的等离子体之间相互作用。出现等离子体屏蔽现象,使入射到靶材的激光能量降低,另外目前由于高能量的纳秒激光系统采用氙灯泵浦,脉冲能量不稳定,这些因素将导致ns-LIBS 的可重复性低。因而采用fs-LIB S 可以提高LIBS 的可重复性,并且提高信号强度和信噪比,所以近几年来国内外很多研究人员对fs-LIBS 进行了广泛研究。
Eland 等人1232分别利用脉宽为7ns 和140fs 的激光作用于玻璃和钢样品,纳秒激光与物质作用,要先将材料融化再汽化,之后被烧蚀的材料通过电子-离子碰撞过程再电离,形成等离子体,这样,脉冲激光后沿会通过逆韧致吸收重新烧蚀产生的等离子体。而采用飞秒激光作为激发源,材料通过多光子过程直接电离,无需融化直接转变为气态,这样直接电离产生的等离子体就避免了激光的再烧蚀过程,降低了连续谱的强度,提高了LIBS 光谱的信号背景比。Hwang 等人1242根据飞秒激光烧蚀与纳秒激光烧蚀作用机制不同,采用脉宽为100fs 、波长400nm 的激光作用到Cr 薄膜上,结果表明采用飞秒烧蚀缩短了等离子体的寿命,相比于纳秒烧蚀,
等离子体温度下降迅速。由于等离子体温度越高,电离程度越高,准连续区域越宽1252,因而采用飞秒激光缩短了连续谱的寿命,使得分立谱更容易分辨出来,提高了LIB S的谱线强度和信号背景比。Dikmelik等人1262分别采用150fs和7ns的激光探测放置在铝基质上的三硝基甲苯,对比二者在200nm 至785nm范围内的LIBS光谱,纳秒脉冲激光会使物质成分的化学键严重断裂,只能观察物质组成成分的原子或离子的LIBS光谱。而飞秒激光由于脉冲时间短,光强较高,作用在物质表面的热影响区域小,快速使物质发生电离,从而保持物质的分子结构,从ns-LIBS光谱中仅可以看出三硝基甲苯的元素组成,而在fs-LIBS光谱中出现了大量的分子谱线。这一现象展示了fs-LIBS在探测分子光谱方面的潜力。由于每种物质结构的分子光谱是固定的,分子光谱被称之为物质结构的/指纹0光谱。因此,相对于ns-LIBS光谱而言,通过fs-LIBS技术能更确实可靠的判别物质成分。国内的赵南京等人1272以及袁冬青等人1282也对fs-LIBS技术作了相关的报道。
1.2飞秒成丝激光诱导击穿光谱
当超短激光脉冲在空气中传播时,由于克尔自聚焦效应,激光强度逐渐增大,当激光强度达到空气的电离阈值时,空气被电离,产生微小的等离子体,而产生的等离子体又会对激光束产生散焦作用,当克尔自聚焦效应和散焦效应达到平衡时,激光束成丝传输,可以形成很长的等离子体细丝。这样既可以保证传递到靶面上的能量足以激发等离子体又可以使这种能量传播的很远。根据近几年的实验研究表明高强度的飞秒激光脉冲可产生长达百米1292甚至几千米1302的等离子体细丝,飞秒激光等离子体细丝的出现为远程LIBS 的研究注入了新动力。研究表明:由于光学钳箍的效应1312。飞秒激光等离子体丝内的激光功率密度维持在5@1013W/ cm2左右,近似为一恒定值,这一功率密度超过了所有物质的击穿阈值,当飞秒激光等离子体细丝辐照到物质上,均能产生诱导击穿光谱。另外飞秒激光等离子体细丝在空气中传输克服了1/R2能量衰减规律,可以消除激光光源抖动给LIBS光谱带来的噪声,提高了物质成分探测灵敏度,具有较大的应用前景。
目前对飞秒LIBS研究的热点主要集中在增加探测距离和采用确实可靠的收集方式两个方面。Stelmaszczyk等人1322利用飞秒成丝LIBS对工业级铜和马口铁进行远程探测。Stel maszczyk小组利用飞秒激光成丝LIBS将远程探测的距离提高到了90m,并有望在进一步的研究当中达到几千米。Taortzakis等人1332利用紫外飞秒激光成丝LIBS分别对铜、铅和不同的石块在5m至7m处进行远程探测,采用近场和远场两种方式收集光谱,通过实验表明飞秒成丝LIB S远程探测靶材料时,虽然远场收集影响了信号的强度,但是依然能够保证收集光谱的可靠性。进一步证实了飞秒成丝LIBS在远程探测中的可行性。美国中弗罗里达大学的Martin Richardson研究小组1342在军事应用背景前提下开展了基于飞秒激光等离子体丝的LIBS技术对几十米远处的化学和生物病菌以及含能材料(爆炸物)的成分探测和区分研究工作,通过LIBS光谱中的C2分子光谱区分有机物质的种类。欧洲Teramobile小组1352和加拿大的S.L.Chin小组1362各自开展了飞秒激光等离子体丝LIBS技术用于金属成分探测和化学生物污染物成分分析,探测距离远达几十米。根据实验结果表明远至几千米的环境污染物也可被探测出来。这些实验结果表明,飞秒激光等离子体丝诱导击穿光谱技术用于远距离环境污染物方面是非常具有应用前景的。
1.3双脉冲激光诱导击穿光谱
虽然单脉冲激光诱导击穿光谱操作简单,但是由于激光脉冲的不稳定性,烧蚀过程的不可重复性,样品的不同一性以及探测器的噪声信号等因素导致单脉冲LIBS探测的标准偏差通常很高,可达到5%至10%1372。研究发现采用双脉冲LIB S可以克服单脉冲LIBS的缺点,提高LIBS的可重复性和准确性。对双脉冲LIBS的研究开始于1969年1382,经历了40多年,双脉冲LIBS仍是目前LIBS技术研究的热点之一。
双脉冲激光烧蚀可以分为两种情况:第一种情况两束激光平行,先后垂直入射到靶面上,第二种情况是两束激光互相垂直,平行于靶面的激光先入射,预烧蚀靶面,而后第二束激光垂直入射靶面,使等离子体温度升高。通常采用的双脉冲LIB S是两束激光平行的双脉冲烧蚀,因为在这种情况下原子和离子的谱线强度都大幅度增强。Rai等人1392分别使用单脉冲LIBS和平行的双脉冲LIBS对溶液中Cr元素进行探测,实验结果表明采用双脉冲技术可以将单脉冲LIBS的信号强度提高3.5倍以上,这主要是因为在单脉冲与靶材料作用时,冲击波阻隔了激光能量的传递,信号迅速衰减,而双脉冲作用于靶材料时,第二个脉冲由于等离子体限制作用而使信号强度的衰减时间延长,从而提高了信噪比和探测精度。Weidman等人1402利用Nd:YAG和CO2激光器实现了平行双脉冲LIB S对硅基上的聚苯乙烯的检测,相比于单脉冲LIB S,采用双脉冲LIBS降低了基体效应,增强了信号强度,提高了光谱的信噪比。随着研究的深入,在常见的双脉冲LIBS 基础上又出现激光诱导击穿光谱-激光诱导荧光(LIBS-LIF)、共振增强激光诱导击穿光谱(RELIBS)等研究方法。Vidal等人1412利用一束波长为1064nm,脉宽7ns的激光和一束经过OPO调谐波长后的激光搭建了一套双脉冲LIBS系统。利用这一系统分别采用LIB S-LIF和RE LIBS对铜样品中的Pb元素进行探测。LIBS-LIF技术是在第一束激光脉冲诱导产生的等离子体即将冷却的时候,注入第二个脉冲,此时产生连续谱的韧致辐射和电子-离子复合作用最小,因此可显著提高光谱的信噪比。RELIB S是利用OPO调谐第二束激光的波长对等离子体中的某些成分进行选择激发,提高对低含量元素的探测精度。在对水样品中的Pb检测时考虑到短波长激光单光子能量高,将1064n m的激光换成266nm 的激光,将Pb的探测限提高到0.5ppm。对于两束激光垂直情况下的双脉冲LIBS的研究比较少,Cristoforetti等人1422利用互相垂直的两束激光在不同气压下作用于Cu靶材表面,实验观察到高能级的离子谱线和原子谱线信号有所增强,但是低能级的原子谱信号出现下降的情况。平行双脉冲LIBS相比与互相垂直的双脉冲LIBS对信号的优化效果更明显。因此通常采用平行的双脉冲LIBS更具有实用意义。国内方面,林兆祥等人1432利用双脉冲LIBS对空气等离子体的光谱特性进行了研究,探讨了双脉冲之间的延时等因素对光谱特性的影响。
1.4时间分辨激光诱导击穿光谱
典型的激光诱导击穿光谱是由一系列线谱和宽幅的连续谱复合而成。在等离子体产生初期,连续辐射强度高,宽幅的连续谱会将线谱掩埋,影响了对线谱的观测。经过研究表明,连续谱的寿命远低于线谱144-472,实验中,通过控制采集光谱的时间,待连续谱衰弱时再记录光谱的技术就是时间分辨激光诱导击穿光谱技术。时间分辨激光诱导击穿光谱技术可以显著提高光谱的信噪比,并且可以根据光谱随时间的演化过程捕获等离子体膨胀动力学信息。但是对于不同的靶材料,以及不同的实验条件都会对最佳延时时间的选取产生影响,所以应用时间分辨激光诱导击穿光谱技术时,需要预先测定实验最佳延时,才能进行下一步的实验分析。
Park等人1482在研究不同气体环境下激光烧蚀石墨材料的等离子体时间特性时,利用时间分辨LIBS讨论了脉冲激光和收集装置之间的延时对光谱信号的影响,以及不同气体环境对电子温度等等离子体特性的影响。Feng等人1492利用
LIBS技术对掺杂Pb元素的液体样品进行分析时,通过改变收集时间和激光脉冲之间的延时,控制收集装置在连续谱逐渐减弱的时刻采集光谱,从而将等离子体产生初期的连续谱滤掉,经过实验研究,在135ns时采集光谱可以得到信号背景比较高的激光诱导击穿光谱。时间分辨激光诱导击穿光谱已经是LIBS技术中较成熟的一种方法,也是目前常用的LIBS优化方式。国内也有许多学者对这一技术进行了比较深刻的研究。满宝元等人1502利用波长为1064nm,脉宽10ns 的脉冲激光辐照在硅靶表面,根据等离子体时间分辨发射光谱,分析了电子温度、电子密度和连续谱的演化过程。张运海等人1512利用时间分辨LIBS技术分析了脉冲激光与气体环境中Te、Cd和Hg材料作用后产生的等离子体中离子出射速度以及电子温度等动力学特性。樊建梅等人1522也利用时间分辨LIBS研究了M等离子体电子温度等动力学特性。
1.5偏振分辨激光诱导击穿光谱
为了降低LIBS中连续谱的影响,通常研究人员采用时间分辨LIBS,这种方法虽然可以提高光谱的信噪比但是无法观测到等离子体产生最初时刻的分立光谱,而且在不同的实验条件下,不同靶材料的最佳延时并不相同,需要预先测定出来,这就增加了探测的复杂性。另外,时间分辨LIBS对探测器的要求很高,通常要配备价格昂贵的ICCD相机,这就限制了这种技术在实际应用中的推广。而偏振分辨激光诱导击穿光谱技术的出现,将会使这些问题迎刃而解。
2008年,伊利诺斯大学的Liu小组1532利用脉宽均为80fs 的双脉冲烧蚀Si材料时,首次观测到了连续谱的近全偏振现象,而线谱偏振度很低,尤其是在紫外波段,连续谱的偏振度可达到95%。这主要是由于连续谱是由韧致辐射和电子-离子复合辐射产生的,而线谱是由共振跃迁产生的,不同的产生机制导致了二者具有不同的偏振特性1542。2009年该小组在用脉宽为50fs的激光作用在Al靶上时,利用连续谱近全偏振这一性质,在探测器前加入偏振器件,显著抑制了光谱中连续谱的强度,并将这一技术命名为偏振分辨激光诱导击穿光谱(PRLIBS),并且实验发现采用PRLIB S降低了对样品表面平整性的要求1552。在接下来的研究中,该小组利用PRLIB S分析铜和石墨等样品时,发现采用PRLIBS不仅可以显著抑制连续谱,并且可以揭示掩埋在连续谱之下的细小线谱1562。除了Liu小组对PRLIBS进行了研究,Majd等人1572在也采用PRLIBS对铜板样品进行了分析,实验表明PRLIBS技术显著抑制了连续谱,并且讨论了激光的偏振态对偏振度的影响。在2010年,Kiefer等人1582利用PRLIBS对氮氧混合气体进行分析,利用偏振片有效地抑制了连续光谱和激光的弹性散射光,并且将二氧化碳的探测限提高到1pp m。
对于连续谱和分立谱具有不同偏振特性的根本原因尚在研究当中,目前普遍接受的解释是Milchberg和Weisheit1592在1982年提出的非平衡等离子体中复合辐射偏振的理论,电子速度各项异性分布会导致韧致辐射和复合辐射的偏振现象,由于韧致辐射的强度低于复合辐射强度,所以研究复合辐射的偏振特性更具有普遍意义,经过理论计算,Milchberg 和Weisheit得出复合辐射的偏振度由两个无量纲量决定。但是更深入的解释还有待进一步的研究。目前国内方面,长春理工大学正在对PRLIBS进行探索和研究。
2结束语
LIBS的可重复性和探测精度较低的问题阻碍了LIBS技术大规模的应用于工业生产等领域,飞秒激光诱导击穿光谱以及双脉冲激光诱导击穿光谱的出现显著优化了光谱,降低了探测限,使LIBS技术在准确性和精度上有了大幅的提升。飞秒激光大气中长距离成丝诱导击穿光谱的出现,为远程探测技术提供了一种安全可靠的新方法。时间分辨激光诱导击穿光谱不仅提高了光谱的信噪比,而且可以通过光谱随时间的演化过程研究等离子动力学特性。偏振分辨激光诱导击穿光谱的出现,降低了LIBS技术对仪器的要求,使LIBS技术向实用化方向又迈进了一步。随着对LIBS技术的进一步深入系统的研究和应用,相信LIBS技术必定会在光谱探测技术中大放异彩。
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矿产样品的激光诱导击穿光谱(LIBS)快速分析-J200
矿产样品的激光诱导击穿光谱（LIBS）快速分析 前言 过去十年中，因为在许多新兴经济体，如中国、俄 罗斯、印度和巴西，得到了快速发展，矿产业对世界经 济的增长提供了稳定的贡献。包括石油、煤炭、铁、金 银、镍、铜等多种矿产被持续开采。大多数矿产活动都 包含了矿石原料采集及材料的浓缩提纯等过程。 为了评估这些过程对最终获得的矿产产品的功效， 很多分析方法被用于量化或监测这些过程中的重要元 素。传统的方法包括XRF（X射线荧光）、GFAA（石墨 炉原子吸收）、ICP-AES（电感耦合等离子体发射光谱）、 ICP-MS（电感耦合等离子体质谱）、SEM（扫描电镜）、 及SIMS（二次离子质谱）等。 激光诱导击穿光谱技术（Laser-induced breakdown spectroscopy 简称LIBS）是一种快速兴起的分析技术。LIBS技术在过去的几年里得到了多种工业行业的越来越多的关注。在矿产业，相较与上文提到的传统分析方法，LIBS具有很多有吸引力的分析优势。 LIBS可以检测从H到Pu的多种元素，包括如H、N、F和O等其它分析方法很难或不可能检测的非金属元素。此外，与XRF相比，LIBS对于轻元素（如B、Li、C、K、Ca、Mg、Al、Si等）有更高的灵敏度，而这些轻元素的检测对于许多矿产应用都很关键 本案例中，非洲矿产标准（AMIS）标准参考物质 （CRMs）被用于分析，以证明LIBS技术对于矿产业是 一种有效的分析方法。试验采用美国应用光谱公司的 LIBS设备——J200激光光谱元素分析仪（美国应用光 谱公司即ASI公司，由美国劳伦斯伯克利国家实验室首 席科学家 Rick Russo建立）。J200配备266nm Nd：YAG 纳秒激光器以及宽频检测器。 美国ASI公司的J200激光光谱元素分析仪
激光诱导击穿光谱技术要点
激光诱导击穿光谱的原理、装置 及在地质分析中的应用 摘要 激光诱导击穿光谱技术(LIBS)是一种目前正在发展中的对样品中元素成分进行快速、现场定量检测的分析技术。为了了解激光诱导击穿光谱技术(LIBS)技术和发展现况以及这项技术的应用情况，在课堂学习和相关基础实验的基础上，通过查阅相关文献和书籍进行了分析、整理、归纳。文章从LIBS的由来、基本原理和实验装置进行了综述，讨论了激光诱导击穿光谱技术在地质分析方面的应用。LIBS技术应用方便快捷，且应用前景广泛。 关键字：激光诱导击穿光谱；元素分析；地质分析
The Principle and Device of Laser Induced Breakdown Spectroscopy and its Application in Geological Analysis ABSTRACT Laser-induced breakdown spectroscopy(LIBS)is a kind of analysis technique currently in development ,which is applied for rapid and on-site quantitative detection of the elements of the sample.To comprehend the laser induced breakdown spectroscopy(LIBS)technology, the current development status of LIBS technology and the application of the technology, LIBS technology was analyzed, arranged, and summarized on the basis of classroom learning , the related basic experiments and consulting relevant literatures and books. The origin, basic principle and experimental apparatus of LIBS are reviewed in this paper and the applications of laser induced breakdown spectroscopy in geological analysis are discussed.The application of LIBS technology are fast and convenient and LIBS technology will have broad application prospects. Key words:Laser Induced Breakdown Spectroscopy;elemental analysis;geological analysis
激光诱导击穿光谱仪器(LIBS)在火星土壤分析中的应用
激光诱导击穿光谱仪器（LIBS）在火星土壤分析中的应用 2012年8月6日，火星科学实验室太空探测器如期将“好奇”号探测车成功发送至火星表面，万事俱备，该探测车即将开始它的使命。“好奇”号的主要任务是使用光电技术分析火星土壤和岩石的成分，这一切都要通过车载的仪器来完成。车载光学仪器能够检测探测车周围方圆7米区域内样本的物理特性。 进行光电检测操作的重要仪器是ChemCam，这是一个激光识别系统，是装载于“好奇”号上的第一批仪器之一，主要用于供电和进行远程传感。海洋光学为ChemCam提供了三套定制的HR2000光谱仪，这些光谱仪经过配置用于为ChemCam分析火星岩石和土壤成分。专家预测ChemCam将于2012年8月10日左右开始进行校准，并于8月17日和18日进行火星表面的首批分析。 "ChemCam的主要任务是寻找轻质的化学元素，例如碳、氮和氧，这些元素都是维持生命所必需的”。ChemCam团队的首席研究员Roger Wiens说，“该系统可以对火星表面冰冻水以及其他资源进行快捷、精准的探测，例如对碳元素的检测”。所以ChemCam就成为“好奇”号完成使命的一个重要组件。” ChemCam的应用以激光诱导击穿光谱仪器（LIBS）为基础。该仪器的性能已经在极端地球环境中被证实，例如其在核反应堆内部和海底的应用，此次是其第一次用于行星科研。 “好奇”号上搭载的LIBS系统配有14mJ的纳秒脉冲激光器（单次脉冲时间为5ns），聚焦在0.3-0.6mm的检测区域，脉冲速度为3次/秒，所以它的功率可达10 MW/mm2，这些能量足以融化火星土壤和岩石中的元素，使它们的原子变为激发态，此时记录下激发态原子产生的等离子体光谱，通过对这些光谱数据的分析就可以得出火星岩石化学成分的信息。 由于为了达到检测范围内的探测准确，同一个区域预计要进行50-75次独立的脉冲，从而在设计LIBS系统时，对于同一地点激光的重复性要求非常高，这样可以有效除去采样地点表层覆盖的灰尘和风化层。ChemCam的设计适用于在整个任务执行过程捕捉到1400次观测结果。 ChemCam将应用于“好奇”号到达的每一个地点，但是将在探测车着陆的盖尔陨坑展开工作。“这是一个值得令人惊讶的消息，因为盖尔陨坑的山脉出现在完全是沉积材料构成的轨道上，这是一个比美国大峡谷的深度几乎还要高三倍的沉积层组合地貌。”美国洛斯阿拉莫斯国家实验室(LANL)的博士后研究员Nina Lanza说。 美国洛斯阿拉莫斯国家实验室提供ChemCam光谱仪和数据处理器，并指导整个探索过程。法国空间研究中心（CNES）和法国图卢兹天体物理学实验室（CESR）一起提供ChemCam激光和望远镜，其中激光由法国泰雷兹集团（Thales）制造。.
激光诱导击穿光谱技术..
激光诱导击穿光谱技术（LIBS） 姓名：李记肖 学号：3114313040 班级：电子硕4128班 邮箱：465471316@https://www.wendangku.net/doc/9311145502.html,
1激光诱导击穿光谱技术（LIBS）简介 激光诱导击穿光谱技术(Laser Induced Breakdown Spectroscopy )简称为LIBS，是由美国Los Alamos 国家实验室的David Cremers 研究小组于1962年提出和实现的。自从1962年该小组成员Brech最先提出了用红宝石微波激射器来诱导产生等离子体的光谱化学方法之后，激光诱导击穿光谱技术开始被广泛应用于多个领域，如钢铁成分在线分析、宇宙探索、环境和废物的监测、文化遗产鉴定、工业过程控制、医药检测、地球化学分析，以及美国NASA的火星探测计划CHEMCAM等，并且开发出了许多基于LIPS技术的小型化在线检测系统。 2 LIBS发展概况 自1960年世界上第一台红宝石激光器问世，两年后Brech和Cross就实现了固体样品表面的激光诱导等离子体，开启了LIBS技术的历程。1963年，调Q激光器的发明大大促进了LIBS技术的发展，这种激光器的单个短脉冲具有极高的功率密度，足以产生光谱分析所需的激光等离子体。因此调Q激光器的发明被称为LIBS技术诞生的标志。1965年Zel’dovich and Raizer把LIBS技术的应用延伸到气体样品。70年代初，Jarrell-Ash和Carl Zeiss制造了世界上第一台工业应用LIBS设备，需要说明的是，这套LIBS设备中，短脉冲激光用于烧蚀样品，然后用电弧激发样品。美国洛斯阿拉莫斯国家实验室(LANL)曾致力于LIBS分析技术的机理研究和应用，在1987年将其应用于乏燃料后处理工艺中铀浓度分析。在八十年代，LIBS被应用于液体样品以及分析土壤中的金属及污染物。德国卡尔斯鲁厄核中心从上世纪90年代初开始，致力于将LIBS应用于高放废液玻璃固化工艺控制分析，获得巨大成功，随后模拟高放废液玻璃固化体中27种元素的实时定量分析。意大利国家原子分子物理研究所A.CIUCCI和M.CORSI等提出了一种无需“校准曲线”的LIPS定量化分析技术—CF-LIBS，进一步发展了LIBS技术在定量分析中的应用。S.Palanco和https://www.wendangku.net/doc/9311145502.html,serna利用多元线性回归法来定量分析物质成分含量，以消除基体效应的影响，获得很好的效果。 3 LIBS基本原理 脉冲激光束经透镜会聚后辐照在固体靶的表面，激光传递给靶材的能量大于热扩散和热辐射带来的能量损失，能量在靶表面聚集，当能量密度超过靶材的电离阈值时，即可在靶材表面形成等离子体，具体表现为强烈的火花，并伴随有响声。激光诱导的等离子体温度很高，通常在10000K以上，等离子体中含有大量
团体标准-《有色金属材料分析方法 激光诱导击穿光谱应用通则》(编制说明)-预审稿
有色金属材料分析方法 激光诱导击穿光谱应用通则 编制说明 （预审稿） 主编单位：国合通用测试评价认证股份公司 山东东仪光电仪器有限公司 2020年6月
有色金属材料分析方法激光诱导击穿光谱应用通则 编制说明（预审稿） 一、工作简况 1、立项目的 新材料实时在线成分检测一直是冶金行业的重要研究方向之一，它能有效缩短检测时间，不仅可降低成本，节约能源，改善品质，还可以提高生产效率，同时为冶炼工艺改进提供有效手段。因此，激光诱导击穿光谱法（LIBS）的在线分析系统在冶金行业生产中不仅具有经济效益，还同样具有重要的战略意义。到目前为止国内外公开的信息中可查询到块状固体原子光谱分析标准有：中国人民共和国国家标准GB/T 14203-2016《火花放电原子发射光谱分析法通则》；GB/T 7999-2015《铝及铝合金光电直读发射光谱分析方法》；GB/T 14203-1993《钢铁及合金光电发射光谱分析法通则》；GB/T 4336-2002 《碳素钢和中低合金钢火花源原子发射光谱分析方法（常规法）》；GB/T 11170-2008《不锈钢多元素测定火花-发射光谱法》；GB 222-84 《钢的化学成分分析用试样取样法及成品化学允许偏差》；GB/T 7999-2000《铝及铝合金光电（测光法）发射光谱分析方法》；YS/T 482-2005《铜及铜合金光谱分析》等。 激光诱导击穿光谱在有色金属材料分析应用方法通则的制定目地在于针对有色金属材料分析领域，根据有色金属材料的特点，规范LIBS的术语和定义、方法原理、仪器设备、测试环境、样品、分析步骤、数据处理、试验报告和安全防护等内容，便于有色金属分析工作者之间的交流。其意义在于为后续LIBS具体分析方法（如铝合金、铜合金、钛合金及镁合金的分析）的制定奠定坚实的基础。 目前国内外没有相应的LIBS标准，科学术语及仪器的操作具有很大的随意性，导致不同实验室之间的分析结果没有可比性，对不同实验室之间的数据比对带来一定的障碍，通过激光诱导击穿光谱在有色金属材料分析应用方法通则制定，不仅统一术语名称，而且统一仪器的操制流程，使不同实验室之间的数据具有可比性，因此该标准的制定是必要的，其意义在于推动LIBS分析技术的发展与成熟。 2、任务来源 根据有色协会《关于下达2018年第二批协会标准制修订计划的通知》（中色协科字[2018]75号）的文件精神，《有色金属材料分析方法激光诱导击穿光谱应用通则》团体标准由全国有色金属标准化技术委员会负责归口，国合通用测试评价认证股份公司、山东东仪光电仪器有限公司、国标（北京）检验认证有限公司等单位负责起草，项目计划编号为
激光诱导荧光法用于内燃机燃烧可视化的研究进展
R esearch Progress of Cooling System for Modern V ehicle Engine CH EN G Xiao 2bei ,Pan Li ,J V Hong 2ling (School of Energy &Power Engineering ,Huazhong University of Science &Technology ,Wuhan 430074,China ) Abstract :The development status ,influencing factors and existing problems of cooling system were briefly analyzed ,and the f ront design concept and research method like the intelligent electronic 2controlled coolin g ,precise cooling ,split cooling ,air 2side flow and vehicle thermal management for engine cooling system were also introduced.The hig h efficiency and low consumption realized with modern engine cooling system were discussed ,it was pointed out that the integration of precise cooling and split cooling with electronic 2controlled elements was the feasible method ,and the vehicle thermal management would be the main method to improve the cooling performance entirely. K ey w ords :automobile engine ;cooling system ;intelligent control ;thermal management ;prediction of development trend [编辑:潘丽丽] 收稿日期:2007210218;修回日期:2008201211 作者简介:马 骁(1983— ),男,四川省荥经市人,在读博士,主要研究方向为内燃机燃烧的激光诊断;max @https://www.wendangku.net/doc/9311145502.html, 。激光诱导荧光法用于内燃机燃烧可视化的研究进展 马 骁,何 旭,王建昕 (清华大学汽车安全与节能国家重点实验室,北京 100084) 摘要:阐述了激光诱导荧光法用于内燃机可视化的基本原理。结合研究实例中典型的试验装置重点介绍了激光诱导荧光法在内燃机可视化研究中的应用情况,包括燃烧组分和温度场的激光诱导荧光测量、高度挥发性燃料的喷雾与混合气形成的平面激光诱导荧光法测量以及内燃机喷雾中气液两相的复合激光诱导荧光测量。 关键词:内燃机;激光诱导荧光;可视化;混合气形成;喷雾 中图分类号:T K464 文献标志码:A 文章编号:100122222(2008)0120007207 近年来控制汽车尾气排放和燃油经济性的法规 日益严格,对内燃机的研发,尤其是在缸内混合气组织、燃烧控制方面提出了更高的要求。可视化技术能够直观地提供缸内混合气形成和燃烧状态的信息,,因而可视化研究作为内燃机基础研究的重要一环一直受到国内外内燃机界的重视。 以激光诱导荧光(L IF )法为代表的现代光学诊断方法用于内燃机可视化技术是近年来的研究热点。L IF 法可以以非侵入的形式定量测量主要污染物及中间产物浓度分布、流场温度、混合气浓度分布等参数,采用不同的试验装置可以进行单点、一维、二维及准三维的测量[1],是一种灵活而有效的测试手段。随着激光器、增强型电荷耦合器件(ICCD )及光电倍增管等技术的不断发展,L IF 法正被更多的 研究者用于内燃机可视化研究。 1 L IF 法的基本原理 当激光光子的能量(表征为波长λ)符合分子特 定两个能级之间能量间隔时,受照射分子可以吸收光子从基态跃迁至高能态。由于处于高能态的分子不稳定,故在一定时间内受激分子将通过辐射和非辐射的方式释放能量返回基态,在此过程中分子的自发辐射发光称为荧光。荧光的特性随荧光物质的种类、环境温度、压力以及周围物质氛围的不同而呈现出较大的差异[2]。在满足一定条件时,通过荧光的强度可以得到包括浓度、温度、组分在内的多种物理参数。 在用L IF 法进行内燃机可视化研究中,作为观察对象的受激分子通常是以NO 为代表的燃烧产物 第1期(总第173期)2008年2月车 用 发 动 机V EHICL E EN GIN E No.1(Serial No.173) Feb.2008
20131224 - 激光诱导击穿光谱及其应用研究进展
激光诱导击穿光谱及其应用研究进展 钢铁研究总院测试所 贾云海 激光诱导击穿光谱原理 激光诱导击穿光谱法（Laser Induced Breakdown Spectroscopy 或Laser Induced Plasma Spectroscopy）简称为LIBS 或LIPS，由美国 Los Alamos 国家实验室的 David Cremers 研究小组1962 年提出和实现。该技术是目前国际非常流行，极具价值，非常有前景的分析工具激光经透镜聚焦在样品表面，当激光脉冲的能量密度大于击穿门槛能量时，就会在局部产生等离子体，称作激光诱导等离子体。用光谱仪直接收集样品表等离子体产生的发射谱线信号，根据发射光谱的强度进行定量分析。 激光诱导等离子体发射谱线的形成过程 （a）多光子电离形成等离子体 (b) 轫致辐射及电子自由跃迁形成的宽带发射，主要为等离子体中各元素的电离线形成的连续背景谱线，该过程需几百纳秒。 (c)能级跃迁形成的谱线发射，谱线强度与元素浓度成正比。该过程通常持续几微秒，是 进行元素定量分析的重要环节 激光诱导击穿光谱技术的优势 ■分析简便、快速，无须烦琐的样品前处理过程； ■对样品尺寸、形状及物理性质要求不严格，可分析不规则样品；可分析导体、非导体材料，以及难熔材料；可测定固态样品，还可以测定液态、气态样品； ■LIBS 具有高灵敏度与高空间分辨率，可进行原位微区分析； ■可进行样品痕量分析，现场分析以及高温、恶劣环境下的远程分析
激光诱导击穿光谱在环境领域中的应用激光感生击穿光谱的应用研究进行得最早、最深入的是环境领域，libs 主要用于探测水、土、空气中重金属，监控水、土、空气的污染状况。以土壤分析为例： □传统的化学检测方法需要在实验室里进行并耗费大量的时间用来进行制备、溶解、离子交换等工序 □Libs 可实现实时快速分析土壤中的Cr、Cu、Fe、Mn、Ni、Pb 和Zn 等7 种重金属元素，与用ICP-AES 的测量方法比较,误差都不超过6% 激光诱导击穿光谱在冶金领域中的应用 激光诱导击穿光谱可应用于炼钢工艺流程中各个环节： 1 高炉炉气分析 2 炉渣分析 3 液钢分析 4 钢材缺陷分析 5 成品钢材料筛选激光诱导击穿光谱在冶金领域中的应 用 - 炉气分析不影响冶金工艺流程的情况下，通过对炉气的探测监控冶炼过程中 的传热传质过程高炉炉顶条件: ■平均温度；180℃ ■气体流速；10～20m/s ■平均气压：2.3 bar.
激光诱导荧光LIF
LIF测量原理 一、光致发光物理基础 发光可以定义为原子或分子从激发态到较低能态经历的辐射发射过程。如果激发态是通过吸收入射辐射产生的，那么源于这种激发态的发射就称为光致发光。 1. 分子轨道理论 根据分子轨道理论，两个原子轨道结合时既可以形成成键分子轨道（bonding molecular orbit），又可以形成反键分子轨道（anti-bonding molecular orbit）。基态时分子中的电子占据成键轨道，有机分子中原子间电子云以头碰头形式形成的单键分子轨道叫做σ轨道，相应的电子叫σ电子；肩并肩形式形成的分子轨道叫π轨道，相应的电子叫π电子。相应的反键轨道分别用σ*和π*表示。另外还有很多物质还含有非键轨道（non-bonding electron），即未共用电子或孤电子对，用n表示。当吸收一定能量后，一定能级之间的电子可发生下图所示的四种跃迁：σ->σ*、n->σ*、n->π*、π->π*。 σ* 反键轨道 π* 反键轨道 n 非键轨道 π成键轨道 σ成键轨道 分子轨道及电子能级跃迁 2. 单线态和三线态 电子的自旋状态可以用自旋多重度表示，对于基态的原子，对于一个给定轨道中的两个电子，必定具有相反的自旋方向，因此自旋多重度总等于1，称为单线态；当一个电子被激发到能量较高的电子态时，激发态可能是单线态，也可能是三线态。从单线态激发称为三线态的概率是相当低的，较单线态要低若干个数量级，三线态的寿命比单线态长得多。 3 激发光谱和发射光谱 荧光现象属于光致发光，涉用到两种辐射，即激发光（吸收）和发射光，因而也都具有两种特征光谱，即激发光谱和发射光谱。这是荧光定性和定量分析的基本参数及依据。 1）激发光谱 通过测量荧光体的发光通量（即强度）随激发光波长的变化而获得的光谱，称为激发光谱。激发光谱的具体测绘方法，是通过扫描激发单色器，使不同波长的入射光照射激发荧光体，发出的荧光通过固定
激光诱导击穿光谱仪校准规范(送审稿)-编制说明
JJF（有色金属）000X—202X 激光诱导击穿光谱仪校准规范 编制说明 （送审稿） 激光诱导击穿光谱仪校准规范编制组 主编单位：国标（北京）检验认证有限公司 2020年11月16日
一、工作简况 1.1 立项目的 激光诱导击穿光谱仪（LIBS）是光谱分析领域一种前景广阔的分析手段，其基本原理是利用高能量激光光源，在分析材料表面形成高强度激光光斑（等离子体），使样品被激发而产生特征谱线，从而实现对化学元素的定性和定量分析。LIBS具有灵敏度高、分析速度快、可同时分析多种元素等优点。它弥补了传统元素分析方法的不足，可以检测几乎所有的无机元素，且几乎不需要样品制备，在有色金属材料的微区分析和缺陷检测，以及复杂恶劣环境下的分析检测和工业在线检测等应用领域优势明显。 LIBS主要由激光光源系统、激光聚焦系统、等离子体辐射手机系统、光谱仪、控制电路及软件数据处理系统等部件组成。激光光源系统通常包括激光电源和激光器。激光电源驱动激光器，激光器利用受激辐射原理输出激光，激光束通过激光聚焦系统会聚于样品表面，在极短时间内将样品表面微量元素剥离并激发出等离子体。因此激光能量的稳定性对于LIBS仪器光谱信号的状态具有十分重要的影响。光谱仪主要包括分光系统和探测器两个部分，是将受激发样品发出的光进行色散，并进一步将色散后的入射光信号转换为电信号的重要部件。因此，光谱仪性能的好坏（波长示值误差、波长示值重复性、检出限、测量重复性、测量稳定性）直接决定了检测结果的准确度和精密度。因此十分有必要在有色金属行业建立针对LIBS主要计量性能的校准技术规范。科学的校准规范能够有效确保校准操作的规范性和校准结果的可靠性，能够有效确保该仪器运行的可靠性，从而有利于该仪器的推广应用，对于提升产品质量水平、推动有色金属检测技术发展具有十分重要的积极作用。 1.2 任务来源 为保证和提升我国有色金属行业LIBS分析试验数据的准确性和可比性，工业和信息化部办公厅于2019年6月20日下达了《工业和信息化部办公厅关于印发2019年行业计量技术规范制修订计划的通知》（工信厅科函[2019]142号），其中包括《激光诱导击穿光谱仪校准规范》制订计划项目。该项目计划号为JJFZ（有色金属）002-2019，国标（北京）检验认证有限公司为主要起草单位，计划完成年限为2021年。 1.3 项目编制组单位简况 1.3.1 编制组成员单位 本标准的编制组单位为：国标（北京）检验认证有限公司、山东东仪光电仪器有限公司、广州计量检测技术研究院、国合通用测试评价认证股份公司、北矿检测技术有限公司。编制组成员单位均是我国从事LIBS研发、生产和应用，或者在有色金属行业内主要从事计量、分析检测及科研的权威单位。1.3.2 主编单位简介 国标（北京）检验认证有限公司（以下简称“国标检验”）是中央企业有研科技集团有限公司（原北京有色金属研究总院）下属国合通用测试评价认证股份公司的全资子公司，注册资本4680.00万元。
激光诱导击穿光谱仪项目投资简介
第一章概况 一、项目概况 （一）项目名称 激光诱导击穿光谱仪项目 （二）项目选址 xx经开区 项目建设区域以城市总体规划为依据，布局相对独立，便于集中开展 科研、生产经营和管理活动，并且统筹考虑用地与城市发展的关系，与项 目建设地的建成区有较方便的联系。投资项目对其生产工艺流程、设施布 置等都有较为严格的标准化要求，为了更好地发挥其经济效益并综合考虑 环境等多方面的因素，根据项目选址的一般原则和项目建设地的实际情况，该项目选址应遵循以下基本原则的要求。所选场址应避开自然保护区、风 景名胜区、生活饮用水源地和其他特别需要保护的环境敏感性目标。项目 建设区域地理条件较好，基础设施等配套较为完善，并且具有足够的发展 潜力。 （三）项目用地规模 项目总用地面积21484.07平方米（折合约32.21亩）。 （四）项目用地控制指标
该工程规划建筑系数73.21%，建筑容积率1.47，建设区域绿化覆盖率7.75%，固定资产投资强度163.59万元/亩。 （五）土建工程指标 项目净用地面积21484.07平方米，建筑物基底占地面积15728.49平方米，总建筑面积31581.58平方米，其中：规划建设主体工程21883.12平方米，项目规划绿化面积2447.57平方米。 （六）设备选型方案 项目计划购置设备共计97台（套），设备购置费2424.74万元。 （七）节能分析 1、项目年用电量500563.63千瓦时，折合61.52吨标准煤。 2、项目年总用水量5536.27立方米，折合0.47吨标准煤。 3、“激光诱导击穿光谱仪项目投资建设项目”，年用电量500563.63千瓦时，年总用水量5536.27立方米，项目年综合总耗能量（当量值）61.99吨标准煤/年。达产年综合节能量22.93吨标准煤/年，项目总节能率23.40%，能源利用效果良好。 （八）环境保护 项目符合xx经开区发展规划，符合xx经开区产业结构调整规划和国家的产业发展政策；对产生的各类污染物都采取了切实可行的治理措施，严格控制在国家规定的排放标准内，项目建设不会对区域生态环境产生明显的影响。
激光诱导荧光检测技术简介
荧光分析法 原理：根据物质分子吸收光谱和荧光光谱能级跃迁机理，具有吸收光子能力的 物质在特定波长光（如紫外光）照射下可在瞬间发射出比激发光波长长的光，即荧光。荧光强度与物质浓度的关系可表示为：I=kC，因此紫外荧光光强I与样气的浓度C成线性关系。这是紫外荧光法进行定量检测的重要依据。 两种测定方法： 直接测定法:利用物质自身发射的荧光进行测定分析。 间接测定法：由于有些物质本身不发射荧光（或荧光很弱），这就需要把不发射荧光的物质转化成能发射荧光的物质。例如用某些试剂（如荧光染料），使其与不发射荧光的物质生成络合物，这种络合物能发射荧光，再进行测定。因此荧光试剂的使用，对一些原来不发荧光的无机物质和有机物质进行荧光分析打开了大门，扩展了分析的范围。 不管是直接测定，还是间接测定，一般的采用标准工作曲线法，取各种已知量的荧光物质，配成一系列的标准溶液，测定出这些标准溶液的荧光强度，然后给出荧光强度对标准溶液的浓度的工作曲线。在同样的仪器条件下，测定未知样品的荧光强度，然后从标准工作曲线上查出未知样品的浓度（即含量）。 一般常用的荧光分析仪器有：目测荧光仪（荧光分析灯），荧光光度计和荧光分光光度计三种。 荧光分析是一种先进的分析方法，它比电子探针法、质谱法、光谱法、极谱法等都应用的较广泛和普及，这同荧光分析具有很多优点分不开的。荧光分析所用的设备较简单，如目测荧光仪和荧光光度计构造非常简单完全可以自己制造。比起质谱仪、极谱仪和电子探针仪来它在造价上要便宜很多倍，而且荧光分析的最大特点是：分析灵敏度高、选择性强和使用简便。同时具备这三大特点的仪器并不多. 激光诱导荧光分析（LIF） 激光的特点：亮度高，方向性好，单色性好，相干性好 仪器组成：与普通的荧光检测器一样，激光诱导荧光检测器主要由光源、光学系统、检测池和光检测元件组成，两者最重要的区别是激光诱导荧光检测器的光源是激光器。 激光器：激光器是激光诱导荧光检测器的重要组成部分，用脉冲激光为光源，采用时间分辨技术可消除瑞利散射光（半径比光或其他电磁辐射的波长小很多的微小颗粒对入射光束的散射）和拉曼散射光（光波在被散射后频率发生变化）对测定的干扰，同时增加被测成分之间测定的选择性。以上这些特性使激光诱导荧光检测器的信噪比大大增强，显示出最高的灵敏度和较好的选择性。
LIBS激光诱导击穿光谱仪Spectrolaser4000,7000(LIBS Laser Induced Breakdown Spectroscopy)
LIBS激光诱导击穿光谱仪Spectrolaser4000/7000（LIBS Laser Induced Breakdown Spectroscopy） 原产地：澳大利亚 产品型号：Spectrolaser Target 技术参数 激光器： Nd:YAG 波长1064nm（可选其它波长） 激光能量: 90, 200 或 300mJ 选项备选532nm-180mJ或者355nm-75mJ激光选项 支持软件连续调节, 0 至最大能量 光路:4个Czerny-Turner型光谱通道 检测器类型： 4个CCD检测器/7个CCD检测器 检测器通道:：通过计算机控制不同检测器曝光的延迟，-2 至 15 毫秒, 80纳秒步进，<10纳秒跳动保证优异的稳定性 波长范围：190 - 950nm, 同步采集 分辨率:：0.09 @ 300nm 样品扫描: 线性步进马达控制样品扫描系统。 2或3轴扫描选项. 样品仓：备除尘系统。可充缓冲气体- 电磁阀控制气体供应。 （A/D）数模转换：2MHz 每通道 分析时间：一般1 – 20秒。 计算机： USB口，即插即用。 软件： Spectrolaser LIBS 分析软件和光谱数据库。兼容Windows XP。 - Spectrolaser 分析软件 - 带元素鉴定的光谱数据库。. - 表面制图功能，图形界面。 - 用户可选分析时间和数据求平均。. - 灵活报告格式选项。 - 实验室管理员安全选项。 电源：85-240VAC
主要特点 ·固体激光光源，多种波长可选，能量高、集中，操作调节方便，无损检测； ·样品处理方便，可直接检测固体、液体和气体样品； ·只需接通电源，无燃烧气，无需缓冲气（可选），对环境无特殊要求； ·全范围波长采集数据，分析检测速度快，典型分析1－20秒； ·数据库包含有超过7000条谱线数据，每个元素至少有5条最强谱线数据； ·分析软件兼容XP，操作简单方便，拥有强大的光谱数据库，可进行表面制图等。 Spectrolaser Target 型号扩展了Spectrolaser系列. ·装备有高分辨扫描，包括单轴，双轴或三轴模式。 ·Spectrolaser Target 可以表面元素制图，并且可以对被分析样品的任何位置进行精确检查。. ·每台 Target 型号都有一个带放大功能的轴向照相系统和十字激光定位系统，可以精确分析样品表面的每一点。. ·Target 系列包括所有Spectrolaser 产品系的分析功能，包括光谱发射线鉴定，标准样品校准，多种报告格式等。 Spectrolaser Mobile移动式系统。 ·这套移动式系统是一套车载系统，包括了可帮助你再野外取得快速数据所需要的一切。 ·它可以在15秒内给你准确的数据，不需要等待实验室结果。仪器到了现场，通电即可运行。 ·此系统适用于我们任何一个Spectrolaser型号。 仪器介绍 激光诱导击穿光谱仪是光谱分析领域一种崭新的分析手段，其基本原理是使用高能量激光光源，在分析材料表面形成高强度激光光斑(等离子体)，使样品激发发光,这些光随后通过光谱系统和检测系统进行分析。这种技术对材料中的绝大部分无机元素非常敏感.。同时能分析低原子数元素例如：氢-钠的元素，这些元素用其他技术很难分析。 Spectrolaser是一个跨苏同事分享系统，并已取得专利。Spectrolaser激光光谱仪具有强大的技术优势： ·可测几乎所有自然元素，包括常规方法难以分析的H，Li，Be，C，N，O，S等元素； ·样品制备过程非常简单，还可利用重复脉冲的方法对样品表面进行清洁处理或除去表面涂层； ·只需很少的样品（1-10g）便可以进行高通量分析，大大降低分析成本； ·具有ppm级的检测限和高灵敏度、检测精度和准确度； ·真正意义上的无损检测，只消耗微量的样品，激光入射到样品上几乎不会产生加热效应； ·可以对任何物理状态的样品进行元素分析，包括固态、液态、气态和各种混合物； ·几乎不受光谱干扰的影响； ·对于所有可检出的元素同事测定的分析时间降至大约20秒，相对应其他分析技术有明显优势； ·环境适应性好，几乎没有特殊要求。只需连接上电源即可工作，不需水冷和压缩空气。能满足野外实验的要求； ·基本无周期性更换的耗材，配置激光可连续使用超过600 000次以上； ·具有兼容Windows操作系统的强大分析软件和光谱数据库。
激光诱导击穿
激光诱导击穿（LIBS）光谱技术 LIBS 的工作原理 激光弧光光谱（LASS）、激光诱导等离子光谱（LIPS）或者更常见的叫法激光诱导击穿光谱（LIBS）是一种原子发射光谱，它使用脉冲激光器作为激发源。它的基本原理请参见下面的示意图。脉冲激光器(比如调Q的Nd:Y AG激光器) 的输出激光脉冲被聚焦到被测物体的表面。仅使用小型激光器和简单的聚焦透镜，就可以在激光脉冲的持续时间内（典型值是10ns）使被测材料表面的激光功率密度超过1GW/cm2。 LIBS 原理示意图 在如此之高的激光功率密度作用下，被测材料表面就会有几微克的物质被喷射出来，这个过程通常被称为激光剥离，同时材料表面还会产生寿命很短但亮度很高的等离子体，其瞬间温度可达10,000oC 。在这个热等离子体中，喷射出来的物质离解成激发态的原子和离子。在激光脉冲结束后，由于等离子体以超音速向向外扩展所以迅速地冷却下来。在这段时间内，处于激发态的原子和离子从高能态跃迁到低能态，并发射出具有特定波长的光辐射。用高灵敏度的光谱仪对这些光辐射进行探测和光谱分析分析，就可以得到被测材料的元素构成信息。 在测量时要使用带门控的探测器来记录激光脉冲延迟一段时间后所产生的激光等离子体的光辐射，这是由于只有在等离子体已经膨胀并开始冷却时才会出现原子或者离子的特征辐射谱线。从下面的光谱图中展示了在不同的探测器采样时间延迟下得到的锝的特征辐射谱线，从中可以看出在快门延迟10 微秒时得到的谱线强度最大。 对任何材料的真正无损检测 由于在测量过程中只消耗极微小的一部分材料，所以LIBS技术可以说是真正意义上的无损检测。由于入射到样品上的平均功率还不到1W ，所以激光对样品的加热效应基本上可以忽略不计。从理论上讲，利用LIBS技术可以对任何材料进行元素分析，不论它是什么物理状态：固态、液态、气态和各种混合物如煤泥、泥浆、矿石、废料、污水等都曾经被成功地分析过。 固体、气体和液体的LIBS 分析
激光诱导击穿光谱技术研究的新进展
激光诱导击穿光谱技术研究的新进展 刘 佳,高 勋,段花花,林景全 (长春理工大学理学院,长春 130022) 提要:激光诱导击穿光谱技术(LIBS )是一种基于原子发射光谱学的物质组分分析技术。随着激光技术和光学检测技术的发展,激光诱导 击穿光谱技术已经成为光谱学领域的研究热点。尤其是近几年,LIBS 技术发展迅速,涌现出多种LIBS 的激发和探测新技术。在光谱激发方面,出现了如飞秒激光及飞秒激光大气中长距离成丝诱导击穿光谱技术,双脉冲激光诱导击穿光谱技术等。在光谱探测方面,出现了时间分辨激光诱导击穿光谱技术,偏振分辨激光诱导击穿光谱技术等。本文将对这几种LIBS 中所出现的新技术进行介绍并给出LIBS 技术的发展趋势。 关键词:原子发射光谱;激光诱导击穿光谱;时间分辨;偏振分辨; 中图分类号:TN248.1 文献标识码:A 文章编号:0253-2743(2012)01-0007-04 Latest development of laser induced breakdown spectroscopy LIU Jia,GAO Xun,D UAN Hua-hua,LIN Ji ng-quan (School of Science,Changchun Universi ty of Science and Technol ogy,Changchun 130022,Chi na) Abs tract:Laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS)is a technique based on atomic spectroscopy for the anal ysi s of the elementary c omposi ti on and concentration of materials.With the development of laser tec hnique and optical detection technique,LIBS has become a focus in the s pectrometric field.Particularl y in recent years,LIBS technique develops very quickly.There e merge many new excitation and detection techniques of LIBS.At the as pect of plas ma excitati on;there are femtosecond-LIBS ,filamentation LIBS,and dual pulse LIBS.At the aspec t of s pectral detection;there are ti me-resolved LIBS and polarization-resolved LIBS.This paper gives a revie w of these new LIBS techniques. K ey words :atomic emi ssion spectroscopy;LIBS;time-resolved LIBS;PRLIBS 收稿日期:2011-12-16 基金项目:国家自然科学基金(60978014),吉林省科技厅基金(20100168,20090523,20100521),长春市科技局国际合作项目(09GH01),长春理工大学大学生创新性实验计划项目(2010A0103)作者简介:刘 佳 通讯作者:林景全(1966-) 激光诱导击穿光谱技术(LIBS)是一种基于原子发射光谱和激光等离子体发射光谱的元素分析技术。利用高能量密度的脉冲激光诱导击穿材料表面,使材料表面的微量样品发生电离,产生激光诱导等离子体,在等离子体发射光谱中包含携带着丰富的样品元素信息的线状光谱和背景信息的连续光谱,根据反映元素信息的线状光谱便可对样品中所含元素进行定性和定量分析。LIBS 探测物质成分仅需激光到样品表面的光学过程,不像化学检测技术所需要的复杂的化学反应过程。该技术相对于其他光学检测方法如激光光谱技术(激光拉曼光谱技术、激光吸收光谱技术等)而言实验方法简单,并且可实现多元素实时在线分析。 早在1962年,Brech 和Cross 112在第十届国际光谱学论文集中首次提出用激光作为原子发射光谱的激发源,将元素的原子发射光谱应用于测定固体、气体和液体基质中元素组份,这就是LIBS 技术的前身。经过40多年的发展,LIBS 技术日趋成熟,已经广泛渗透到越来越多的研究和应用领域,在环境污染检测12-62、生物医学17-92、材料成分在线检测110,112、土壤成分检测1122、空间探索113,142、军事爆炸物探测115,162和文物鉴定117,182等诸多领域已经有了广泛的应用。近几年,随着激光技术和光谱探测技术等相关领域的发展,LIBS 技术也得到了长足的发展,本文对LIB S 技术的研究现状和进展进行了分析并给出发展趋势。 1 LIBS 技术研究进展 LIBS 技术作为一种有力的物质成分检测方法,虽然相比于电感耦合等离子体发射光谱(1CP-MS)等光谱检测技术在精确度和灵敏度方面尚有不足,但是LIB S 技术凭借样品需求量少并且无需预处理:对固体、液体、气体、非导电材料 和生物样品等各种材料都适用119-212 ;可同时探测多种元素;可不接触样品进行实时快速检测等优点已成为当前光谱检测技术的研究热点。为了将LIBS 技术进一步向实用化方向推进,提高LIBS 探测的可靠性、经济性和准确性,目前的研 究重点集中在对收集光谱信号的优化上,如增强光谱线信号强度、提高信噪比、降低基体效应、提高探测限等方面。随之出现了多种激光诱导击穿光谱的激发及探测新技术,其中具有代表性的有:飞秒激光诱导击穿光谱(fs-LIBS)、飞秒成丝激光诱导击穿光谱和双脉冲激光诱导击穿光谱等LIBS 激发新技术,以及时间分辨激光诱导击穿光谱、偏振分辨激光诱导击穿光谱(PRLIBS)等LIBS 光谱探测新技术。1.1 飞秒激光诱导击穿光谱 30多年前,飞秒激光的出现,以其超短的脉冲宽度和极高的峰值功率等特性为激光光谱学开辟了崭新的天地。由于飞秒激光脉冲的持续时间远小于电子与晶格耦合的时间(ps 量级1222),当飞秒激光与靶材相互作用时,靶材内的电子吸收激光能量,而加热后的电子来不及在如此短的时间内将热量传递给周围的晶格,电子温度瞬间升高,但晶格的温度并没有改变。也就是说,当飞秒激光与物质相互作用时,可在极短的时间注入足够的能量使靶材料产生激光等离子体,而且不存在激光与其诱导的等离子体相互作用的情况。而纳秒激光诱导击穿光谱(ns-LIB S)技术由于纳秒激光脉冲的持续时间远大于电子与晶格碰撞弛豫时间,不可避免的存在脉冲后沿与脉冲前沿产生的等离子体之间相互作用。出现等离子体屏蔽现象,使入射到靶材的激光能量降低,另外目前由于高能量的纳秒激光系统采用氙灯泵浦,脉冲能量不稳定,这些因素将导致ns-LIBS 的可重复性低。因而采用fs-LIB S 可以提高LIBS 的可重复性,并且提高信号强度和信噪比,所以近几年来国内外很多研究人员对fs-LIBS 进行了广泛研究。 Eland 等人1232分别利用脉宽为7ns 和140fs 的激光作用于玻璃和钢样品,纳秒激光与物质作用,要先将材料融化再汽化,之后被烧蚀的材料通过电子-离子碰撞过程再电离,形成等离子体,这样,脉冲激光后沿会通过逆韧致吸收重新烧蚀产生的等离子体。而采用飞秒激光作为激发源,材料通过多光子过程直接电离,无需融化直接转变为气态,这样直接电离产生的等离子体就避免了激光的再烧蚀过程,降低了连续谱的强度,提高了LIBS 光谱的信号背景比。Hwang 等人1242根据飞秒激光烧蚀与纳秒激光烧蚀作用机制不同,采用脉宽为100fs 、波长400nm 的激光作用到Cr 薄膜上,结果表明采用飞秒烧蚀缩短了等离子体的寿命,相比于纳秒烧蚀,