概述

激光誘導(dǎo)擊穿光譜（LIBS, Laser-Induced Breakdown Spectroscopy）是利用高能脈沖激光來(lái)進(jìn)行材料元素成分分析的一種原子發(fā)射光譜的分析技術(shù)。其基本原理是利用高能激光與樣品相互作用。激光脈沖瞬間將樣品表面的微小部分蒸發(fā)，并生成高溫、高能的等離子體。等離子體內(nèi)的原子和離子通過(guò)激發(fā)態(tài)回到基態(tài)時(shí)發(fā)射出特定波長(zhǎng)的光子，不同元素的光譜具有特定的波長(zhǎng)和強(qiáng)度，通過(guò)光譜儀采集這些光信號(hào)并進(jìn)行分析，即可得到樣品的元素成分。

LIBS技術(shù)因其制樣簡(jiǎn)單或無(wú)需制樣、適用于各種形態(tài)的物質(zhì)（氣、固、液）、全元素同步分析、快速、實(shí)時(shí)、在線原位、遠(yuǎn)程等特點(diǎn)，在元素分析領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。隨著儀器技術(shù)的不斷進(jìn)步，LIBS的應(yīng)用范圍也從實(shí)驗(yàn)室擴(kuò)展到工業(yè)在線檢測(cè)和便攜式應(yīng)用中。

對(duì)于LIBS裝置來(lái)說(shuō)，光譜儀和探測(cè)器的分辨率和靈敏度是至關(guān)重要的兩個(gè)性能指標(biāo)。LIBS所采集的光譜是一種由多種元素發(fā)射的復(fù)雜光譜信號(hào)，通常包括大量的發(fā)射線，這些發(fā)射線可能來(lái)自樣品中的不同元素、不同的電子能級(jí)躍遷，或是在等離子體的不同物理?xiàng)l件下產(chǎn)生。這些發(fā)射線可能存在重疊、交叉甚至是極其接近的情況，準(zhǔn)確解析這些光譜信息變得極為挑戰(zhàn)。光譜儀的分辨率決定了它能否將靠得很近的光譜線有效區(qū)分開(kāi)。如果光譜儀的分辨率不足，兩個(gè)發(fā)射線會(huì)被混淆，導(dǎo)致誤判或無(wú)法正確解析某些元素的存在。這對(duì)于痕量元素的檢測(cè)尤其重要，因?yàn)楹哿吭氐陌l(fā)射線通常較弱且容易被強(qiáng)信號(hào)掩蓋。高分辨率的光譜儀可以將這些發(fā)射線分開(kāi)，確保每個(gè)元素的特征光譜得以清晰捕捉和準(zhǔn)確分析。靈敏度則決定了光譜儀能否檢測(cè)到微弱的光譜信號(hào)，尤其是在痕量元素或弱發(fā)射元素的分析中起到關(guān)鍵作用。等離子體中的發(fā)射光強(qiáng)度可能因不同的物理和化學(xué)條件而差異顯著，某些元素的發(fā)射信號(hào)相對(duì)較弱。如果光譜儀的靈敏度不足，微弱的光譜信號(hào)可能會(huì)被背景噪聲淹沒(méi)，導(dǎo)致重要信息的丟失。靈敏度高的光譜儀不僅可以捕捉到這些微弱的發(fā)射線，還能顯著提高信噪比，使得即使在復(fù)雜背景下，也能獲得可靠的光譜數(shù)據(jù)。

本公司推出的IsCOMS相機(jī)與小型化C-T結(jié)構(gòu)光譜儀（Omni系列）具備出色的分辨率和靈敏度，在LIBS的測(cè)試中表現(xiàn)出良好的效果。

測(cè)試效果展示

LIBS測(cè)試裝置示意圖如下所示。激光器使用納秒量級(jí)的脈沖激光器，激發(fā)波長(zhǎng)為1064 nm。光譜儀和相機(jī)使用本公司自研的Omni系列小型化C-T結(jié)構(gòu)光譜儀和IsCOMS相機(jī)，搭配配套開(kāi)發(fā)的T-Lab ViewIS軟件，可以輕松獲取、分析和保存光譜數(shù)據(jù)。

圖1 LIBS測(cè)試裝置示意圖

Omni系列光譜儀有200 mm，320 mm，500 mm和750mm焦距的不同型號(hào)，光譜儀采用多光柵塔臺(tái)設(shè)計(jì)（至多可配置3塊光柵），適應(yīng)不同光譜波段使用的光柵選擇，覆蓋UV-IR全波段范圍。光柵采用大面積光柵(68×68 mm)，提高了光收集效率。測(cè)試使用的光譜儀焦距500 mm，光柵刻線1200 g /mm，閃耀波長(zhǎng) 600 nm，光譜分辨率可達(dá)到0.05nm左右。

測(cè)試使用的IsCMOS相機(jī)，能夠?qū)崿F(xiàn)低噪聲、高速、超快門控拍照。相機(jī)采用高效超快像增強(qiáng)器和1:1光纖面板耦合工藝技術(shù)，配合>95% 量子效率科研制冷型sCMOS 相機(jī)，具有較低的噪聲和很高的光電轉(zhuǎn)化效率，可以探測(cè)微弱的光譜信號(hào)，有助于LIBS對(duì)痕量元素或弱發(fā)射元素的分析。*短光學(xué)快門寬度小于3 ns，延遲與門控精度為10 ps，內(nèi)置時(shí)序控制器DDG，滿足LIBS對(duì)光譜采集延時(shí)和門寬的需求。

圖2 IsCMOS相機(jī)自動(dòng)背景扣除后的本底和汞燈光譜的基線

通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)汞燈和T-Lab ViewIS軟件校準(zhǔn)后，光譜儀掃描拼接譜的光譜準(zhǔn)確度能做到 < 0.2 nm（圖3）。測(cè)試獲得了鋁合金LIBS光譜，如圖4所示，Al元素特征譜線信號(hào)明顯，譜峰位置偏移量小，譜線輪廓清晰。通過(guò)T-Lab ViewIS軟件不同中心波長(zhǎng)掃描多次成譜，可以生成大范圍LIBS光譜（圖5）。

圖3 汞燈的掃描拼接光譜

圖4 鋁合金LIBS光譜(386.7-406.3 nm)

圖5 鋁合金LIBS掃描光譜(200-800 nm)

測(cè)試中采用配套的多芯光纖，通過(guò)線陣排列耦合到光譜儀具有更高的光通量（圖6），搭配上面陣的科學(xué)級(jí)制冷型IsCMOS，裝置具有出色靈敏度，可以檢測(cè)更弱的信號(hào)。本次測(cè)試的LIBS光譜環(huán)境為大氣環(huán)境，樣品除鋁合金還包括PVC（聚氯乙烯）、含Cl混凝土、礦石和空氣（圖7），光譜大致范圍833-843 nm。其中837.594 nm為Cl I譜線，PVC和含Cl混凝土光譜圖中對(duì)應(yīng)該特征譜線位置附近存在相應(yīng)峰。并且在Cl混凝土光譜圖中，在0.4 nm距離的較強(qiáng)譜峰干擾下，該譜峰仍能夠被較為清晰的分辨。雖然不能完*排除O II 837.584nm譜線以及分子和基團(tuán)譜線的影響，但混凝土樣品光譜中極大可能測(cè)到了Cl元素的譜線信號(hào)。

圖6 IsCMOS相機(jī)圖像（標(biāo)準(zhǔn)Hg燈546.07nm譜線）

圖7 PVC（聚氯乙烯）、含Cl混凝土、礦石和空氣的LIBS光譜

參考文獻(xiàn)

[1] Cremers D A, Radziemski L J. Handbook of laser-induced breakdown spectroscopy[M]. Second edition edition. Chichester, West Sussex: Wiley, A John Wiley & Sons, Ltd, Publication, 2013.

[2] Qiu Y, Guo X, Shi M, et al. Plasma dynamics and chlorine emission characteristics on cement pastes using collinear dual-pulse laser-induced breakdown spectroscopy[J]. Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy, 2023, 209: 106799.