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進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)的原子和離子通過激發(fā)態(tài)回到基態(tài)時發(fā)射出特定波長的光子,，不同元素的光譜具有特定的波長和強度,，通過光譜儀采集這些光信號并進行分析,，即可得到樣品的元素成分,。

LIBS技術(shù)因其制樣簡單或無需制樣、適用于各種形態(tài)的物質(zhì)（氣,、固,、液）、全元素同步分析,、快速,、實時、在線原位,、遠程等特點,，在元素分析領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用,。隨著儀器技術(shù)的不斷進步，LIBS的應(yīng)用范圍也從實驗室擴展到工業(yè)在線檢測和便攜式應(yīng)用中,。

對于LIBS裝置來說,，光譜儀和探測器的分辨率和靈敏度是至關(guān)重要的兩個性能指標。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,，通常包括大量的發(fā)射線,，這些發(fā)射線可能來自樣品中的不同元素、不同的電子能級躍遷,，或是在等離子體的不同物理條件下產(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。如果光譜儀的分辨率不足,，兩個發(fā)射線會被混淆,，導(dǎo)致誤判或無法正確解析某些元素的存在。這對于痕量元素的檢測尤其重要,，因為痕量元素的發(fā)射線通常較弱且容易被強信號掩蓋,。高分辨率的光譜儀可以將這些發(fā)射線分開，確保每個元素的特征光譜得以清晰捕捉和準確分析,。靈敏度則決定了光譜儀能否檢測到微弱的光譜信號,，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)射信號相對較弱,。如果光譜儀的靈敏度不足，微弱的光譜信號可能會被背景噪聲淹沒,，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的測試中表現(xiàn)出良好的效果,。

測試效果展示

LIBS測試裝置示意圖如下所示。激光器使用納秒量級的脈沖激光器,，激發(fā)波長為1064 nm,。光譜儀和相機使用本公司自研的Omni系列小型化C-T結(jié)構(gòu)光譜儀和IsCOMS相機，搭配配套開發(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,，光譜儀采用多光柵塔臺設(shè)計（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,。測試使用的光譜儀焦距500 mm,，光柵刻線1200 g /mm，閃耀波長 600 nm,，光譜分辨率可達到0.05nm左右,。

測試使用的IsCMOS相機，能夠?qū)崿F(xiàn)低噪聲,、高速,、超快門控拍照。相機采用高效超快像增強器和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,，具有較低的噪聲和很高的光電轉(zhuǎn)化效率,，可以探測微弱的光譜信號,，有助于LIBS對痕量元素或弱發(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)置時序控制器DDG，滿足LIBS對光譜采集延時和門寬的需求,。

圖2 IsCMOS相機自動背景扣除后的本底和汞燈光譜的基線

通過標準汞燈和T-Lab ViewIS軟件校準后,，光譜儀掃描拼接譜的光譜準確度能做到 < 0.2 nm（圖3）。測試獲得了鋁合金LIBS光譜,，如圖4所示,，Al元素特征譜線信號明顯，譜峰位置偏移量小,，譜線輪廓清晰,。通過T-Lab ViewIS軟件不同中心波長掃描多次成譜，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)

測試中采用配套的多芯光纖,，通過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)級制冷型IsCMOS,，裝置具有出色靈敏度,，可以檢測更弱的信號,。本次測試的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譜線的影響,，但混凝土樣品光譜中極大可能測到了Cl元素的譜線信號,。

圖6 IsCMOS相機圖像（標準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

[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.