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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深度。激光脈沖瞬間將樣品表面的微小部分蒸發(fā)帶動擴大，并生成高溫、高能的等離子體開拓創新。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)的光子持續發展，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)行分析綜合運用，即可得到樣品的元素成分供給。

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)（氣實事求是、固進行探討、液）落到實處、全元素同步分析、快速最新、實(shí)時(shí)技術創新、在線(xiàn)原位、遠(yuǎn)程等特點(diǎn)重要作用，在元素分析領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用持續向好。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(xiàn)檢測(cè)和便攜式應(yīng)用中充足。

對(duì)于LIBS裝置來(lái)說(shuō)進展情況，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)綠色化發展，通常包括大量的發(fā)射線(xiàn)至關重要，這些發(fā)射線(xiàn)可能來(lái)自樣品中的不同元素、不同的電子能級(jí)躍遷用上了，或是在等離子體的不同物理?xiàng)l件下產(chǎn)生提升行動。這些發(fā)射線(xiàn)可能存在重疊、交叉甚至是極其接近的情況關註，準(zhǔn)確解析這些光譜信息變得極為挑戰(zhàn)研究進展。光譜儀的分辨率決定了它能否將靠得很近的光譜線(xiàn)有效區(qū)分開(kāi)。如果光譜儀的分辨率不足連日來，兩個(gè)發(fā)射線(xiàn)會(huì)被混淆快速融入，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)尤其重要提單產，因?yàn)楹哿吭氐陌l(fā)射線(xiàn)通常較弱且容易被強(qiáng)信號(hào)掩蓋深入實施。高分辨率的光譜儀可以將這些發(fā)射線(xiàn)分開(kāi)，確保每個(gè)元素的特征光譜得以清晰捕捉和準(zhǔn)確分析發展空間。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)鍵作用有所應。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)條件而差異顯著足了準備，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著力提升，微弱的光譜信號(hào)可能會(huì)被背景噪聲淹沒(méi)深刻內涵，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(xiàn)融合，還能顯著提高信噪比深入闡釋，使得即使在復(fù)雜背景下，也能獲得可靠的光譜數(shù)據(jù)完成的事情。

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物聯與互聯，在LIBS的測(cè)試中表現(xiàn)出良好的效果穩定。

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)的脈沖激光器供給，激發(fā)波長(zhǎng)為1064 nm優勢與挑戰。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軟件解決方案，可以輕松獲取趨勢、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上高質量，320 mm一站式服務，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）深入交流，適應(yīng)不同光譜波段使用的光柵選擇管理，覆蓋UV-IR全波段范圍。光柵采用大面積光柵(68×68 mm)雙向互動，提高了光收集效率效率和安。測(cè)試使用的光譜儀焦距500 mm，光柵刻線(xiàn)1200 g /mm品牌，閃耀波長(zhǎng) 600 nm深入開展，光譜分辨率可達(dá)到0.05nm左右。

測(cè)試使用的IsCMOS相機(jī)應用，能夠?qū)崿F(xiàn)低噪聲宣講手段、高速服務機製、超快門(mén)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)穩定發展，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)尤為突出，有助于LIBS對(duì)痕量元素或弱發(fā)射元素的分析有效性。*短光學(xué)快門(mén)寬度小于3 ns，延遲與門(mén)控精度為10 ps線上線下，內(nèi)置時(shí)序控制器DDG發揮重要作用，滿(mǎn)足LIBS對(duì)光譜采集延時(shí)和門(mén)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(xiàn)

通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)汞燈和T-Lab ViewIS軟件校準(zhǔn)后數據顯示，光譜儀掃描拼接譜的光譜準(zhǔn)確度能做到 < 0.2 nm（圖3）高質量。測(cè)試獲得了鋁合金LIBS光譜，如圖4所示記得牢，Al元素特征譜線(xiàn)信號(hào)明顯註入了新的力量，譜峰位置偏移量小，譜線(xiàn)輪廓清晰更多可能性。通過(guò)T-Lab ViewIS軟件不同中心波長(zhǎng)掃描多次成譜去創新，可以生成大范圍LIBS光譜（圖5）足夠的實力。

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(xiàn)陣排列耦合到光譜儀具有更高的光通量（圖6）又進了一步，搭配上面陣的科學(xué)級(jí)制冷型IsCMOS多種場景，裝置具有出色靈敏度，可以檢測(cè)更弱的信號(hào)規劃。本次測(cè)試的LIBS光譜環(huán)境為大氣環(huán)境擴大公共數據，樣品除鋁合金還包括PVC（聚氯乙烯）、含Cl混凝土帶動擴大、礦石和空氣（圖7）核心技術體系，光譜大致范圍833-843 nm。其中837.594 nm為Cl I譜線(xiàn)持續發展，PVC和含Cl混凝土光譜圖中對(duì)應(yīng)該特征譜線(xiàn)位置附近存在相應(yīng)峰必然趨勢。并且在Cl混凝土光譜圖中，在0.4 nm距離的較強(qiáng)譜峰干擾下擴大，該譜峰仍能夠被較為清晰的分辨發展的關鍵。雖然不能完*排除O II 837.584nm譜線(xiàn)以及分子和基團(tuán)譜線(xiàn)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(xiàn)信號(hào)規模設備。

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

圖7 PVC（聚氯乙烯）真諦所在、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.