LIBS的工作原理和特征分析

           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。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(cè)物體的表面。僅使用小型激光器和簡(jiǎn)單的聚焦透鏡，就可以在激光脈沖的持續(xù)時(shí)間內(nèi)（典型值是10ns）使被測(cè)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(cè)材料表面就會(huì)有幾微克的物質(zhì)被噴射出來(lái)，這個(gè)過程通常被稱為激光剝離，同時(shí)材料表面還會(huì)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(gè)熱等離子體中，噴射出來(lái)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(lái)。在這段時(shí)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(zhǎng)的光輻射。用高靈敏度的光譜儀對(duì)這些光輻射進(jìn)行探測(cè)和光譜分析分析，就可以得到被測(cè)材料的元素構(gòu)成信息。

在測(cè)量時(shí)要使用帶門控的探測(cè)器來(lái)記錄激光脈沖延遲一段時(shí)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(shí)才會(huì)出現(xiàn)原子或者離子的特征輻射譜線。

對(duì)材料的微損檢測(cè)
由于測(cè)量過程中只消耗極微小的一部分物質(zhì)，LIBS可以說(shuō)是真正的非破壞測(cè)量。由于入射到樣品上的平均功率還不到1W，激光對(duì)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(duì)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(gè)全光學(xué)的技術(shù)，只需用光接觸被測(cè)樣品即可完成分析。所以LIBS技術(shù)可以用來(lái)進(jìn)行遠(yuǎn)程分析。通?？梢允褂靡粋€(gè)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(gè)特點(diǎn)使得LIBS技術(shù)特別適合對(duì)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(wú)需樣品預(yù)處理
LIBS技術(shù)可以直接對(duì)材料進(jìn)行分析，而不需要對(duì)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(shí)，則要用激光先把樣品表面的涂層清理干凈，把下面的被測(cè)材料暴露出來(lái)，才能對(duì)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(duì)于幾百微米厚的氧化物、油污或者涂層，使用一個(gè)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(duì)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(duì)LIBS系統(tǒng)進(jìn)行定標(biāo)后就可以對(duì)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(shí)要使用經(jīng)過鑒定的樣品材料，這個(gè)樣品材料與被測(cè)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(shí)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(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。要想得到好的分析結(jié)果就要對(duì)LIBS的硬件進(jìn)行仔細(xì)的設(shè)計(jì)并采用合適的測(cè)量方法。LIBS系統(tǒng)測(cè)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(cè)樣品的距離，以及是否需要遙測(cè)等。LIBS系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果的正確性可優(yōu)于10% ，精度可優(yōu)于5%。

測(cè)量速度快、非接觸測(cè)量
在許多情況下，只用一個(gè)激光脈沖就可以進(jìn)行樣品分析，所以LIBS系統(tǒng)能夠非?？焖俚貙?duì) 樣品進(jìn)行快速分析。再加上可以非接觸測(cè)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(shí) 的被測(cè)樣品在傳送帶上飛速移動(dòng)，需要系統(tǒng)的測(cè)量速度要非?？欤?zèng)]有其他技術(shù)比LIBS技術(shù)更適合在這個(gè)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(lái)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(lái)進(jìn)行。 在激光不斷“鉆入"到被測(cè)材料中的同時(shí)用光譜儀對(duì)其產(chǎn)生的光輻射進(jìn)行光譜測(cè)量，就可以得到被測(cè)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(cè)油漆中的重金屬（鉛、鈾、钚等），檢測(cè)混凝土的成分污染等。

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