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LIBS 激光誘導解析光譜系統

激光誘導擊穿光譜，“Laser Induced Breakdown Spectroscopy, LIBS”，是基于脈沖激光技術、時間分辨高分辨全譜直讀技術的一種元素分析方法，廣泛應用于物質分析、成份檢測、污染及有害物分析、物質鑒定、激光加工過程分析等領域。
一、原理
1.1 LIBS 在本質上是一種原子發射光譜技術。
任何元素的原子，可被外界能量激發到激發態，從激發態躍遷回到基態或中間態時會輻射出光子；這種發射光的波長分布稱為原子發射光譜。
原子發射光譜有兩大特征：1）通常而言，原子發射光譜為系列線譜；2）譜線的位置、相對強度僅跟原子序數及所處的電離態有關，與其它因素無關（不考慮同位素發射譜之間的精細差別），不同元素的發射譜不相同。目前所知的元素，其發射光譜均有詳盡的數據，因此，原子發射光譜是常用的元素分析的工具。

作為原子發射光譜的一種，LIBS通常采用納秒脈寬、1064nm的高功率Nd:YAG脈沖激光器，對樣品進行離化、加熱；采用時間分辨的高分辨率全譜直讀光譜儀進行探測。
因此，LIBS是一種采用激光作為離化、加熱裝置的新型時間分辨原子發射光譜技術。
1.2 LIBS的具體過程
短脈沖激光（數十mJ，<10ns）被聚焦到1GW/cm^2量級，入射到樣品上（可為固體、液體甚至氣體）；
樣品離化成為等離子體；
激光加熱等離子體，局部*高電子溫度可達十萬K；
激光脈沖中止，等離子體熱平衡，平衡溫度約為一萬K左右；
平衡后離子獲得足夠能量并開始膨脹，等離子體進一步降溫；此期間輻射主要是黑體輻射和軔致輻射，其表現為紫外～可見～近紅外連續譜，并隨時間逐漸紅移；
約10微秒時間以后，等離子體溫度降低，此時輻射以離子與電子復合輻射為主，表現為紫外～可見的分立線譜；此即需要探測的元素發射光譜。
1.3 LIBS對儀器設備的要求
一臺能量足夠的、帶同步內外觸發的納秒脈沖激光器；
延時脈沖發生器；
分辨率達到0.1nm及以下，并能全譜直讀的光譜儀*；
帶延時及門控（至少微秒量級）的探測器。
對分辨率和覆蓋范圍的要求，都來自于元素分辨的需求。原子發射光譜非常復雜，要區分不同的元素的相近譜線，需要相當好的分辨率和準確性；同時，通過比對多條譜線（同一元素的不同價態的譜系）來確定一個元素是準確的方法，因此，光譜覆蓋范圍要求達到紫外～可見。
二、LIBS技術優勢
2.1與其它類型的原子發射光譜技術相比，LIBS具備以下優勢：
無損或微損檢測。LIBS測量中，激光僅僅作用于微米量級的區域，對樣品基本無損；
基本無需樣品制備，避免了樣品在制備中的污染；
可通過重復測量一個點，對樣品表層以下做成分分析，或避免表面污染的影響；
可以通過機械結構對樣品表面進行掃描，做Mapping分析；
適用于幾乎任何形態的樣品：固體；液體；氣體。適用于各種體系的元素分析：化合物、溶液、懸濁與懸浮混合物、合金等；
相對于其它原子發射光譜技術，LIBS實驗非常快速便捷，通常幾秒鐘就能出結果；
LIBS純光學技術，這意味著實驗裝置和樣品間只有光學接觸，系統可以很方便的跟其它光學裝置（望遠鏡、顯微鏡、光纖），實現微區測量、遠程測量甚至遙測；
LIBS系統可儀器化、全固化、小型化及整體化，相對于大型實驗室分析設備，有極強的移動性和靈活性，可很方便的用于現場測量；
儀器對于供電等配套要求非常簡單（無須大功率供電產生射頻電磁場），有極強的環境適應能力（無須氧氣及氧化劑，對有害氣體不敏感，全固化系統可防震、凍、熱、塵），因此可適用在極端場合；作為一個典型案例，因為便攜式XRF被證明在塵土環境中不適用，因此美國已經用LIBS系統代替XRF系統用于火星表面成份探測;
2.2與其它元素分析方式（XRF）相比，LIBS具備以下優勢：
對輕元素（如氮等）的鑒別能力遠遠超過XRF；實踐中的XRF只能測量納及更重的元素；
測量過程中不使用高能射線，不會穿透樣品，對人體無害。
三、應用
作為一種元素分析技術，LIBS的主要應用包括：
1)化學、材料領域，實驗室用成份分析；
2)冶金工業領域，合金成分分析，雜質成份分析；
3)激光加工（脈沖激光切鉆焊、脈沖激光沖擊強化）科研級應用中，中間過程分析；
4)能源及礦產領域：石油、煤炭等成份分析；
5)機械動力領域科研級應用：如航空潤滑油金屬微粒分析；
6)地質探礦，地質考古；
7)文物古籍鑒定（古銅、鐵、瓷、玉鑒定，書畫油墨鑒定）；
8)國防和安全：管制物品（如炸藥）檢測；生化武器監控；
9)建筑：建筑材料（石、磚、瓷、玻璃等）分析；
10)刑偵和鑒定：牙齒骨骼頭發元素分析；寶石、貴金屬元素分析；
11)環境分析：RoHS檢測：工業及民用產品中有害元素檢測；水中污染物監測：重金屬離子及總氮（TN）、總磷（TP）含量檢測；煙塵及氣體排放中有害元素檢測；土壤重金屬污染檢測及總氮檢測；
12)農林業：農作物、木材有害成份檢測

土壤和蕃茄葉片的殘留有害元素含量檢測
四、儀器組成
典型的LIBS裝置應該由如下部分組成:

LIBS系統簡圖
1、激光：一般用納秒量級，數十毫焦能量以上的固體激光，1064nm或532nm；
2、延時脈沖發生器：在精度在微秒及以下的延時脈沖發生器；
3、光搜集裝置：透鏡+光纖；
4、光譜儀和探測器：分辨率在0.1nm及更好的光譜儀；門控在微秒及以下的多通道探測器。
五、相關產品

先鋒科技可提供高端研究級LIBS系統的全套設備：
1）法國Quantel公司 Brilliant、CFR、Ultra系列激光器，也可選配OPO激光器；1064nm能量從50mJ ～ 850mJ/pulse；
Brilliant系列激光器為緊湊型固體Nd:YAG激光器，模塊化結構，方便組配多個波長。即插即用型激光器，無須調試，非常適合實驗室使用，也可移動使用；
CFR/Ultra激光器為按照美國軍標生產的緊湊型激光器；其抗震、耐溫、耐惡劣環境的特征，及小巧的激光頭與電源的體積，使得該類型激光器非常適合移動使用。
2）美國DG535/DG645脈沖發生器
四通道數字脈沖延時發生器；
0-999秒延時可控；
5ps延時分辨率，<50ps抖動，<1.5ns 延時精度
3）英國Andor公司Mechelle中階梯光柵光譜儀
商品化中階梯光柵光譜儀
全譜直讀：200nm ～ 975nm光譜覆蓋范圍，可探測所有元素的原子發射光譜；
高分辨率：光譜分辨能力（l/Dl）= 5000（0.1nm @ 500nm）；
分光結構，光學交叉干擾<10^-2；
自動溫度補償，有效保持波長準確性；
豐富的配件（建議選配）
1.光收集器，用于收集LIBS信號并通過光纖傳導到光譜儀；
2.用于波長校準的汞氬燈標準光源
3.用于強度校準的復合光源（定量分析用）
Andor-Solis軟件，包括所有的元素譜線位置，自動分析樣品成份
4）英國Andor公司iStar ICCD探測器
180nm ～ 850nm響應，覆蓋全部元素光譜
2ns門寬，帶來精細的時間分辨能力和低占空比信號檢出能力；
ICCD具備10³量級的光增益，系統靈敏度大為提高，非常有利于檢出微量、痕量元素組分
5）選配組件基于先鋒科技強大的系統整合能力，可為用戶提供實驗所需的光學調整架、光學平臺、透鏡等光學元件，及部分實驗所需的樣品室、電控及手動平移臺等等產品，提供完整的LIBS實驗平臺。

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