LIBS的工作(zuò)原理(lǐ)和(hé)特征分析

           激光弧光光譜（LASS）、激光誘導等離子光譜（LIPS）或者更常見的叫法激光誘導擊穿光譜（LIBS）是一種原子發射光譜，它使用脈沖激光器(qì)作(zuò)為(wèi)激發源。脈沖激光器(qì) ( 比如調Q的Nd:YAG激光器(qì) ) 的輸出激光脈沖被聚焦到被測物體(tǐ)的表面。僅使用小(xiǎo)型激光器(qì)和(hé)簡單的聚焦透鏡，就可(kě)以在激光脈沖的持續時(shí)間(jiān)內(nèi)（典型值是10ns）使被測材料表面的激光功率密度超過1GW/cm2。

在如此之高(gāo)的激光功率密度作(zuò)用下，被測材料表面就會(huì)有(yǒu)幾微克的物質被噴射出來(lái)，這個(gè)過程通(tōng)常被稱為(wèi)激光剝離，同時(shí)材料表面還(hái)會(huì)産生(shēng)壽命很(hěn)短(duǎn)但(dàn)亮度很(hěn)高(gāo)的等離子體(tǐ)，其瞬間(jiān)溫度可(kě)達10,000℃。在這個(gè)熱等離子體(tǐ)中，噴射出來(lái)的物質離解成激發态的原子和(hé)離子。在激光脈沖結束後，由于等離子體(tǐ)以超音(yīn)速向向外擴展所以迅速地冷卻下來(lái)。在這段時(shí)間(jiān)內(nèi)，處于激發态的原子和(hé)離子從高(gāo)能态躍遷到低(dī)能态，并發射出具有(yǒu)特定波長的光輻射。用高(gāo)靈敏度的光譜儀對這些(xiē)光輻射進行(xíng)探測和(hé)光譜分析分析，就可(kě)以得(de)到被測材料的元素構成信息。

在測量時(shí)要使用帶門(mén)控的探測器(qì)來(lái)記錄激光脈沖延遲一段時(shí)間(jiān)後所産生(shēng)的激光等離子體(tǐ)的光輻射，這是由于隻有(yǒu)在等離子體(tǐ)已經膨脹并開(kāi)始冷卻時(shí)才會(huì)出現原子或者離子的特征輻射譜線。

對材料的微損檢測
由于測量過程中隻消耗極微小(xiǎo)的一部分物質，LIBS可(kě)以說是真正的非破壞測量。由于入射到樣品上(shàng)的平均功率還(hái)不到1W，激光對樣品的加熱也基本可(kě)以忽略不計。理(lǐ)論上(shàng)講，LIBS可(kě)以實現對任何物質的元素分析，不論它是什麽物理(lǐ)狀态。固體(tǐ)、液體(tǐ)、氣體(tǐ)甚至混合狀态的，都可(kě)以分析。已經成功的分析過的樣品包括了軟泥、泥漿、礦石、廢料、污水(shuǐ)等等。

遠程分析能力
由于LIBS技術實質上(shàng)是一個(gè)全光學的技術，隻需用光接觸被測樣品即可(kě)完成分析。所以LIBS技術可(kě)以用來(lái)進行(xíng)遠程分析。通(tōng)常可(kě)以使用一個(gè)望遠鏡系統在10米遠處進行(xíng)分析，或者使用光纖探頭在100米外進行(xíng)分析。這個(gè)特點使得(de)LIBS技術特别适合對危險或高(gāo)溫材料進行(xíng)分析，或在非常惡劣的環境中使用。

無需樣品預處理(lǐ)
LIBS技術可(kě)以直接對材料進行(xíng)分析，而不需要對材料做(zuò)任何預處理(lǐ)。 但(dàn)如果樣品表面塗覆有(yǒu)其他物質（比如氧化的或者塗層的鋼材）時(shí)，則要用激光先把樣品表面的塗層清理(lǐ)幹淨，把下面的被測材料暴露出來(lái)，才能對樣品做(zuò)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(tōng)常對于幾百微米厚的氧化物、油污或者塗層，使用一個(gè)小(xiǎo)巧的低(dī)功率激光器(qì)就可(kě)以很(hěn)快清除幹淨。此外，激光等離子體(tǐ)産生(shēng)的超聲震波對去除半流體(tǐ)或者粘滞性污物有(yǒu)非常好的效果。例如，利用 LIBS技術可(kě)以分析表面裹有(yǒu)幾厘米厚的氫氧化鎂礦泥的金屬。

定量分析微量元素
對LIBS系統進行(xíng)定标後就可(kě)以對基體(tǐ)材料中的微量元素進行(xíng)定量分析，比如分析鋼材中的鉻、鋁合金中的鎂、玻璃中的鐵(tiě)、硫酸銅中的銅等。定标時(shí)要使用經過鑒定的樣品材料，這個(gè)樣品材料與被測材料具有(yǒu)相同的基體(tǐ)，但(dàn)含有(yǒu)不同含量的被分析元素。在分析時(shí)通(tōng)常采用所謂的“內(nèi)部标準化"的過程，即把被分析元素的譜線強度和(hé)基體(tǐ)材料的譜線強度進行(xíng)比較，這樣就可(kě)以減少(shǎo)由于激光的脈沖 - 脈沖能量不一緻性所導緻的等離子體(tǐ)條件變化對測量結果的影(yǐng)響。要想得(de)到好的分析結果就要對LIBS的硬件進行(xíng)仔細的設計并采用合适的測量方法。LIBS系統測量的靈敏度與許多(duō)因素有(yǒu)關：被分析物和(hé)基體(tǐ)材料的結合方式， LIBS系統和(hé)被測樣品的距離，以及是否需要遙測等。LIBS系統測量結果的正确性可(kě)優于10% ，精度可(kě)優于5%。

測量速度快、非接觸測量
在許多(duō)情況下，隻用一個(gè)激光脈沖就可(kě)以進行(xíng)樣品分析，所以LIBS系統能夠非常快速地對 樣品進行(xíng)快速分析。再加上(shàng)可(kě)以非接觸測量的特點，使得(de)LIBS系統在廢金屬、合金和(hé)塑料回收工業中就顯得(de)非常重要，此時(shí) 的被測樣品在傳送帶上(shàng)飛速移動，需要系統的測量速度要非常快，再沒有(yǒu)其他技術比LIBS技術更适合在這個(gè)領域應用了。

分層結構和(hé)表面塗層的深度輪廓分析
由于激光可(kě)以以一種可(kě)控的方式來(lái)清除表面塗層，因此分層結構的深度輪廓分析可(kě)以用LIBS技術來(lái)進行(xíng)。 在激光不斷“鑽入"到被測材料中的同時(shí)用光譜儀對其産生(shēng)的光輻射進行(xíng)光譜測量，就可(kě)以得(de)到被測材料的構成成分元素随深度變化的函數。通(tōng)常這一技術隻能用于那(nà)些(xiē)在典型LIBS系統中激光器(qì)的參數下比較容易去除的材料。比如在鋼材上(shàng)鋅鍍的過程控制(zhì)中的成分分析，探測油漆中的重金屬（鉛、鈾、钚等），檢測混凝土的成分污染等。

• 上(shàng)一篇：光譜輻照度儀在紫外老化測量方面的應用
• 下一篇：淺談怎麽利用光譜儀器(qì)測量物體(tǐ)表面的反射光線