激光诱导击穿光谱技术成分面扫描分析与应用

为分析和检测铁矿石表面多成分的分布情况,采用532 nm Nd∶YAG脉冲激光,设计面扫描分析方法,结合自行开发的软件,首先对标准样品进行面扫描分析,建立定标曲线,说明元素含量与谱线强度的关系。然后对由标准样品压制的表面元素含量分布不均匀的样品进行面扫描分析,生成二维分布图,并与样品表面形貌进行比较,验证了分析方法的正确性。最后以100 μm的分辨率对天然铁矿石样品表面14 mm×11 mm范围内进行面扫描分析,得到其表面Ca,Al,Ti和Mn四种元素的分布情况,并将分析结果与铁矿石表面形貌相比较。结果表明,激光诱导击穿光谱技术作为一种成分分析方法,可以对不均匀样品的表面成分分布情况进行定性分析。     

激光诱导击穿光谱定量分析玉石中的Mg,Fe和Ca

基于对样品进行的激光诱导击穿光谱和X射线荧光光谱分析测试建立了天然玉石中主要元素Mg,Ca和微量元素Fe的定标曲线。实验采用纳秒级的Nd∶YAG激光器(波长:1 064nm)为光源,在延迟时间为3μs,激光脉冲累积数量为110,单个脉冲能量为100mJ,脉冲重复频率为10Hz的实验条件下,采用激光诱导击穿光谱技术装置对天然南阳独山玉石样品中的元素进行等离子体激发测试,得到波长在300~1 000nm的等离子光谱图。通过将得到的光谱图中特征峰与美国国家标准与技术研究院数据库进行对比,发现测试样品中含有Mg,Fe和Ca等元素,以X射线荧光光谱分析技术对四种南阳独山玉标准样品中测量出的Mg,Fe和Ca元素氧化物含量作为标准数据,选取含量比较高的Al元素作为内标元素,采用内标法对玉石光谱图中Mg,Fe和Ca元素特征峰值进行线性拟合,从而得出Mg,Fe和Ca三种元素的定标曲线,求出待测样品中这3种元素氧化物的含量,结果表明这三种元素氧化物的含量与中国珠宝宝石收藏鉴赏全集资料中所给出的元素氧化物含量的百分比范围MgO(0.28%~1.73%),Fe2O3(0~0.8%),CaO(18%~20%)相符合,相比于常用的方法,激光诱导击穿光谱技术可以快速地对待测样品进行检测,样品预处理简单且对样品损害较小。进一步验证了激光诱导击穿光谱技术对于玉石应用的可行性。     

用高重频激光剥离-火花诱导击穿光谱分析铝合金样品

为了提高基于等离子体原子发射光谱元素分析技术的分析速度,在高重复频率的前提下建立了一套激光剥离-火花诱导击穿光谱元素分析系统并以铝合金为样品开展了光谱分析。实验以低脉冲能量的声光调Q固体激光脉冲剥离样品,并触发高压火花放电以增强等离子体辐射、提高光谱分析灵敏度。研究结果表明： 在高重频火花放电的作用下,等离子体辐射的峰值强度和弛豫时间分别得到了增强和延长,信号的时间积分强度增强因子可以达到1～2个数量级,且更易于实现时间分辨的信号检测。对铝合金中微量铬元素分析的检出限可达~132 ppm。该研究验证了高重频激光剥离-火花诱导击穿光谱用于分析固体样品元素的可行性,其技术有望在固体样品元素的快速分析中发挥一定的作用。该光谱技术能同时兼顾扫描成像的速度、空间分辨率和光谱分析灵敏度,并为固体样品的二维或者三维元素分布的高分辨快速扫描成像分析提供了一种很好的技术途径。     

单脉冲和再加热正交双脉冲激光诱导击穿光谱对比研究

为了提高激光诱导击穿光谱技术(LIBS)的检测灵敏度和辐射光谱特性,采用再加热正交双脉冲结构对样品中的4种元素Fe,Pb,Ca和Mg以及含有不同浓度重金属元素Cr的土壤样品进行分析。研究了4条特征谱线FeⅠ：404.581 nm,PbⅠ：405.78 nm,CaⅠ：422.67 nm和MgⅠ：518.361 nm的光谱强度和信背比随两激光脉冲之间时间间隔的变化关系,获得了两激光脉冲之间最佳的时间间隔为1.0 μs。在单脉冲和双脉冲条件下,得到了4条特征谱线FeⅠ：404.581 nm,PbⅠ：405.78 nm,CaⅠ：422.67 nm和MgⅠ：518.361 nm光谱强度的增强倍数分别为2.23,2.31,2.42和2.10;分析了特征谱线FeⅠ：404.581 nm和CaⅠ：422.67 nm谱线强度随时间的演化特性以及4条特征谱线信背比随光谱采集延时的变化关系,双脉冲能有效延长光谱强度的衰减时间以及提高特征谱线的信背比;比较分析了等离子体温度和电子密度随时间的演化特性,在双脉冲条件下,等离子体温度最大升高了730 K,电子密度最大增加了1.8×1016 cm-3。单脉冲和双脉冲条件下获得重金属元素Cr的检测限分别为38和20 μg·g-1,再加热正交双脉冲技术使元素检测限下降近2倍。以上结果表明：再加热正交双脉冲能有效地提升LIBS技术的检测灵敏度和光谱特性,为进一步降低元素的检测限提供了有效的方法。     

土壤中重金属元素的双脉冲激光诱导击穿光谱研究

基于正交预烧蚀双脉冲激光诱导击穿光谱(DP-LIBS) 技术对长春市四个地点地表土壤样品中的重金属元素进行了研究, 根据光谱线强度定性分析了重金属元素Mn, Cr, Cu, Pb含量.实验结果发现, 在532和1064 nm激光脉冲能量分别为70和100 mJ的条件下光谱增强随延时的变化出现双峰结构. 脉冲间延时20 μs时, Mn I 406.4 nm光谱增强幅度达到2.75倍, 延时为30 μs时出现第二个尖峰, 增强幅度为2.4倍.最后对正交预烧蚀DP-LIBS光谱增强机理进行了讨论. 关键词： 预烧蚀 双脉冲激光诱导击穿光谱 光谱增强 土壤污染     

皮秒双脉冲LA-LIBS对合金样品的微损元素分析

研究了基于一台皮秒Nd∶YAG激光器实现合金样品的双脉冲激光剥离-激光诱导击穿光谱(LA-LIBS)微损元素分析。实验采用低能量的532 nm二倍频激光烧蚀并剥离出微量样品,然后采用较高能量的延时1064 nm激光对剥离出的样品进行二次激发,以增强等离子体中的原子辐射强度和提高光谱检测灵敏度。实验分别研究了烧蚀激光脉冲和二次激发光脉冲的能量对信号强度的影响。在烧蚀激光脉冲能量为10 μJ,二次激发光脉冲能量为2.5 mJ的条件下,LA-LIBS中Cu Ⅰ 324.75 nm原子谱线的强度与单脉冲LIBS相比改善了86倍,激光烧蚀坑洞的直径小于10 μm。研究表明：基于一台皮秒Nd∶YAG激光器,采用双脉冲LA-LIBS技术可以较好地实现对固体样品的微损元素分析。该技术在贵重样品分析和高空间分辨的二维元素显微分析中具有一定的应用价值。     

银饰品中铜杂质含量的激光剥离—激光诱导击穿光谱定量分析

正交双波长双脉冲的激光剥离—激光诱导击穿光谱技术能够在较少样品烧蚀的前提下获得高的光谱分析灵敏度,因此该技术可以从根本上解决在单脉冲激光诱导击穿光谱技术中空间分辨本领与光谱分析灵敏度之间的矛盾。为了消除在该光谱技术中的实验参数对光谱信号强度及其定量分析结果的影响,实验研究了银饰品中杂质铜的光谱信号与银元素的光谱信号的相关性。研究结果表明：324.75 nm的铜原子辐射线与328.07 nm的银原子辐射线的强度呈很高的线性相关性,因此选择以银328.07 nm的光谱线作为内标线,采用内标法就可以消除双光束激光的空间几何配置以及剥离激光脉冲能量等实验参数对铜原子辐射信号的影响,从而可以采用正交双波长双脉冲激光剥离——激光诱导击穿光谱技术开展银饰品中铜杂质含量的定量分析。选择银328.07 nm的光谱线作为内标线,基于内标法建立了铜的校正曲线。当激光烧蚀坑洞直径约为17 μm时, 当前实验条件下银饰品中铜元素的检出限可以达到44 ppm。     

共线DP-LIBS定量分析水中Cu含量的试验研究

为研究双脉冲激光诱导击穿光谱(DP-LIBS)对水体中铜(Cu)元素检测灵敏度的影响,采用共线双脉冲LIBS检测装置对所配置的含Cu水溶液进行激光诱导击穿光谱试验。结果显示：与运用单脉冲激光诱导击穿光谱(SP-LIBS)检测水体中Cu元素相比,运用DP-LIBS探测到的光谱明显增强,并且其检测结果受光谱仪采集的延迟时间、两脉冲之间的脉冲延迟时间、双脉冲激光能量等因素的影响显著。确定最佳的试验条件为：光谱采集延迟时间为1 380 ns,脉冲延迟时间为25 ns,双脉冲激光能量为100 mJ。分别对铜元素324.7和327.4 nm的特征谱线进行定量分析,两谱线的检测限分别是3.5和4.84 μg·mL-1,且相对标准偏差都在10%以内。用500 μg·mL-1样品对特征谱线为324.7 nm所建立的定标曲线进行验证,反演得出该样品的浓度为446 μg·mL-1,相对误差为10.8%。研究表明DP-LIBS能够提高Cu元素的检测灵敏度,同时具有较高的稳定性。     

用激光点火辅助火花诱导击穿光谱技术实现铝合金的高灵敏元素分析

报道了采用激光点火辅助火花诱导击穿光谱技术分析铝合金中痕量元素时的分析行为。用低能量激光脉冲聚焦于样品表面并在放电电极之间产生等离子体来触发高压火花放电以改善火花诱导击穿光谱技术的分析行为。在当前空间几何配置下,研究得到了最佳的放电电压和储能电容等参数并在最佳实验条件下分析了样品中的铜元素,其检出限达到0.7 ppm。激光点火的辅助手段改善了火花诱导击穿光谱技术在元素分析时信号的稳定性、提高了分析精度。同时它还能够有效地降低放电电压,改善其空间分辨本领。研究表明激光点火辅助火花诱导击穿光谱技术具有灵敏度高、稳定性好以及具有较好的空间分辨本领的特点,非常适合于各种合金中的痕量元素分析。     

激光诱导击穿光谱在材料表面分析领域中的应用进展

激光诱导击穿光谱作为表面分析工具是近十年发展起来的,对表面分析基础理论、仪器装置及其在材料科学领域中的应用进行详细的综述。重点阐述了激光诱导击穿光谱在国内外冶金、半导体、电子等材料科学领域中的元素分布分析及镀层分析应用进展,指出激光束单个脉冲能量、环境气体及气压、激光束能量分布等参数对分辨率的影响,同时指出在兼顾灵敏度的前提下提高分辨率的途径。与传统经典表面分析工具相比较具有扫描面积大、分析速度快及样品导电与否均可分析等优点,成为传统表面分析工具的有力补充。     

火花放电辅助-激光诱导击穿光谱技术中的放电通道特性研究

以门控脉冲高压电源作为火花放电电源,研究了火花放电辅助-激光诱导击穿光谱中放电通道与火花放电相对于激光脉冲之间延时的关系.研究结果表明:在合理的剥离激光能量和电极空间布置下,调节该延时可以实现由"V"字形放电到平行放电的转变.在"V"字形放电时,火花放电会扩大烧蚀坑洞的直径、破坏横向空间分辨率;而在平行放电情况下,火花放电不会扩大烧蚀坑洞的直径,从而保证其横向空间分辨率仅由激光剥离来决定.在平行放电的条件下开展了铝合金中铬元素的火花放电辅助-激光诱导击穿光谱定量分析,其检出限达到了8.8ppm,比单纯的激光诱导击穿光谱技术的分析结果改善了8倍.在火花放电辅助-激光诱导击穿光谱技术中采用带外触发控制的火花放电模式,可以实现平行放电和高横向空间分辨的样品表面元素分析.     

基于激光诱导击穿光谱技术定量分析食用明胶中的铬元素

利用激光诱导击穿光谱技术对食用明胶样品中的铬元素进行定量分析.采用Nd:YAG脉冲激光器三倍频输出的355 nm激光诱导击穿食用明胶产生激光等离子体,测量等离子发射光谱.实验数据表明:使用内标法定量分析食用明胶样品中铬元素浓度分别为10—200 ppm(1 ppm=10-6)时,铬元素含量与分析谱线(CrI:245.43 nm)强度之间具有很好的线性关系.分析了光谱探测延迟时间对明胶中铬元素激光诱导击穿光谱的影响,利用信号强度与信噪比获得了优化的光谱探测延迟时间实验参数.     

双飞秒激光脉冲诱导击穿光谱增强特性研究

在大气环境中,以钴为样品,通过单脉冲飞秒激光诱导击穿光谱及共轴双飞秒脉冲激光诱导击穿光谱的对比实验,研究了双脉冲激光诱导击穿光谱的谱线增强机制,测量了双脉冲激光诱导击穿光谱随脉冲时间间隔的变化趋势。结果表明,在最优化的脉冲时间间隔条件下,双脉冲激光诱导等离子体光谱获得明显增强。进一步,通过线性Boltzmann法得出了电子温度随脉冲时间间隔的演化,发现了谱线增强因子和电子温度随脉冲时间间隔呈现出相同的演化趋势,并经历两个明显的变化过程,得出了谱线信号强度的增强依赖于电子温度升高的结论。     

激光诱导击穿光谱结合偏最小二乘法定量分析脐橙中Cd含量

基于激光诱导击穿光谱(LIBS)技术对赣南脐橙中Cd元素进行定量分析. 利用LIBS获取样品中Cd元素的特征谱线信息, 并结合原子吸收分光光度计测量样品中Cd元素的真实含量.采用五点平滑法和中心化法对样品光谱数据进行预处理, 基于偏最小二乘法(PLS)对其中的39个样品建立Cd元素的定量分析模型, 在该模型的基础上预测另外13个样品的Cd含量, 并对PLS模型进行对比验证. PLS模型中拟合曲线的相关系数为0.9806, 12个样品的验证结果的相对误差为10.94%.研究结果表明, 激光诱导击穿光谱技术能够准确的检测农产品中重金属含量, 为农产品的安全检测提供技术方法. 关键词： 激光诱导击穿光谱 Cd 定量分析 偏最小二乘法     

用激光诱导击穿光谱快速分析油漆中的重金属含量

 将电光调Q Nd：YAG激光脉冲聚焦于油漆样品表面以产生激光诱导等离子体。等离子体的光辐射经过一组透镜收集进入单色仪并由光电倍增管探测。通过对等离子体辐射光谱的研究,能够实现对油漆样品中重金属元素含量的快速定性分析。实验分析了多种市售油漆中重金属元素Pb, Cu, Cr, Mn的含量。实验表明：对于同一种类的油漆样品,在相同检测条件下,重金属元素的特征光谱线强度与元素质量分数成正比,因此利用激光诱导击穿光谱来快速分析油漆中重金属元素含量是完全可行的。     

钾元素单脉冲和双脉冲激光诱导击穿光谱研究

基于自行研制的新型液体射流的激光诱导击穿光谱(LIBS)实验装置,研究了实验条件(如积分延时、脉冲间隔、激光能量等)对K元素单脉冲LIBS和双脉冲LIBS等离子发射的影响.实验得知相对单脉冲激光激发,双脉冲激光激发可以显著提高等离子体发射谱线强度,增加谱线强度的衰减时间,提高LIBS数据的稳定性.通过最佳实验条件下K766.49nm谱线强度随溶液浓度的分析,得到该实验系统中,双脉冲激光激发时K元素的检测灵敏度和检测限约是单脉冲激光激发时的37倍.实验结果为双脉冲LIBS技术应用于水体金属的检测提供了一定依据.     

钾元素单脉冲和双脉冲激光诱导击穿光谱研究

基于自行研制的新型液体射流的激光诱导击穿光谱(LIBS)实验装置,研究了实验条件(如积分延时、脉冲间隔、激光能量等)对K元素单脉冲LIBS和双脉冲LIBS等离子发射的影响.实验得知相对单脉冲激光激发,双脉冲激光激发可以显著提高等离子体发射谱线强度,增加谱线强度的衰减时间,提高LIBS数据的稳定性.通过最佳实验条件下K766.49nm谱线强度随溶液浓度的分析,得到该实验系统中,双脉冲激光激发时K元素的检测灵敏度和检测限约是单脉冲激光激发时的37倍.实验结果为双脉冲LIBS技术应用于水体金属的检测提供了一定依据.     

用大芯径石英玻璃光纤传输兆瓦级高能激光脉冲及其在双波长LA-LIBS技术中的应用

为了解决单脉冲激光诱导击穿光谱(LIBS)技术在元素分析时空间分辨本领与分析灵敏度之间的矛盾,本文利用一台双波长输出的Nd∶YAG激光器开展了双波长激光剥离-激光诱导击穿光谱(LA-LIBS)技术的研究。其中532 nm的二倍频激光用于剥离样品;1 064 nm的基频激光通过大芯径石英玻璃光纤传输并实现一定的延时后用于击穿被剥离的样品。两束激光采用正交几何配置以实现高空间分辨高灵敏的元素分析。实验研究了1 064 nm激光到光纤的耦合、光纤输出后的准直以及再聚焦时的一些关键技术问题。研究并得出了四种不同光纤对激光能量的传输能力。选择利用芯径为800 μm,数值孔径为0.39、长50 m的石英玻璃光纤成功传输了15 mJ的调Q激光脉冲并实现了250 ns的延时。并在此基础上开展了铜合金样品的双波长LA-LIBS分析,实验验证了基于一台Nd∶YAG激光器开展双波长LA-LIBS研究的可行性。该技术只需要一台激光器就可以完成相应的光谱分析,具有系统结构简单,便于小型化等优点,适合对不同样品开展原位的高空间分辨高灵敏的元素显微分析。     

激光诱导击穿光谱结合神经网络测定土壤中的Cr和Ba

提出了一种基于人工神经网络的激光诱导击穿光谱技术实现元素成分高准确度定量分析的方法.采用基于动量和自适应学习速率梯度下降算法的反向传播神经网络,结合激光诱导击穿光谱技术的方法测定土壤中Cr和Ba元素的含量,得到了Cr和Ba的含量以及多次重复预测的相对标准偏差,并与采用传统的内标法得到的检测结果相比较.研究结果表明:基于动量和自适应学习速率梯度下降算法的反向传播神经网络分析方法,与激光诱导击穿光谱技术相结合能更好地实现对土壤样品中Cr和Ba元素的定量检测.相对内标法,神经网络分析方法与激光诱导击穿光谱技术相结合可以很明显地提高检测准确度和精密度,对采用激光诱导击穿光谱技术定量检测土壤重金属污染具有很好的应用价值.     

激光诱导击穿光谱结合神经网络测定土壤中的Cr和Ba

提出了一种基于人工神经网络的激光诱导击穿光谱技术实现元素成分高准确度定量分析的方法.采用基于动量和自适应学习速率梯度下降算法的反向传播神经网络,结合激光诱导击穿光谱技术的方法测定土壤中Cr和Ba元素的含量,得到了Cr和Ba的含量以及多次重复预测的相对标准偏差,并与采用传统的内标法得到的检测结果相比较.研究结果表明:基于动量和自适应学习速率梯度下降算法的反向传播神经网络分析方法,与激光诱导击穿光谱技术相结合能更好地实现对土壤样品中Cr和Ba元素的定量检测.相对内标法,神经网络分析方法与激光诱导击穿光谱技术相结合可以很明显地提高检测准确度和精密度,对采用激光诱导击穿光谱技术定量检测土壤重金属污染具有很好的应用价值.