Na_2SO_4溶液激光拉曼/激光诱导击穿光谱联合探测

光谱技术应用于海底极端环境下多参数、多相态、无接触探测已成为深海化学传感器发展的一个重要方向,尤其是水下激光拉曼光谱技术和水下激光诱导击穿光谱技术正成为目前研究开发的热点。该工作旨在探索一项水下激光诱导击穿光谱与激光拉曼光谱(LIBS-LRS)联合探测技术,以实现LIBS和拉曼两种检测技术在检测系统上的整合,在信息获取上的互补。在实验室搭建了一套LIBS-LRS联合探测装置,该装置对于拉曼和LIBS采用同样的激发光源、光谱仪和探测器,前置光路分为两部分:拉曼光路和LIBS光路,分别收集Na_2SO_4溶液的拉曼信号和LIBS信号。前置光路收集的拉曼和LIBS信号由Y型光纤导入光谱仪,分别在面阵CCD不同区域进行探测。利用该装置对配置的Na_2SO_4溶液进行探测,同时获得了Na元素的LIBS信号和SO~(2-)_4拉曼信号。另外,随着激光能量的提高,在532nm脉冲激光能量超过3.6mJ时,在拉曼光路同时获得了Na元素的LIBS信号和SO~(2-)_4拉曼信号,这样采用同一光路即可实现两种光谱技术的联合,然而实验发现,随着激光能量的增加,激光在溶液中击穿产生的轫致辐射造成了光谱探测基线整体的抬升,对拉曼光谱弱信号的探测是不利的。实验结果初步证明了在拉曼和LIBS在水下联合探测的可行性。     

自动聚焦激光诱导击穿光谱远程测量系统

激光诱导击穿光谱(LIBS)技术具有非接触测量、无需样品预处理以及快速多元素同时分析等特点,适合于高温、高压、真空、有毒以及敌对环境等仪器和操作人员无法靠近观测对象的应用中。LIBS技术结合望远镜系统可以实现物质成分的远距离检测与分析。搭建了一套可自动聚焦的LIBS远程测量系统。该系统中的望远镜采用Schwarzschild结构,由一块凹球面反射镜和一块凸球面反射镜组成。两块球面反射镜共轴安装。其中凸面反射镜安装在电控精密平移台上,电动平移台可带动凸面反射镜沿光轴移动。通过调整凸面反射镜的位置,改变凸面反射镜和凹面反射镜的间距,进而改变系统的焦距,实现对不同距离的样品进行光谱测量。该结构的优点在于：激光聚焦光路与信号光采集光路相同,便于安装和调试;望远镜系统采用全反射式光路,适用于紫外波段检测;只包括两个球面反射镜,结构紧凑,元件容易加工。望远镜系统调焦距离为1.5～3.6 m,聚焦光斑直径约为0.5~1.0 mm。使用该系统对铜样品进行了LIBS实验,确认了Cu元素的特征谱线。通过测量Cu元素的LIBS特征谱线(Cu Ⅰ 223.01 nm, Cu Ⅰ 224.43 nm)峰面积和反射镜间距之间关系,得到了激光的最优聚焦位置。实验结果表明,该系统能够完成样品的远程激发和LIBS光谱测量,并能够对不同距离的样品进行自动聚焦。     

基于远程LIBS技术的镍基高温合金成分分析方法的研究

基于自行设计搭建的远程激光诱导击穿光谱（LIBS）系统,完成了远程LIBS的聚焦特性分析,并对远程 LIBS技术应用于镍基高温合金成分分析的实验方法进行了研究。该LIBS系统具备激光发射光路和信号采集光路同轴且独立变焦的特点,通过自动聚焦,可实现1~10 m的远程分析。研究表明：受激光聚焦焦深的影响,等离子体光信号可探测范围随系统工作距离的增大而增大,即系统对聚焦精确度的要求降低;同时,烧蚀斑点尺寸增大导致的功率密度减小及信号采集立体角的减小,会使得谱线强度随工作距离的增大成四次方反比关系衰减。分别使用无内标的标准曲线法和有内标的标准曲线法建立了GH4169镍基高温合金中Ni,Cr,Nb,Mo,Ti和Al六种元素的标准曲线,有内标的标准曲线的拟合优度R2（0.999 7,0.999 4,0.998 7,0.999 1,0.998 1和0.999 7）明显优于无内标的标准曲线（0.953 2,0.876 6,0.897 4,0.914 5,0.938 4和0.991 6）。对比了LIBS和X射线荧光光谱（XRF）两种分析技术,对于常量元素Ni,Cr,Nb和Mo,两种方法的相对标准偏差分别在1.74%~3.90%以及0.10%~0.52%,相对误差分别在0.21%~0.92%以及0.64%~2.25%;对于微量元素Ti和Al,两种方法的相对标准偏差分别为5.58%,4.15%以及2.39%,5.64%,相对误差分别为2.75%,2.93%以及4.68%,2.39%。由于激光诱导等离子体的不稳定性、烧蚀样品量少的特点,远程LIBS方法的精密度稍逊于XRF方法,但LIBS方法通过重复多次测量,可以有效减小测量误差,表明LIBS技术应用于镍基高温合金的远程在线分析具有一定的可行性。     

远程激光诱导击穿光谱技术分析岩石元素成分

远程激光诱导击穿光谱技术是一种利用脉冲激光和聚焦光路对远距离目标烧蚀击穿,获取目标等离子体光谱,定性或定量分析物质元素组成的光谱探测技术。设计并搭建了一套远程激光诱导击穿光谱系统。该系统结合卡式望远镜光学结构,实现探测2～10 m距离的目标、并可自动变焦。基于该系统提出一种远程探测岩石主要元素含量方法。通过对比实验,研究了脉冲能量、采集延时、积分时间、探测点累计探测次数对光谱信号的影响,确定了岩石谱线获得的最佳条件。选择48块岩石标本和6种常见国标岩石样品(页岩、花岗岩、安山岩、玄武岩、片麻岩、伟晶岩)进行LIBS实验。以原子光谱数据库为参考,根据岩石的主要元素提取特征谱线(SiⅠ390.55 nm,AlⅠ394.40 nm,AlⅠ396.15 nm,CaⅡ396.85 nm,FeⅠ404. 60 nm,SiⅠ500.60 nm,MgⅠ518.36 nm,NaⅠ589.59 nm)。利用偏最小二乘算法(PLS)建立岩石成分定量分析模型,将48块岩石标本作为训练集进行求解,并用六种国标岩石对模型进行检测,预测岩石Si和Al元素含量,平均误差分别为9.4%和9.6%。     

远程激光诱导击穿光谱技术与应用(特邀)

在冶金工业、核工业、深空探测等领域,受限于高温、强辐射等人员无法达到的极端环境限制,亟需一种可快速准确进行物质成份分析的远距离非接触式探测手段。远程激光诱导击穿光谱技术是一种结合激光远距离传输与控制以及弱光信号采集来获取目标材料物质成份信息的一种技术手段,可以实现极端环境下物质的非接触式远距离探测。本文系统介绍了远程激光诱导击穿光谱系统的光学系统结构,以及不同结构远程激光诱导击穿光谱装置的性能特点及其面临的技术瓶颈。针对远程激光诱导击穿光谱技术探测灵敏度与探测距离受限、光谱信息受限等问题,还介绍了国内外常用的远程激光诱导击穿光谱信号增强方法以及激光诱导击穿光谱与拉曼光谱结合等技术方法。最后简要总结了远程激光诱导击穿光谱技术在爆炸物探测、核工业、深空探测等几个典型领域的应用,展望了其在未来的发展。     

激光波长对水中金属元素激光诱导击穿光谱探测的影响

针对激光诱导击穿光谱(LIBS)在海洋应用中的问题,对1 064和532nm两个激发波长下水中LIBS光谱特性进行探测分析,以比较其烧蚀效果。通过激光诱导等离子体的时间分辨光谱,分析水下等离子体电子密度随时间的演化规律,1 064nm激光诱导等离子体寿命约为1 200ns,而532nm激光激发情况下等离子体寿命仅约为600ns。基于光在水中的传输特性和LIBS的实验结果,建立了获得最佳LIBS探测效果所需的入水前激光脉冲能量Eiopt(r)与探测距离r的关系,并应用到水下原位探测的模拟分析。结果表明,当探测距离不大于5cm时,所需的入水前1 064nm激光单脉冲能量小于100mJ,该激发波长可用于LIBS的水下探测;当探测距离增至10cm时,所需的入水前532nm激光单脉冲能量只需30mJ左右。因此,当原位探测距离增加时,则需考虑选择532nm激光作为烧蚀光源。     

532和1 064 nm激光的水下LIBS探测对比研究

海洋是国家可持续发展的战略要地,迫切需要海洋探测技术的快速发展,光谱类的化学传感器由于具有原位、非接触和长期探测的优势日益成为研究热点。为了将激光诱导击穿光谱（LIBS）技术应用于海洋原位探测,采用532和1 064 nm波长激光在能量分别为3和40 mj附近进行烧蚀,对比实验研究了532和1 064 nm激光作用下的LIBS击穿特性,并重点探讨了水下激光传输距离对LIBS信号的影响。结果显示,采用1 064 nm的激光能够获得更高的谱线强度和信背比,以及更长的等离子体寿命,但LIBS信号稳定性较差;受水体对不同波长激光能量衰减不同的影响,在水下传输距离2～5 cm范围内,随着1 064 nm激光能量的衰减LIBS信号衰减也很明显,而位于海水“透射窗口”的532 nm的激光LIBS信号基本保持不变。为今后LIBS海洋原位探测系统的开发提供了有价值的设计依据。     

LIBS-Raman光谱联合水下探测系统及初步试验

水下激光诱导击穿光谱技术(LIBS)和水下激光拉曼光谱技术(Raman)已在深海成功获得应用,这两种技术探测对象互补、器件类似,两者联合探测可更好的进行深海研究。针对此需求研发了一套LIBS-Raman光谱联合水下原位探测原理样机,整个系统集成于L790 mm×Φ270 mm的舱体内,在舱体前端有光学窗口和水密插头,舱体内部主要包括脉冲激光器、光谱仪、嵌入式计算机和供电转换装置,甲板控制终端通过水密电缆实现对系统的供电、控制和数据采集。该联合系统采用一台双波长脉冲激光器同时作为LIBS和拉曼光谱的激发光源,LIBS采用1 064 nm波长,拉曼光谱采用532 nm波长。双波长激光器发出的光束经分光镜分为两路,经过后向散射光路收集的两路信号分别进入两个小型光纤光谱仪进行分光探测,LIBS采用AvaSpec-ULS2048光谱仪,拉曼光谱采用QE 65000光谱仪。利用搭建的原理样机在青岛近海进行水下原位探测,在实验室开展了水中固体靶的探测,实验结果证明了LIBS-Raman联合光谱探测装置的可行性。下一步将优化系统并开展深海探测应用。     

合金钢的激光诱导击穿光谱实验条件优化

利用1 064 nm波长Nd∶YAG脉冲激光诱导击穿合金钢产生激光等离子体光谱,采用高分辨率及门宽控制的ICCD探测LIBS信号光谱。选用铁元素原子谱线404.581,414.387,427.176和438.355 nm进行分析,研究了不同实验参数对LIBS光谱信号强度的影响结果。实验结果表明,激光脉冲能量、激光聚焦位置以及ICCD探测器的延时等实验参数对合金钢LIBS信号有较大影响。通过优化这些实验参数,获得高光谱强度和信背比的LIBS信号,确定了LIBS技术用于合金钢微量元素成分分析的最佳实验条件,从而开展合金钢样品成分分析。     

激光诱导击穿光谱技术的研究与应用新进展

激光诱导击穿光谱技术(LIBS)是一种近年来随着激光技术和光谱检测技术的发展而兴起的对元素定性和定量分析的光谱技术。详细介绍了LIBS技术最新的研究发展情况,以及在冶金、环境污染检测、生物医学、植物学、空间探索等领域的最新应用进展。     

光纤激光模场及表征技术进展

在光纤通信、光纤激光器和光纤传感等领域的实际应用中,需要重点关注光纤中的模式问题。模分复用是提高光通信信息容量的有效方法,模间干涉是大多数光纤传感的基本方法,高功率光纤激光的光束质量控制的关键技术之一就是模式控制,因此,对光纤模式理论、模式产生及转换、模式表征技术开展研究具有重要的研究意义和实际应用价值。论文讨论了光纤的模式及光束质量,分析了多种模式发生及转换的方法,将模式表征方法归结为非相干、相干和低相干测量法。光纤模式表征是目前的研究热点,在多种表征方法中,空间和频谱成像法（S2）和双重傅里叶变换法（F2）具有显著的优越性,可不需要提前知道光纤的几何参数,就可获得模场分布、模式功率占比、群时延等特性。研究表明F2法更适合于表征高功率光纤激光的模场特性。     

激光诱导击穿光谱技术及应用研究进展

激光诱导击穿光谱（LIBS）技术是一种基于原子发射光谱学的元素定性、定量检测手段。本文介绍了LIBS技术的原理、应用方式、检测元素种类及检测极限;综述了该项技术在固体、液体、气体组分检测方面的技术发展,以及在环境检测、食品安全、生物医药、材料、军事、太空领域的应用进展。最后,提出了高功率、高稳定的激光光源和准确的定量分析方法是LIBS技术目前所面临的问题和挑战。     

指纹光谱病原菌快速检测研究进展与趋势

病原菌检测对于保障饮用水和食品安全,应对突发公共卫生事件至关重要。现行检测标准或方法存在操作耗时费力,成本高等缺陷,难以满足现代社会高时效性要求,因此开发操作简单、低成本的病原菌快检技术迫在眉睫。近年来,随着激光技术和光电探测技术的高速发展,能够快速获取微生物指纹信息的激光光谱引起了研究者的广泛关注,其中表面增强拉曼光谱（SERS）和激光诱导击穿光谱（LIBS）由于具有快速、原位无损或微损检测等优点,在病原菌快速检测领域广受关注。SERS作为一种分子振动光谱技术,是在常规拉曼（Raman）光谱中引入具有光学信号放大作用的贵金属纳米结构,实现Raman信号数量级的提升同时能够猝灭荧光,因此可以快速获取目标分子的指纹光谱信息。然而受贵金属纳米粒子的材质、形貌、大小等自身属性,以及与待测物距离等多种因素的影响,重现性仍然是SERS在细菌检测中的一大瓶颈。LIBS作为一种新兴的原子发射光谱技术,具有多元素实时检测的能力,可以快速获取样品包括微量和痕量元素在内的所有元素信息。LIBS进行细菌分类和鉴别时,为了降低基底、共存基质的元素干扰,需采集大量纯培养细菌的光谱数据,不仅增加了检测周期,同时带来定性定量难两全的局面。结合SERS和LIBS技术在病原菌快检领域的研究现状,综述了两类方法各自的优势和局限性,并对其在病原菌快速检测领域的发展趋势进行了展望,为开发基于激光光谱的病原菌快检技术提供参考意见。     

Development in the application of laser-induced breakdown spectroscopy in recent years: A review

Laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) has been widely studied due to its unique advantages such as remote sensing, real-time multi-elemental detection and none-to-little damage. With the efforts of researchers around the world, LIBS has been developed by leaps and bounds. Moreover, in recent years, more and more Chinese LIBS researchers have put tremendous energy in promoting LIBS applications. It is worth mentioning that the application of LIBS in a specific field has its special application background and technical difficulties, therefore it may develop in different stages. A review summarizing the current development status of LIBS in various fields would be helpful for the development of LIBS technology as well as its applications especially for Chinese LIBS community since most of the researchers in this field work in application. In the present work, we summarized the research status and latest progress of main research groups in coal, metallurgy, and water, etc. Based on the current research status, the challenges and opportunities of LIBS were evaluated, and suggestions were made to further promote LIBS applications.     

背景扣除和强度校正对激光诱导等离子体光谱参数的影响

激光诱导击穿光谱技术以其无需样品预处理、分析速度快、能实现多元素同时检测和远程分析等优点已经被广泛应用于诸多领域的物质成分定性或定量分析。该技术的理论基础是激光诱导等离子体。对等离子体光谱参数(如光谱谱线强度、等离子体温度等)的准确测量是利用该技术进行定性或定量分析的前提条件。实际的实验系统中,由于仪器本身固有的性能限制,会造成采集光谱信号的失真,从而限制等离子体光谱参数的精确测量或计算。为了克服仪器固有性能的影响,分析了实验系统所用中阶梯光栅光谱仪和传输光纤的固有性能缺点对光谱信号背景噪声和元素谱线绝对强度的影响,然后采用剥峰法对光谱信号中存在的锯齿状背景噪声进行扣除,利用辐射定标光源的标准光谱数据对谱线绝对强度进行校正,并对比了背景扣除和强度校正对等离子体谱线强度和等离子体温度的影响,实验表明谱线强度校正对合金钢等离子体380 nm以下的光谱信号具有较大影响,通过背景扣除和强度校正后,等离子体温度由13 401.75 K降低至8 980.72 K,玻尔兹曼平面法求解等离子体温度的拟合决定系数由0.60提高至0.91。因此在光谱数据处理之前对测量光谱进行背景扣除和强度校正是十分必要的,为提供可靠地光谱数据进行物质成分定性或定量分析奠定了基础。     

Beam quality considerations of high power Nd:YAG lasers

High power Nd:YAG lasers with fiber optic beam delivery have introduced new capabilities for material processing applications. Here, we present the stable resonator design for high power Nd:YAG lasers to optimize beam quality for fiber optic transmission. Dependence of beam parameters on position and dioptric power of thermal lens has been investigated and optimized to achieve efficient fiber optic beam delivery. With the optimum resonator configuration, an efficient fiber optic beam delivery over the entire operating range of input power has been achieved. The results of stable resonator design with good beam quality and output power have been presented.     

基于远程LIBS-Raman光谱的火星矿物成分分析方法研究

实现了一套实验室环境下的LIBS-Raman测试系统的设计,并验证激光诱导击穿光谱技术（LIBS）和拉曼（Raman）光谱技术在火星模拟环境下矿物样品的综合检测能力。该系统使用卡塞格林望远镜结构进行远程的LIBS激发,使用旁路反射光路进行远程脉冲Raman光谱的激发,其激发光源的波长分别为1 064和532 nm。之后统一使用卡塞格林望远镜进行二者光谱信号的收集。为了充分模拟火星表面矿物所处的物理条件,设计与实现了一套气体腔体,通过将样品放置在气体舱中,可以实现对火星表面条件进行最大程度的模拟。为了验证使用该LIBS-Raman系统进行火星矿物分析的能力,利用8种典型矿物(孔雀石、蓝铜矿、雄黄、雌黄、文石、方解石、硬石膏和石膏等)样品展开实验分析。在这些样品中存在巨大的元素和分子成分上的差异,其中孔雀石、蓝铜矿分子具有不同的价态和原子比例;雄黄、雌黄分子的各原子的个数均不相同;文石、方解石虽具有相同的分子式,但是晶体结构明显不同;硬石膏和石膏矿物的差异则体现在其分子有无含有结晶水上。利用LIBS和Raman技术对这些差异性进行研究,以此来验证在火星条件下使用此组合仪器分析矿物种类和成分的有效性,并研究激光诱导击穿光谱技术和拉曼光谱技术在物质成分分析中的优缺点。实验结果表明,该系统可以在火星条件下有效分析矿物种类和成分。该对比实验还验证了在分析火星物质中的特定矿物元素组成这一问题上,LIBS技术可快速区分元素种类,但针对分子信息探测存在明显局限性;Raman光谱技术则可以在一定程度上对这种局限性进行补偿。二者结合将有效提高极端条件下具有不同分子组成和结构的矿物的识别效能。该系统的成功验证可为进一步火星探测计划提供有力补充,并对实验室建立有价值数据库提供帮助。