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。     

基于一种远程双脉冲激光诱导击穿光谱系统原位分析钢样成分

为了实现钢铁等金属熔炼过程中实时、在线监测元素组分含量,设计了一种远程双脉冲激光诱导击穿光谱(LIBS)分析系统,对远距离的样品进行非接触式远程测量、成分分析。首先利用固体标准钢样对系统进行了测试以及标定,为下一步利用此系统在线监测熔融钢液组分含量提供了基础。实验结果表明：激光远距离聚焦光斑在1 mm左右;双脉冲烧蚀比单脉冲烧蚀深度深很多;双脉冲最佳延时在不同距离下不一致;3.1 m处双脉冲增强效果比2.1 m处更好,其中Ti(Ⅰ)319.99 nm增强最显著为5.19倍;各种元素的标定曲线相关系数r都在0.99左右,重复精度(RSD)基本都小于5%,测量偏差(RMSE)都小于0.021%,2.1 m处的检出限相比3.1 m处更低,2.1 m处多数元素检出限小于500 ppm。     

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。     

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...     

用卤钨灯对激光诱导击穿光谱探测系统进行绝对效率标定（英文）

基于辐射度学理论搭建了用于激光诱导击穿光谱探测系统的绝对效率标定装置.用卤钨灯配备紫外玻璃滤光片和熔融石英漫射片作为标定的标准光源,标定了配备Czerny-Turner型紫外波段光谱仪的激光诱导等离子体光谱探测系统.测得了系统在310~385nm波长范围内的绝对光谱响应,不确定度小于7%(在标准偏差为2的条件下).绝对效率标定可为激光诱导击穿光谱探测系统硬件评估提供一种手段.     

金属表面碳涂层对激光等离子体辐射的影响

 阐述了激光诱导击穿光谱技术的基本原理,分析了金属材料表面光学性质与激光诱导等离子体辐射强度的关系,建立了空气中进行等离子辐射研究的试验装置,测量了不同厚度碳层下激光等离子体的发射光谱强度。实验结果表明：当一束近红外高能量脉冲激光（能量为5 J）作用于覆盖有约18 μm厚度碳层的标钢样品时,激光等离子体的发射光谱强度提高了16%～22%;证明了金属样品表面覆盖碳层能够提高激光等离子体辐射强度。     

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。     

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%。     

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.     

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。     

铜合金自体小孔约束等离子体辐射增强作用研究

为了提高激光诱导击穿光谱的质量,探索便捷的等离子体辐射增强方法,采用自体空间约束的方法,研究了铜合金自体小孔约束对激光诱导等离子体辐射的增强作用。在常压空气中,利用Nd∶YAG脉冲激光器作为激发源,诱导激发HPb59-1铅黄铜合金样品,由光栅光谱仪和ICCD采集光谱,分析了Cu和Pb元素的等离子体辐射强度随自体小孔尺寸的变化情况,得到自体小孔约束的最佳尺寸为直径3.0 mm、深度1.5 mm。与无约束时相比,Cu和Pb的谱线强度分别提高了38.3%和35.4%,信背比提高了200.2%和137.5%。研究结果表明,自体小孔约束方法能够有效改善激光诱导击穿铅黄铜合金样品的谱线质量,避免外加约束结构的内壁污染对实验结果的干扰,方法简单易行。     

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。     

塑料激光诱导击穿光谱技术快速分类应用研究

在大气环境中,采用激光诱导击穿光谱技术与支持向量机算法相结合,对来自不同厂家不同颜色的20种工业塑料进行分类研究。首先对分类结果有影响的实验参数进行优化,在最佳的实验参数条件下进行光谱采集,采用6条非金属元素特征谱线,有效缩短了训练支持向量机分类模型所需时间,从而提高了塑料的分类效率。实验结果表明,利用碳、氢、氧、氮等主量非金属元素对这些工业塑料样品进行分类,测试集1 000个光谱数据中有996个识别正确,算术平均识别精度达到99.6%。在选取较少的主量非金属特征谱线的情况下,结合采用支持向量机算法,可以实现激光诱导击穿光谱技术对更多类型的塑料制品快速、高精度分类,为激光诱导击穿光谱技术在实现塑料分类方面提供了数据参考。     

纳秒脉冲激光诱导土壤等离子体辐射强度研究

为了改善激光诱导击穿光谱质量,采用Nd∶YAG激光器输出的纳秒脉冲激光激发土壤样品,由光栅光谱仪和光电检测系统记录激光诱导等离子体发射光谱,研究了激光输出能量(100～500mJ)对等离子体辐射强度的影响。实验结果表明,在激光能量为200mJ的优化条件下,可以提高光谱强度和信背比。当激光束被适当散焦以后激发样品时,能够进一步改善光谱质量,散焦位置为+6mm时元素Mg,Al,K和Fe的谱线强度比未散焦时分别提高了46%,63%,59%和45%,而光谱信背比分别提高了11%,31%,35%和38%。这为检测土壤样品中痕量杂质元素奠定了基础。     

激光诱导击穿光谱脉冲激光功率锁定的研究

激光诱导击穿光谱(laser-induced breakdown spectroscopy,LIBS)在煤质在线监测方面展现了突出的应用前景和研究价值。针对该技术在实际应用中会由于脉冲激光功率起伏导致的长期测量稳定性差的问题,建立了闭环负反馈式脉冲激光功率锁定装置,采用激光功率负反馈信号控制和锁定Nd∶YAG激光器输出功率。实验研究了不同分光比例脉冲激光器锁定在设定输出功率,同一分光比例激光器锁定在不同输出功率以及长时间运行时的功率锁定。结果表明,不同的分光比例对激光输出功率的锁定效果影响不大,分光比例越小,稳定速度越快;同一分光比例实现激光脉冲功率不同预设值的锁定以及在长时间运行时,采用此装置进行功率锁定后,激光输出功率处于预设区间内,RSD值由自由运行时的2.4%降低至1.1%。     

激光诱导击穿火焰等离子体光谱研究

采用PI-MAX-II型增强型电荷耦合器件, 用Nd:YAG纳秒脉冲激光器输出的1064 nm强光束击穿在一个大气压的空气中燃烧的酒精灯火焰, 对激光诱导击穿酒精灯火焰产生的等离子体光谱进行了初步研究. 根据美国国家标准与技术研究院原子发射谱线数据库, 对等离子体中的主要元素的特征谱线进行了标识和归属. 通过激光诱导击穿空气等离子体光谱、激光诱导击穿酒精灯火焰等离子体光谱、激光诱导酒精喷灯火焰等离子体光谱的对比分析, 发现不同燃烧状况下的光谱中各原子谱线的相对强度是不同的. 这些结果对于使用激光诱导击穿技术分析和研究碳氢燃料在空气中的燃烧特性具有重要的意义和参考价值, 同时也为将该技术应用于燃烧诊断提供了实验依据.     

激光诱导击穿光谱结合自由定标法同时定量分析玻璃主要元素

建立激光诱导击穿光谱结合自由定标法快速定量分析玻璃中主要元素Si和Ba的方法.采用由调Q脉冲Nd:YAG激光器、中阶梯光栅光谱仪和ICCD检测器等组成的激光诱导击穿光谱系统采集4种标准玻璃样品的激光诱导击穿光谱.提取光谱信息,结合自由定标法建立样品中Si和Ba的玻尔兹曼曲线,计算获得4种玻璃样品中Si和Ba的含量.Si含量分析相对误差在4.96%~10.12%之间,标准差在0.38%~1.29%之间,Ba含量分析相对误差在4.07%~9.62%之间,标准差在0.54%~1.70%之间.T检验表明,测量值与实际值无显著差异.     

利用激光诱导击穿光谱分析土壤成份

 搭建了一套激光诱导击穿光谱实验装置,并通过配置特定样品,开展了一系列激光诱导击穿光谱探测实验。根据含有不同质量分数的同种元素样品的激光诱导击穿光谱实验结果,获得元素质量分数与谱线强度的关系曲线(定标曲线)。对中南民族大学附近的土壤进行激光诱导击穿光谱实验,发现土壤中含有Mg,Ca,Na等18种元素,对河南云台山茱萸峰岩石的激光诱导击穿光谱实验结果仅获得Fe,Mg,Ca 3种金属元素。比较这2种实际样品的激光诱导击穿光谱结果表明,检测样品的物理结构影响激光诱导光谱的实验结果。     

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.     

激光诱导击穿光谱增强机制及技术研究进展

激光诱导击穿光谱技术是一种新的材料识别及定量分析技术。但是光谱的重复性低限制其由定性分析向定量分析的发展。因此提高激光诱导等离子光谱信号信噪比及等离子体的空间稳定性对于提高光谱信号的可重复性、降低基体效应等不利因素影响有着积极的作用。同时光谱信号信噪比的增强可降低对激光器输出能量的要求,有效降低了激光诱导击穿光谱集成系统的成本,有利于此技术向更多领域拓展。本文对实验中采用的双脉冲或多脉冲增强,放电脉冲再激发,空间限域,磁场束缚和微波辅助增强四大类方法加以总结及概括。在此基础上深入探讨光谱增强的物理机制,从而为进一步提高光谱信号稳定性及定量化分析的精确度提供有力的理论支持。