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概述

激光誘導擊穿光譜（LIBS, Laser-Induced Breakdown Spectroscopy）是利用高能脈沖激光來進行材料元素成分分析的一種原子發射光譜的分析技術。其基本原理是利用高能激光與樣品相互作用。激光脈沖瞬間將樣品表面的微小部分蒸發，并生成高溫、高能的等離子體。等離子體內的原子和離子通過激發態回到基態時發射出特定波長的光子，不同元素的光譜具有特定的波長和強度，通過光譜儀采集這些光信號并進行分析，即可得到樣品的元素成分。

LIBS技術因其制樣簡單或無需制樣、適用于各種形態的物質（氣、固、液）、全元素同步分析、快速、實時、在線原位、遠程等特點，在元素分析領域得到了廣泛應用。隨著儀器技術的不斷進步，LIBS的應用范圍也從實驗室擴展到工業在線檢測和便攜式應用中。

對于LIBS裝置來說，光譜儀和探測器的分辨率和靈敏度是至關重要的兩個性能指標。LIBS所采集的光譜是一種由多種元素發射的復雜光譜信號，通常包括大量的發射線，這些發射線可能來自樣品中的不同元素、不同的電子能級躍遷，或是在等離子體的不同物理條件下產生。這些發射線可能存在重疊、交叉甚至是極其接近的情況，準確解析這些光譜信息變得極為挑戰。光譜儀的分辨率決定了它能否將靠得很近的光譜線有效區分開。如果光譜儀的分辨率不足，兩個發射線會被混淆，導致誤判或無法正確解析某些元素的存在。這對于痕量元素的檢測尤其重要，因為痕量元素的發射線通常較弱且容易被強信號掩蓋。高分辨率的光譜儀可以將這些發射線分開，確保每個元素的特征光譜得以清晰捕捉和準確分析。靈敏度則決定了光譜儀能否檢測到微弱的光譜信號，尤其是在痕量元素或弱發射元素的分析中起到關鍵作用。等離子體中的發射光強度可能因不同的物理和化學條件而差異顯著，某些元素的發射信號相對較弱。如果光譜儀的靈敏度不足，微弱的光譜信號可能會被背景噪聲淹沒，導致重要信息的丟失。靈敏度高的光譜儀不僅可以捕捉到這些微弱的發射線，還能顯著提高信噪比，使得即使在復雜背景下，也能獲得可靠的光譜數據。

本公司推出的IsCOMS相機與小型化C-T結構光譜儀（Omni系列）具備出色的分辨率和靈敏度，在LIBS的測試中表現出良好的效果。

測試效果展示

LIBS測試裝置示意圖如下所示。激光器使用納秒量級的脈沖激光器，激發波長為1064 nm。光譜儀和相機使用本公司自研的Omni系列小型化C-T結構光譜儀和IsCOMS相機，搭配配套開發的T-Lab ViewIS軟件，可以輕松獲取、分析和保存光譜數據。

圖1 LIBS測試裝置示意圖

Omni系列光譜儀有200 mm，320 mm，500 mm和750mm焦距的不同型號，光譜儀采用多光柵塔臺設計（至多可配置3塊光柵），適應不同光譜波段使用的光柵選擇，覆蓋UV-IR全波段范圍。光柵采用大面積光柵(68×68 mm)，提高了光收集效率。測試使用的光譜儀焦距500 mm，光柵刻線1200 g /mm，閃耀波長 600 nm，光譜分辨率可達到0.05nm左右。

測試使用的IsCMOS相機，能夠實現低噪聲、高速、超快門控拍照。相機采用高效超快像增強器和1:1光纖面板耦合工藝技術，配合>95% 量子效率科研制冷型sCMOS 相機，具有較低的噪聲和很高的光電轉化效率，可以探測微弱的光譜信號，有助于LIBS對痕量元素或弱發射元素的分析。*短光學快門寬度小于3 ns，延遲與門控精度為10 ps，內置時序控制器DDG，滿足LIBS對光譜采集延時和門寬的需求。

圖2 IsCMOS相機自動背景扣除后的本底和汞燈光譜的基線

通過標準汞燈和T-Lab ViewIS軟件校準后，光譜儀掃描拼接譜的光譜準確度能做到 < 0.2 nm（圖3）。測試獲得了鋁合金LIBS光譜，如圖4所示，Al元素特征譜線信號明顯，譜峰位置偏移量小，譜線輪廓清晰。通過T-Lab ViewIS軟件不同中心波長掃描多次成譜，可以生成大范圍LIBS光譜（圖5）。

圖3 汞燈的掃描拼接光譜

圖4 鋁合金LIBS光譜(386.7-406.3 nm)

圖5 鋁合金LIBS掃描光譜(200-800 nm)

測試中采用配套的多芯光纖，通過線陣排列耦合到光譜儀具有更高的光通量（圖6），搭配上面陣的科學級制冷型IsCMOS，裝置具有出色靈敏度，可以檢測更弱的信號。本次測試的LIBS光譜環境為大氣環境，樣品除鋁合金還包括PVC（聚氯乙烯）、含Cl混凝土、礦石和空氣（圖7），光譜大致范圍833-843 nm。其中837.594 nm為Cl I譜線，PVC和含Cl混凝土光譜圖中對應該特征譜線位置附近存在相應峰。并且在Cl混凝土光譜圖中，在0.4 nm距離的較強譜峰干擾下，該譜峰仍能夠被較為清晰的分辨。雖然不能完*排除O II 837.584nm譜線以及分子和基團譜線的影響，但混凝土樣品光譜中極大可能測到了Cl元素的譜線信號。

圖6 IsCMOS相機圖像（標準Hg燈546.07nm譜線）

圖7 PVC（聚氯乙烯）、含Cl混凝土、礦石和空氣的LIBS光譜

參考文獻

[1] Cremers D A, Radziemski L J. Handbook of laser-induced breakdown spectroscopy[M]. Second edition edition. Chichester, West Sussex: Wiley, A John Wiley & Sons, Ltd, Publication, 2013.

[2] Qiu Y, Guo X, Shi M, et al. Plasma dynamics and chlorine emission characteristics on cement pastes using collinear dual-pulse laser-induced breakdown spectroscopy[J]. Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy, 2023, 209: 106799.