激光诱导击穿光谱技术是什么？

　一.激光诱导击穿光谱技术(LIBS)简介

　　激光诱导击穿光谱技术(Laser Induced Breakdown Spectroscopy)，简称LIBS，由美国Los Alamos国家实验室开发，David Cremers研究小组于1962年提出并实施的。自从该小组成员Brech于1962年首次提出利用红宝石脉塞诱导等离子体的光谱化学方法以来，激光诱导击穿光谱技术得到了广泛的应用于许多领域，例如钢成分的在线分析和宇宙探索、环境和废物监测、文化遗产鉴定、工业过程控制、医学检测、地球化学分析以及NASA的火星探测计划CHEMCAM等，并开发了许多基于LIPS技术的小型化在线检测系统。

　　二.激光诱导击穿光谱技术发展概况

　　自1960年世界上第一台红宝石激光器问世以来，两年后Brech和Cross在固体样品表面实现了激光诱导等离子体，开启了LIBS技术之旅。 1963年，调Q激光器的发明极大地推动了LIBS技术的发展。这种激光器的单个短脉冲具有极高的功率密度，足以产生光谱分析所需的激光等离子体。因此，调Q激光器的发明被称为LIBS技术诞生的标志。1965年，Zel'dovich和Raizer将LIBS技术的应用扩展到气体样品。20世纪70 年代初，Jarrell-Ash和Carl Zeiss建造了世界上第一台用于工业应用的LIBS设备。需要注意的是，在该LIBS设备中，使用短脉冲激光烧蚀样品，然后使用电弧激发样品。美国洛斯阿拉莫斯国家实验室(LANL)一直致力于LIBS分析技术的机理研究和应用，并于1987年应用于乏燃料后处理过程中的铀浓度分析。20世纪80年代，LIBS被应用于液体样品以及土壤中金属和污染物的分析。自20世纪90年代初以来，德国卡尔斯鲁厄核中心一直致力于将LIBS应用于高放射性废液玻璃凝固过程的控制分析，并取得了巨大成功。然后模拟了高放射性液体废玻璃凝固体中27种元素的实时行为和定量分析。意大利国家原子与分子物理研究所的A.CIUCCI和M.CORSI提出了不需要“校准曲线”的LIPS定量分析技术——CF-LIBS，进一步发展了LIBS技术在定量分析中的应用。 S.Palanco和J.J.Laserna采用多元线性回归方法对材料成分含量进行定量分析，消除了基体效应的影响，获得了良好的结果。

　　三.激光诱导击穿光谱技术的基本原理

　　脉冲激光束经透镜会聚后照射在固体靶材表面。激光传输到目标的能量大于热扩散和热辐射造成的能量损失，能量集中在目标表面。当能量密度超过靶材的电离阈值时，靶材表面即可形成等离子体，表现为强烈的火花并伴有噪声。激光诱导等离子体的温度非常高，通常在10,000K以上，等离子体包含大量受激原子、单重和多重电离离子以及自由电子。处于激发态的原子和离子从高能态跃迁到低能态，它发射特定波长的光辐射，利用高灵敏度光谱仪对光辐射进行检测分析，以获得被测样品的成分、含量等信息。通常聚焦后的激光功率密度达到GW/cm2级别，现场物质蒸发、汽化、原子化然后电离，形成高温、高压、高电子密度的等离子体。

　　四. 激光诱导击穿光谱仪实验装置

　　激光诱导击穿光谱实验装置系统主要由激光器、真空室、光谱仪和PC机组成。

1.激光器

　　激光诱导击穿光谱技术是激光发明后慢慢发展起来的一项测试技术。作为激光诱导击穿光谱不可或缺的一部分，激光器自发明以来的几十年里得到了长足的发展。目前激光诱导击穿光谱技术使用的激光器主要有四种类型。

　　红宝石激光器、钇铝石榴石激光器、气体激光器、准分子激光器。这些激光器一般可提供1000mJ左右的脉冲能量，瞬时激光功率可达1-200MW。如果使用聚焦镜将激光聚焦到样品上，产生的能量足以直接汽化固体产生等离子体。

　　在激光诱导击穿光谱技术装置系统中，最常用的激光器是脉冲调Q钇铝石榴石激光器。该激光器产生的脉冲宽度大约在6-15ns之间，可以满足激光诱导击穿光谱系统的激光能量需求。而且，钇铝石榴石激光器易于小型化，有利于激光诱导击穿光谱系统的便利性。

2.光谱仪

　　除了激光器之外，光谱仪作为检测和采集最终光谱的装置，也是激光诱导击穿光谱技术装置体系中的另一重要设备。光谱仪是一种用于测量光的波长、能量和其他特性的仪器。它一般采用棱镜或衍射光栅和光电倍增管。它是按带面积划分的。一般有红外线、可见光、紫外线、微波、X射线光谱仪等不同波段。光谱仪;根据光谱元件不同，可分为干涉光谱仪、棱镜光谱仪和光栅光谱仪等;按检测方法分，有肉眼直接观察的分光镜、用感光胶片记录的分光仪、光电或热电分光仪。用于成分检测光谱等的分光光度计。在棱镜或衍射光栅的作用下，一束无法区分的不同波长的光，由于不同波长的折射率的差异，在空间位置上分散成不同波长的光。使用光电倍增管或CCD等设备，可以检测各种波长的光强度。

3.真空室

　　真空室内有两个石英窗口，一个石英窗口是激光入射窗口，另一个是光谱仪收集等离子体特征谱线的窗口。真空室由真空室和机械泵、分子泵串联组成，可抽气至0.0001Pa。

　　根据实验的需要，将样品暴露在大气中或置于真空室中。激光器发出的激光束经聚光镜I聚焦后聚焦在样品上。激光仪器以45°角入射到样品上，聚焦的激光束在样品表面激发等离子体。等离子体辐射出的特征光谱经聚光镜II聚焦后通过光纤发送至光谱仪。然后通过光谱软件在PC上获取和分析光谱数据。

　　延伸阅读：

　　一.激光诱导击穿光谱的优点

1.快速定性定量分析：激光诱导击穿光谱可以快速定性定量分析化合物成分，而不受多种复杂因素的影响。可在短时间内快速大量检测，有效提高检测效率。

2.灵敏度高：激光诱导击穿光谱可以检测痕量化合物，灵敏度高，可以达到ppm级检测。

3.非选择性：激光诱导击穿光谱是非选择性的，可以检测多种化合物。

4.可用于多种样品：激光诱导击穿光谱可用于多种样品的检测，包括固体、液体、气体等。

　　二.激光诱导击穿光谱的缺点

1.样品性质的影响：激光诱导击穿光谱的灵敏度会受到样品性质的影响。对于不同的样品，检测灵敏度可能差别很大。。

2.设备成本高：激光诱导击穿光谱需要高成本的设备，如激光发射器和光谱仪，因此其成本非常高。