LIBS 的工作原理

　　激光弧光光譜（LASS）、激光誘導(dǎo)等離子光譜（LIPS）或者更常見的叫法激光誘導(dǎo)擊穿光譜（LIBS）是一種原子發(fā)射光譜，它使用脈沖激光器作為激發(fā)源。它的基本原理請(qǐng)參見下面的示意圖。脈沖激光器 ( 比如調(diào)Q的Nd:YAG激光器 ) 的輸出激光脈沖被聚焦到被測(cè)物體的表面。僅使用小型激光器和簡(jiǎn)單的聚焦透鏡，就可以在激光脈沖的持續(xù)時(shí)間內(nèi)（典型值是10ns）使被測(cè)材料表面的激光功率密度超過1GW/cm2。

LIBS 原理示意圖

　　在如此之高的激光功率密度作用下，被測(cè)材料表面就會(huì)有幾微克的物質(zhì)被噴射出來，這個(gè)過程通常被稱為激光剝離，同時(shí)材料表面還會(huì)產(chǎn)生壽命很短但亮度很高的等離子體，其瞬間溫度可達(dá)10,000oC 。在這個(gè)熱等離子體中，噴射出來的物質(zhì)離解成激發(fā)態(tài)的原子和離子。在激光脈沖結(jié)束后，由于等離子體以超音速向向外擴(kuò)展所以迅速地冷卻下來。在這段時(shí)間內(nèi)，處于激發(fā)態(tài)的原子和離子從高能態(tài)躍遷到低能態(tài)，并發(fā)射出具有特定波長(zhǎng)的光輻射。用高靈敏度的光譜儀對(duì)這些光輻射進(jìn)行探測(cè)和光譜分析分析，就可以得到被測(cè)材料的元素構(gòu)成信息。

　　在測(cè)量時(shí)要使用帶門控的探測(cè)器來記錄激光脈沖延遲一段時(shí)間后所產(chǎn)生的激光等離子體的光輻射，這是由于只有在等離子體已經(jīng)膨脹并開始冷卻時(shí)才會(huì)出現(xiàn)原子或者離子的特征輻射譜線。從下面的光譜圖中展示了在不同的探測(cè)器采樣時(shí)間延遲下得到的锝的特征輻射譜線，從中可以看出在快門延遲10微秒時(shí)得到的譜線強(qiáng)度最大。

對(duì)任何材料的真正無損檢測(cè)

　　由于在測(cè)量過程中只消耗極微小的一部分材料，所以LIBS技術(shù)可以說是真正意義上的無損檢測(cè)。由于入射到樣品上的平均功率還不到1W，所以激光對(duì)樣品的加熱效應(yīng)基本上可以忽略不計(jì)。從理論上講，利用LIBS技術(shù)可以對(duì)任何材料進(jìn)行元素分析，不論它是什么物理狀態(tài)：固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)和各種混合物如煤泥、泥漿、礦石、廢料、污水等都曾經(jīng)被成功地分析過。

固體、氣體和液體的 LIBS 分析

遠(yuǎn)程分析能力

　　由于LIBS技術(shù)實(shí)質(zhì)上是一個(gè)全光學(xué)的技術(shù)，只需用光接觸被測(cè)樣品即可完成分析。所以LIBS技術(shù)可以用來進(jìn)行遠(yuǎn)程分析。通?？梢允褂靡粋€(gè)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)在10米遠(yuǎn)處進(jìn)行分析，或者使用光纖探頭在100米外進(jìn)行分析。這個(gè)特點(diǎn)使得LIBS技術(shù)特別適合對(duì)危險(xiǎn)或高溫材料進(jìn)行分析，或在非常惡劣的環(huán)境中使用。

無需樣品預(yù)處理

　　LIBS技術(shù)可以直接對(duì)材料進(jìn)行分析，而不需要對(duì)材料做任何預(yù)處理。 但如果樣品表面涂覆有其他物質(zhì)（比如氧化的或者涂層的鋼材）時(shí)，則要用激光先把樣品表面的涂層清理干凈，把下面的被測(cè)材料暴露出來，才能對(duì)樣品做分析。激光清除過程的效率取決于所要清除的材料種類以及所激光能量。通常對(duì)于幾百微米厚的氧化物、油污或者涂層，使用一個(gè)小巧的低功率激光器就可以很快清除干凈。此外，激光等離子體產(chǎn)生的超聲震波對(duì)去除半流體或者粘滯性污物有非常好的效果。例如，利用 LIBS技術(shù)可以分析表面裹有幾厘米厚的氫氧化鎂礦泥的金屬。

定量分析微量元素

　　對(duì)LIBS系統(tǒng)進(jìn)行定標(biāo)后就可以對(duì)基體材料中的微量元素進(jìn)行定量分析，比如分析鋼材中的鉻、鋁合金中的鎂、玻璃中的鐵、硫酸銅中的銅等。定標(biāo)時(shí)要使用經(jīng)過鑒定的樣品材料，這個(gè)樣品材料與被測(cè)材料具有相同的基體，但含有不同含量的被分析元素。在分析時(shí)通常采用所謂的“內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)化”的過程，即把被分析元素的譜線強(qiáng)度和基體材料的譜線強(qiáng)度進(jìn)行比較，這樣就可以減少由于激光的脈沖 - 脈沖能量不一致性所導(dǎo)致的等離子體條件變化對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。要想得到好的分析結(jié)果就要對(duì)LIBS的硬件進(jìn)行仔細(xì)的設(shè)計(jì)并采用合適的測(cè)量方法。LIBS系統(tǒng)測(cè)量的靈敏度與許多因素有關(guān)：被分析物和基體材料的結(jié)合方式， LIBS系統(tǒng)和被測(cè)樣品的距離，以及是否需要遙測(cè)等。LIBS系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果的正確性可優(yōu)于10% ，精度可優(yōu)于5%。不同元素的典型檢測(cè)限請(qǐng)參閱下面的元素周期表。

測(cè)量速度快，非接觸測(cè)量

　　在許多情況下，只用一個(gè)激光脈沖就可以進(jìn)行樣品分析，所以LIBS系統(tǒng)能夠非?？焖俚貙?duì)大量樣品進(jìn)行快速分析。再加上可以非接觸測(cè)量的特點(diǎn)，使得LIBS系統(tǒng)在廢金屬、合金和塑料回收工業(yè)中就顯得非常重要，此時(shí)大量的被測(cè)樣品在傳送帶上飛速移動(dòng)，需要測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量速度要非?？欤?zèng)]有其他技術(shù)比LIBS技術(shù)更適合在這個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用了。

分層結(jié)構(gòu)和表面涂層的深度輪廓分析

　　由于激光可以以一種可控的方式來清除表面涂層，因此分層結(jié)構(gòu)的深度輪廓分析可以用LIBS技術(shù)來進(jìn)行。 在激光不斷“鉆入”到被測(cè)材料中的同時(shí)用光譜儀對(duì)其產(chǎn)生的光輻射進(jìn)行光譜測(cè)量，就可以得到被測(cè)材料的構(gòu)成成分元素隨深度變化的函數(shù)。通常這一技術(shù)只能用于那些在典型LIBS系統(tǒng)中激光器的參數(shù)下比較容易去除的材料。比如在鋼材上鋅鍍的過程控制中的成分分析，探測(cè)油漆中的重金屬含量（鉛、鈾、钚等），檢測(cè)混凝土的成分污染等。

應(yīng)用領(lǐng)域

● 材料的遠(yuǎn)程無損分析，定性和識(shí)別

● 危險(xiǎn)材料 ( 高溫、放射性、化學(xué)毒性材料 ) 的遠(yuǎn)程探測(cè)和元素分析

● 存儲(chǔ)容器的放射性污染的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè) ( 玻璃化的高等級(jí)廢料、中間級(jí)廢料 )

● 不易接近環(huán)境中鋼材的現(xiàn)場(chǎng)成分分析 ( 核反應(yīng)堆壓力容器等 )

● 廢料回收過程中快速鑒別金屬和合金

● 關(guān)鍵部件在制造和裝配過程中的絕對(duì)金屬鑒定（ Positive Metal Identification ）

● 對(duì)液態(tài)金屬和合金進(jìn)行過程控制時(shí)的在線成分分析 ( 如鋼中的碳、硅、磷等含量的測(cè)定 )

● 對(duì)液態(tài)玻璃進(jìn)行過程控制時(shí)的在線成分分析 ( 如鐵、鉛等含量的測(cè)定 )

● 對(duì)淹沒在水中的材料進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)識(shí)別 ( 如金屬、合金、陶瓷、礦物質(zhì)、放射性材料等 )

● 對(duì)物體表面涂層的深度輪廓分析和成分分析 ( 如電鍍鋼、塑料膜層、油漆中的重金屬等 )

● 空氣中微粒的在線監(jiān)測(cè) ( 如煙囪排放監(jiān)測(cè) )

● 復(fù)雜形狀物體的成分分析