激光诱导击穿光谱LIBS

LIBS原理与组成
　　当大能量激光脉冲辐照到材料表面时，由于激光具有极高的功率密度，会使材料表面迅速熔化、蒸发并气化，在材料表面附近会形成一个等离子体云，其中包含大量的分子、原子、离子、电子以及团簇结构。这些粒子会沿着样品表面的法线方向迅速扩散。随后，激光脉冲的后沿会对这些扩散的粒子进行再加热和电离，最终形成激光诱导等离子体。

　　利用光谱仪对等离子体中原子和离子发射光谱进行分析，以此来识别样品中的元素组成成分，进而可以进行材料的识别、分类、定性以及定量分析。

　　激光诱导击穿光谱，英文为Laser induced breakdown spectroscopy，简称LIBS技术。LIBS系统由大能量脉冲激光器、激光聚焦系统、光谱收集系统、光谱分析仪和分析软件所组成。

LIBS用的激光器
　　LIBS系统一般使用大能量的脉冲激光器，典型波长为1064nm（可加载其他波长，如532nm、 355nm、266nm等）。激光脉冲宽度一般为ns或ps级别，单脉冲能量在us、mJ或J量级别（需要针对不同固、液、气态物质选择不同脉冲能量和重频）。

　　在用LIBS系统定量检测物质含量时，对激光器的能量稳定性、频率稳定性，以及脉冲抖动（Jitter值，一般要求<1ns）提出严格的要求。同时要求激光器可外触发控制，控制激光脉冲输出，Q开关与TTL同步信号，以及与光谱仪的同步控制。

　　下表给出不同固、液、气态物LIBS检测时的激光器参数选择建议。CNI可以提供不同能量、脉宽、重频的激光器产品，包括风冷便携小体积的，大能量风冷以及更高能量水冷的产品，具有良好的稳定性、环境适应性、可靠性和长期工作寿命。具体可到www.cnilaser.com/ 了解。

激光器参数选择
固态物LIBS检测	金属样品 (金属、合金、钢、矿石等组分检测)	高能脉冲激光器 E:100μJ~10mJ	样品导热性好，激光器能量足够高即可
固态物LIBS检测	非金属多组分样品 (土壤中重金属、氮磷钾肥检测、煤质分析等)	低频高能脉冲激光器 E:10mJ~100mJ	样品高温易发生化学反应或燃烧
液态物LIBS检测	液体样品 (海水、工业污水检测等)	高能脉冲激光器 E:100mJ~500mJ	由于等离子体冲击波作用，液面波动影响探测稳定性
气态物LIBS检测	气体或气溶胶 (空气成分、大气污染物、汽车尾气、工业废气检测等)	低频高能脉冲激光器 E:500mJ~1000mJ	气体击穿阈值大，需要高能激光作为激发光源

LIBS用的光谱仪
　　LIBS系统中，为了确保不同元素的特征峰被精准地发现，要求光谱仪有很高的分辨率。提高分辨率意味着光谱仪的波长测量范围缩小。这时，可采用多通道光谱仪组合来扩展光谱范围。
　　CNI可以提供LIBS系统光谱仪，用户可根据需要可定制不同通道数及光谱范围。多通道光谱仪内置同步延时器，支持内控和外触发控制模式。CNI还提供适用于Spectral Analysis和LIBS的专用软件。具体可到www.cnilaser.com/ 了解。

　　以下是常见的几种多通道方案。用户可根据实际需要的光谱范围、分辨率等参数选择或定制。
多通道方案1（光谱范围：250-1050nm）

波长范围	250-450nm	450-650nm	650-850nm	850-1050nm
分辨率	0.16nm	0.18nm	0.2nm	0.2nm

多通道方案2（光谱范围：250-650nm）

波长范围	250-450nm	450-650nm
分辨率	0.16nm	0.18nm

多通道方案3（光谱范围：250-645nm）

波长范围	250-340nm	340-420nm	420-645nm
分辨率	0.12nm	0.1nm	0.18nm

多通道方案4（光谱范围：249-443nm）

波长范围	249-284nm	284-333nm	333-364nm	364-404nm	404-443nm
分辨率	0.05nm	0.05nm	0.08nm	0.08nm	0.08nm

常见元素的LIBS特征谱线
　　作为一种快捷、灵敏、可靠的元素检测技术，LIBS在环境检测（如土壤重金属元素的检测、水质的污染检测、大气污染物和海洋污染物检测等）、金属冶炼过程控制（如矿石品质、合金成分添加等）、材料分析（如钢铁材料中各种成分的含量）、食品安全（如水果中的微量元素）、生物医学（如头发中的毒素测量）、军事（如爆炸物检测）、文物鉴定等领域有广泛的应用。

　　2012年8月，“好奇”号火星探测器成功登陆火星，其主要任务之一是使用LIBS技术对火星土壤及岩石成分进行分析。主要是寻找火星土壤中的轻质元素，如碳、氮、氧等元素，用于分析火星上是否存在有机物质。“好奇”号上的LIBS系统配备高能量纳秒脉冲激光器，足以将岩石激发出等离子体，进行光谱检测。美国洛斯阿拉莫斯国家实验室提供数据处理，将探测车发回的图谱进行分析。确定岩石土壤中元素及其含量。

下表罗列出部分元素的LIBS谱特征峰。

部分元素的LIBS谱特征峰
元素	典型特征峰/nm
Na	588.9
Mg	285.21
Al	396.15
Si	517.37
Ca	551.3
Ti	498.17
Cr	425.44
Mn	322.79
Fe	404.58
Ni	553.4
Cu	570.02
Zn	334.50
Pb	338.28
Cd	260.85
Mo	423.26
Ag	430.02
Co	344.1