卓立汉光自制光谱仪Omni-λ300s与IsCMOS相机在LIBS系统中的应用

技术介绍

激光诱导击穿光谱（Laser-induced breakdown spectroscopy，简称LIBS）作为一种近年来随着激光及光谱学技术的发展而快速兴起的新型光学元素分析技术，具有快速实时、可原位检测及可远程测量等优势，被誉为“未来化学分析之星”。

其基本原理为当高能量的激光脉冲聚焦到样品表面时，会使样品表面的物质瞬间蒸发、电离，形成高温、高密度的等离子体。这个等离子体包含了样品中各种元素的离子和电子，这些离子和电子会在极短的时间内（一般在微秒级）发生复合和跃迁等过程，从而发射出具有特定波长的光子。这些光子的波长与等离子体中元素的种类有关，不同元素会发射出不同波长的光，形成特征光谱。LIBS是通过分析其特征发射光谱来分析样品物性的一种表征手段。

在 LIBS 技术的发展过程中，探测器的性能对于整个系统的探测能力起着至关重要的作用。IsCMOS作为一种先进的探测器，其时间分辨和光子增益功能为 LIBS 技术带来了显著的性能提升，使其能够采集混合在连续背景中的瞬态微弱信号，更好地满足各种复杂分析任务的需求。

大连理工大学等离子体学科研究中心依托于大连理工大学物理学院、等离子体物理国家重点学科、三束材料改性教育部重点实验室，致力于磁约束核聚变壁材料LIBS应用研究和激光烧蚀基本物理研究。是国内率先开展先进光谱等离子体诊断研究的团队之一，发展了多种激光光谱诊断平台，如激光诱导击穿光谱技术（LIBS）、激光诱导荧光光谱技术（LIF）、激光汤姆逊散射技术（TS）、光腔衰荡光谱技术（CRDS）、激光散斑干涉技术（LSI）、太赫兹光谱诊断技术（THz）、飞行时间质谱（TOF），其中多项技术处于国内**地位。
 

产品应用：

近日，在大连理工大学等离子体学科研究中心李聪教授的邀请下，将卓立汉光自制的IsCMOS像增强型相机搭配全新推出的Omni-λ300s“影像谱王”光栅光谱仪应用到李聪教授的LIBS系统中，结果如下：

Cu原子在delay:200ns，width：5us下的发射谱线：

Mo原子在delay:250ns，width：5us下的发射谱线：

上述数据利用卓立汉光全新推出的IsCMOS采集，采用高效超快像增强器，配合＞95%量子效率制冷型IsCMOS相机，可实现低噪声、超快门控拍照。上述特性使其在 LIBS 应用中能够实现时间分辨光谱采集。

在 LIBS 过程中，等离子体的形成和演化是一个动态过程，不同时刻等离子体的温度、电子密度等物理参数以及元素的发射光谱特征都有所不同。通过精确控制 IsCMOS的门控时间，可以选择在等离子体发射光谱信号*强、干扰*小的特定时刻进行采集。例如，在等离子体形成后的极短时间内，可能存在较强的连续背景辐射，而经过一定时间延迟后，元素的特征谱线发射会更加明显且背景干扰降低。IsCMOS能够根据这一特性，灵活设置门控延迟时间和门宽，获取不同时间阶段的光谱信息，深入研究等离子体的演化过程，进而更精准地分析样品的元素组成和含量，为 LIBS 技术在动态过程监测和瞬态现象研究等方面提供了有力手段。

IsCMOS具有超快光学门宽，＜3ns阴极光学门宽，内置精度＜10ps门宽控制器。下图为门宽递进10ps扫描纳秒光源图谱。

下图为延时递进200ps扫描纳秒光源图谱。

制冷型IsCMOS，芯片制冷温度低于环境35℃，有效降低芯片暗噪声。下图为IsCMOS*低背景基线。

IsCMOS具有2048*2048像素阵列，这使得它能够在 LIBS 光谱采集过程中实现高光谱分辨率。在 LIBS 分析中，不同元素的特征谱线往往非常接近，高光谱分辨率能够清晰地分辨这些谱线，从而准确地识别出样品中所含的各种元素及其含量。例如，对于一些过渡金属元素，其相邻的发射谱线可能仅有零点几纳米的波长差，IsCMOS可以精确地捕捉到这些细微的差异，为元素的精确分析提供了有力保障。

下图为IsCMOS配合卓立全新推出的Omni-λ300S光谱仪，在保证紫外高通光量的前提下，在@2400g/nm光栅时测试分辨率可达0.05nm。此外软件上优化了校正算法，多峰谱线波长校准，校准后汞灯各峰值精准度＜±0.2nm @1200g/nm。

作者简介

李聪，大连理工大学物理学院，副教授、博士生导师、大连市先进聚变能源重点实验室副主任、大连市高层次人才“高端人才”、大连市“青年科技之星”、中国博士后基金特别资助获得者。参与重大科研项目10余项，获辽宁省自然科学二等奖（排二）。在国际知名期刊发表SCI论文70余篇（第一/通讯20余篇）、授权中国发明**10余项、美国发明**1项。