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APPLICATION

LIBS 激光诱导解析光谱系统

LIBS 激光诱导解析光谱系统

激光诱导击穿光谱,“Laser Induced Breakdown Spectroscopy, LIBS”,是基于脉冲激光技术、时间分辨高分辨全谱直读技术的一种元素分析方法,广泛应用于物质分析、成份检测、污染及有害物分析、物质鉴定、激光加工过程分析等领域。

一、原理

1.1 LIBS 在本质上是一种原子发射光谱技术。

任何元素的原子,可被外界能量激发到激发态,从激发态跃迁回到基态或中间态时会辐射出光子;这种发射光的波长分布称为原子发射光谱。

原子发射光谱有两大特征:1)通常而言,原子发射光谱为系列线谱;2)谱线的位置、相对强度仅跟原子序数及所处的电离态有关,与其它因素无关(不考虑同位素发射谱之间的精细差别),不同元素的发射谱不相同。目前所知的元素,其发射光谱均有详尽的数据,因此,原子发射光谱是*常用的元素分析的工具。


作为原子发射光谱的一种,LIBS通常采用纳秒脉宽、1064nm的高功率Nd:YAG脉冲激光器,对样品进行离化、加热;采用时间分辨的高分辨率全谱直读光谱仪进行探测。

因此,LIBS是一种采用激光作为离化、加热装置的新型时间分辨原子发射光谱技术。
 

1.2 LIBS的具体过程
 
短脉冲激光(数十mJ,<10ns)被聚焦到1GW/cm^2量级,入射到样品上(可为固体、液体甚至气体);
样品离化成为等离子体;
激光加热等离子体,局部*高电子温度可达十万K;
激光脉冲中止,等离子体热平衡,平衡温度约为一万K左右;
平衡后离子获得足够能量并开始膨胀,等离子体进一步降温;此期间辐射主要是黑体辐射和轫致辐射,其表现为紫外~可见~近红外连续谱,并随时间逐渐红移;
约10微秒时间以后,等离子体温度降低,此时辐射以离子与电子复合辐射为主,表现为紫外~可见的分立线谱;此即需要探测的元素发射光谱。
 
1.3 LIBS对仪器设备的要求
 
一台能量足够的、带同步内外触发的纳秒脉冲激光器;
延时脉冲发生器;
分辨率达到0.1nm及以下,并能全谱直读的光谱仪*;
带延时及门控(至少微秒量级)的探测器。
对分辨率和覆盖范围的要求,都来自于元素分辨的需求。原子发射光谱非常复杂,要区分不同的元素的相近谱线,需要相当好的分辨率和准确性;同时,通过比对多条谱线(同一元素的不同价态的谱系)来确定一个元素是*准确的方法,因此,光谱覆盖范围要求达到紫外 ~ 可见。
 
二、LIBS技术优势
 
2.1与其它类型的原子发射光谱技术相比,LIBS具备以下优势:
 
无损或微损检测。LIBS测量中,激光仅仅作用于微米量级的区域,对样品基本无损;
基本无需样品制备,避免了样品在制备中的污染;
可通过重复测量一个点,对样品表层以下做成分分析,或避免表面污染的影响;
可以通过机械结构对样品表面进行扫描,做Mapping分析;
适用于几乎任何形态的样品:固体;液体;气体。适用于各种体系的元素分析:化合物、溶液、悬浊与悬浮混合物、合金等;
相对于其它原子发射光谱技术,LIBS实验非常快速便捷,通常几秒钟就能出结果;
LIBS纯光学技术,这意味着实验装置和样品间只有光学接触,系统可以很方便的跟其它光学装置(望远镜、显微镜、光纤),实现微区测量、远程测量甚至遥测;
LIBS系统可仪器化、全固化、小型化及整体化,相对于大型实验室分析设备,有极强的移动性和灵活性,可很方便的用于现场测量;
仪器对于供电等配套要求非常简单(无须大功率供电产生射频电磁场),有极强的环境适应能力(无须氧气及氧化剂,对有害气体不敏感,全固化系统可防震、冻、热、尘),因此可适用在极端场合;作为一个典型案例,因为便携式XRF被证明在尘土环境中不适用,因此美国已经用LIBS系统代替XRF系统用于火星表面成份探测;
 
2.2与其它元素分析方式(XRF)相比,LIBS具备以下优势:
 
对轻元素(如氮等)的鉴别能力远远超过XRF;实践中的XRF只能测量纳及更重的元素;
测量过程中不使用高能射线,不会穿透样品,对人体无害。
 
三、应用
 
作为一种元素分析技术,LIBS的主要应用包括:
1)化学、材料领域,实验室用成份分析;
2)冶金工业领域,合金成分分析,杂质成份分析;
3)激光加工(脉冲激光切钻焊、脉冲激光冲击强化)科研级应用中,中间过程分析;
4)能源及矿产领域:石油、煤炭等成份分析;
5)机械动力领域科研级应用:如航空润滑油金属微粒分析;
6)地质探矿,地质考古;
7)文物古籍鉴定(古铜、铁、瓷、玉鉴定,书画油墨鉴定);
8)国防和安全:管制物品(如炸药)检测;生化武器监控;
9)建筑:建筑材料(石、砖、瓷、玻璃等)分析;
10)刑侦和鉴定:牙齿骨骼头发元素分析;宝石、贵金属元素分析;
11)环境分析:RoHS检测:工业及民用产品中有害元素检测;水中污染物监测:重金属离子及总氮(TN)、总磷(TP)含量检测;烟尘及气体排放中有害元素检测;土壤重金属污染检测及总氮检 测;
12)农林业:农作物、木材有害成份检测


 
土壤和蕃茄叶片的残留有害元素含量检测
 
四、 仪器组成
典型的LIBS装置应该由如下部分组成:
 

 
LIBS系统简图
 
1、激光:一般用纳秒量级,数十毫焦能量以上的固体激光,1064nm或532nm;
2、延时脉冲发生器:在精度在微秒及以下的延时脉冲发生器;
3、光搜集装置:透镜+光纤;
4、光谱仪和探测器:分辨率在0.1nm及更好的光谱仪;门控在微秒及以下的多通道探测器。
 
五、相关产品
 
先锋科技可提供高端研究级LIBS系统的全套设备:
 
1)法国Quantel公司 Brilliant、CFR、Ultra系列激光器,也可选配OPO激光器;1064nm能量从50mJ ~ 850mJ/pulse;
Brilliant系列激光器为紧凑型固体Nd:YAG激光器,模块化结构,方便组配多个波长。即插即用型激光器,无须调试,非常适合实验室使用,也可移动使用;
CFR/Ultra激光器为按照美国军标生产的紧凑型激光器;其抗震、耐温、耐恶劣环境的特征,及小巧的激光头与电源的体积,使得该类型激光器非常适合移动使用

2)美国DG535/DG645脉冲发生器
四通道数字脉冲延时发生器;
0-999秒延时可控;
5ps延时分辨率,<50ps抖动,<1.5ns 延时精度

3)英国Andor公司Mechelle中阶梯光栅光谱仪
唯一的商品化中阶梯光栅光谱仪
全谱直读:200nm ~ 975nm光谱覆盖范围,可探测所有元素的原子发射光谱;
高分辨率:光谱分辨能力(l/Dl)= 5000(0.1nm @ 500nm);
专利设计的分光结构,光学交叉干扰<10-2;
自动温度补偿,有效保持波长准确性;
 
丰富的配件(建议选配)
 
1.光收集器,用于收集LIBS信号并通过光纤传导到光谱仪;
2.用于波长校准的汞氩灯标准光源
3.用于强度校准的复合光源(定量分析用)
Andor-Solis软件,包括所有的元素谱线位置,自动分析样品成份

4)英国Andor公司iStar ICCD探测器
180nm ~ 850nm响应,覆盖全部元素光谱
 2ns门宽,带来精细的时间分辨能力和低占空比信号检出能力;
ICCD具备103量级的光增益,系统灵敏度大为提高,非常有利于检出微量、痕量元素组分

5)选配组件基于先锋科技强大的系统整合能力,可为用户提供实验所需的光学调整架、光学平台、透镜等光学元件,及部分实验所需的样品室、电控及手动平移台等等产品,提供完整的LIBS实验平台。