概述
激光誘導擊穿光譜(LIBS, Laser-Induced Breakdown Spectroscopy)是利用高能脈沖激光來進行材料元素成分分析的一種原子發(fā)射光譜的分析技術。其基本原理是利用高能激光與樣品相互作用。激光脈沖瞬間將樣品表面的微小部分蒸發(fā),并生成高溫、高能的等離子體。等離子體內的原子和離子通過激發(fā)態(tài)回到基態(tài)時發(fā)射出特定波長的光子,不同元素的光譜具有特定的波長和強度,通過光譜儀采集這些光信號并進行分析,即可得到樣品的元素成分。
LIBS技術因其制樣簡單或無需制樣、適用于各種形態(tài)的物質(氣、固、液)、全元素同步分析、快速、實時、在線原位、遠程等特點,在元素分析領域得到了廣泛應用。隨著儀器技術的不斷進步,LIBS的應用范圍也從實驗室擴展到工業(yè)在線檢測和便攜式應用中。
對于LIBS裝置來說,光譜儀和探測器的分辨率和靈敏度是至關重要的兩個性能指標。LIBS所采集的光譜是一種由多種元素發(fā)射的復雜光譜信號,通常包括大量的發(fā)射線,這些發(fā)射線可能來自樣品中的不同元素、不同的電子能級躍遷,或是在等離子體的不同物理條件下產生。這些發(fā)射線可能存在重疊、交叉甚至是極其接近的情況,準確解析這些光譜信息變得極為挑戰(zhàn)。光譜儀的分辨率決定了它能否將靠得很近的光譜線有效區(qū)分開。如果光譜儀的分辨率不足,兩個發(fā)射線會被混淆,導致誤判或無法正確解析某些元素的存在。這對于痕量元素的檢測尤其重要,因為痕量元素的發(fā)射線通常較弱且容易被強信號掩蓋。高分辨率的光譜儀可以將這些發(fā)射線分開,確保每個元素的特征光譜得以清晰捕捉和準確分析。靈敏度則決定了光譜儀能否檢測到微弱的光譜信號,尤其是在痕量元素或弱發(fā)射元素的分析中起到關鍵作用。等離子體中的發(fā)射光強度可能因不同的物理和化學條件而差異顯著,某些元素的發(fā)射信號相對較弱。如果光譜儀的靈敏度不足,微弱的光譜信號可能會被背景噪聲淹沒,導致重要信息的丟失。靈敏度高的光譜儀不僅可以捕捉到這些微弱的發(fā)射線,還能顯著提高信噪比,使得即使在復雜背景下,也能獲得可靠的光譜數據。
本公司推出的IsCOMS相機與小型化C-T結構光譜儀(Omni系列)具備出色的分辨率和靈敏度,在LIBS的測試中表現出良好的效果。
測試效果展示
LIBS測試裝置示意圖如下所示。激光器使用納秒量級的脈沖激光器,激發(fā)波長為1064 nm。光譜儀和相機使用本公司自研的Omni系列小型化C-T結構光譜儀和IsCOMS相機,搭配配套開發(fā)的T-Lab ViewIS軟件,可以輕松獲取、分析和保存光譜數據。
圖1 LIBS測試裝置示意圖
Omni系列光譜儀有200 mm,320 mm,500 mm和750mm焦距的不同型號,光譜儀采用多光柵塔臺設計(至多可配置3塊光柵),適應不同光譜波段使用的光柵選擇,覆蓋UV-IR全波段范圍。光柵采用大面積光柵(68×68 mm),提高了光收集效率。測試使用的光譜儀焦距500 mm,光柵刻線1200 g /mm,閃耀波長 600 nm,光譜分辨率可達到0.05nm左右。
測試使用的IsCMOS相機,能夠實現低噪聲、高速、超快門控拍照。相機采用高效超快像增強器和1:1光纖面板耦合工藝技術,配合>95% 量子效率科研制冷型sCMOS 相機,具有較低的噪聲和很高的光電轉化效率,可以探測微弱的光譜信號,有助于LIBS對痕量元素或弱發(fā)射元素的分析。*短光學快門寬度小于3 ns,延遲與門控精度為10 ps,內置時序控制器DDG,滿足LIBS對光譜采集延時和門寬的需求。
圖2 IsCMOS相機自動背景扣除后的本底和汞燈光譜的基線
通過標準汞燈和T-Lab ViewIS軟件校準后,光譜儀掃描拼接譜的光譜準確度能做到 < 0.2 nm(圖3)。測試獲得了鋁合金LIBS光譜,如圖4所示,Al元素特征譜線信號明顯,譜峰位置偏移量小,譜線輪廓清晰。通過T-Lab ViewIS軟件不同中心波長掃描多次成譜,可以生成大范圍LIBS光譜(圖5)。
圖3 汞燈的掃描拼接光譜
圖4 鋁合金LIBS光譜(386.7-406.3 nm)
圖5 鋁合金LIBS掃描光譜(200-800 nm)
測試中采用配套的多芯光纖,通過線陣排列耦合到光譜儀具有更高的光通量(圖6),搭配上面陣的科學級制冷型IsCMOS,裝置具有出色靈敏度,可以檢測更弱的信號。本次測試的LIBS光譜環(huán)境為大氣環(huán)境,樣品除鋁合金還包括PVC(聚氯乙烯)、含Cl混凝土、礦石和空氣(圖7),光譜大致范圍833-843 nm。其中837.594 nm為Cl I譜線,PVC和含Cl混凝土光譜圖中對應該特征譜線位置附近存在相應峰。并且在Cl混凝土光譜圖中,在0.4 nm距離的較強譜峰干擾下,該譜峰仍能夠被較為清晰的分辨。雖然不能完*排除O II 837.584nm譜線以及分子和基團譜線的影響,但混凝土樣品光譜中極大可能測到了Cl元素的譜線信號。
圖6 IsCMOS相機圖像(標準Hg燈546.07nm譜線)
圖7 PVC(聚氯乙烯)、含Cl混凝土、礦石和空氣的LIBS光譜
參考文獻
[1] Cremers D A, Radziemski L J. Handbook of laser-induced breakdown spectroscopy[M]. Second edition edition. Chichester, West Sussex: Wiley, A John Wiley & Sons, Ltd, Publication, 2013.
[2] Qiu Y, Guo X, Shi M, et al. Plasma dynamics and chlorine emission characteristics on cement pastes using collinear dual-pulse laser-induced breakdown spectroscopy[J]. Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy, 2023, 209: 106799.
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