探索未知：脈沖激光器光譜之力

激光誘導(dǎo)擊穿光譜（Laser-induced breakdown spectroscopy，LIBS）技術(shù)是激光分析中的一項重要方法，廣泛應(yīng)用于實驗室和工業(yè)領(lǐng)域。該技術(shù)通過使用短脈沖激光來聚焦樣品表面，產(chǎn)生等離子體，進(jìn)而分析等離子體的發(fā)射光譜以確定樣品的成分和含量。

LIBS的原理

激光誘導(dǎo)擊穿光譜LIBS的原理

LIBS技術(shù)的基本原理是利用激光誘導(dǎo)在樣品表面或內(nèi)部產(chǎn)生等離子體，然后對等離子體的發(fā)射光譜進(jìn)行收集，通過對光譜的波長和強(qiáng)度進(jìn)行分析，定性或定量地獲取樣品性質(zhì)。測量所需的主要儀器包括脈沖激光器、光譜儀等。

根據(jù)元素特征譜線的位置，可以定性分析樣品是由哪些元素組成的。也可以進(jìn)一步對元素含量進(jìn)行定量分析，其基本原理是依靠玻爾茲曼方程，在局部熱平衡條件下，等離子體發(fā)出的由上能級i躍遷到下能級j所產(chǎn)生的特征譜線強(qiáng)度可表示為：

其中，Iij為特征譜線強(qiáng)度；F為與壽光效率相關(guān)的儀器響應(yīng)參數(shù)；ns是檢測元素的總粒子數(shù)密度；nI與nII分別為該元素的原子數(shù)和一次電離的離子束；gi、Ei、U(T)、Aij分別為上能級i的能級簡并度、上能級i的能量、配分函數(shù)和兩個能級間的自發(fā)躍遷概率。由上式可知，在等離子體溫度T、電子密度ne以及儀器響應(yīng)參數(shù)F三者保持不變的情況下，元素的特征譜線強(qiáng)度與其總粒子數(shù)密度ns成正比；在化學(xué)計量燒蝕假設(shè)的前提下，后者又與樣品中元素s的濃度Cs成正比，即：

進(jìn)而，以此為基礎(chǔ)建立元素譜線強(qiáng)度和元素濃度的單變量定標(biāo)模型，即LIBS定量分析的基礎(chǔ)。

虹科MPL2510系列DPSS被動調(diào)Q脈沖激光器

隨著科技水平的飛速發(fā)展，LIBS技術(shù)由于其快速和可定性定量分析測量，被廣泛應(yīng)用在各個領(lǐng)域，如環(huán)境監(jiān)測、天體測量、工業(yè)分揀等。其脈沖激光作為設(shè)備核心，成為不可或缺的關(guān)鍵組件，它提供了高能量、高分辨率、非破壞性和實時性，使LIBS成為一種強(qiáng)大的分析技術(shù)。虹科提供性能強(qiáng)大的DPSS被動調(diào)Q小體積脈沖激光器，可以輕松集成到LIBS設(shè)備中，提供高峰值功率、短脈沖時間和高脈沖能量，支持多波長選擇。極其穩(wěn)定的輸出能力可以在LIBS測量中大展身手，或應(yīng)用于生產(chǎn)第一線，快速完成對不同金屬材料的鑒別和定量測量，幫助用戶輕松完成材料識別和分揀，具有極高的經(jīng)濟(jì)效益比。

MPL2510的特點

• 在 1064 nm 處達(dá)到 2mJ 脈沖能量

短脈沖持續(xù)時間<500 ps

1 ~ 100 Hz的重復(fù)頻率

超緊湊、被動調(diào)Q

平均功率：200 mW

高峰值功率：4 MW

保證 >3 Gshot 壽命

其他波長可定制(532 nm，355 nm，266 nm)

MPL2510的應(yīng)用

01

土壤監(jiān)測

土壤中重金屬元素的檢測是LIBS用于環(huán)境監(jiān)測方面的重要領(lǐng)域之一。近年來，這方面的研究比空間監(jiān)測和水監(jiān)測更加豐富。

針對土壤監(jiān)測，主要關(guān)注兩個方面：一方面，由于土壤樣品元素成分復(fù)雜，基體間差別較大，因而需要研究采用不同的實驗方法和數(shù)據(jù)處理手段以得到更好的定量分析效果；另一方面,根據(jù)實際需要，結(jié)合LIBS無需樣品準(zhǔn)備等優(yōu)勢，開發(fā)更高效的現(xiàn)場檢測設(shè)備和方法。

通常，對于土壤中重金屬的檢測依賴于實驗室進(jìn)行的化學(xué)分析方法和光譜分析方法，常用方法包括活化分析法、火花源質(zhì)譜法、ICP-質(zhì)譜法、石墨爐原子吸收光譜法、ICP-發(fā)射光譜法等。而以上方法受到儀器設(shè)備及工作條件的限制，或存在單次測量只能檢測一種元素，以及操作復(fù)雜，耗時長，需破壞樣品等不足。

LIBS憑借適用對象廣、檢測限低、可對多種元素同步檢測等優(yōu)勢，在土壤監(jiān)測領(lǐng)域脫穎而出。

02

天體隕石檢測

隕石是太陽系的物體，以天文物體的碎片，如行星、衛(wèi)星、彗星或流星體為主。它們起源于外太空，最終落在地球上。從某種意義上說，隕石可以被認(rèn)為是我們太陽系幾千年歷史的載體，承載并傳遞著我們?nèi)粘８兄獾闹腔?，包含了我們今天所知道的太陽系歷史和進(jìn)化的信息。通過仔細(xì)觀察這些隕石，可以辨別出太陽系的化學(xué)特征和年齡。

由于一些隕石含有在太陽系形成之前形成的恒星星塵，這為前太陽顆粒的研究提供了恒星形成和演化的更清晰的畫面。對隕石的結(jié)構(gòu)和元素組成的了解，不僅可以為它的起源提供線索，為宇宙的起源提供更多的線索，還可以了解行星和小行星如何形成，以及大型隕石對地球和地球上生命的影響。

在LIBS中，一個強(qiáng)烈的激光脈沖聚焦在待分析的樣品上，使樣品的一小部分，在納克到微克的量級上被燒蝕。這導(dǎo)致等離子體的形成，這是樣品中存在的元素的特征。等離子體中受激發(fā)的離子和原子發(fā)出輻射，這些輻射被收集和研究。LIBS技術(shù)作為一種高效、強(qiáng)光譜技術(shù)的潛力，可以識別樣品中存在的元素，甚至達(dá)到痕量元素水平，現(xiàn)在已經(jīng)得到了證實。

由于LIBS可用于同時識別和定量幾種元素，因此它被認(rèn)為是一種強(qiáng)大的多元素分析工具，可用于不同類型的樣品，如土壤、石頭、陶器、生物樣品、考古文物、顏料、農(nóng)作物、水等。此外，在不利條件和樣品不能帶到實驗室的情況下，遠(yuǎn)程應(yīng)用該技術(shù)的可能性有望展開研究。

03

工業(yè)分揀

沒有任何一種分析方法能像LIBS那樣為化學(xué)分析提供如此廣泛的測量距離，它們從cm級到數(shù)百m不等，跨越了四個數(shù)量級，這使得工業(yè)應(yīng)用成為可能。工業(yè)LIBS應(yīng)用的兩個主要發(fā)展方向為：第一，固定式自動化LIBS系統(tǒng)，用于嵌入在工藝線中的在線測量任務(wù)；第二，手持式LIBS單元，主要用于快速陽性物質(zhì)識別鑒定。這兩個方向都體現(xiàn)了LIBS方法的獨特之處——它使用測量對象在一定距離上的純光激發(fā)，以實現(xiàn)金屬和氧化物質(zhì)的快速分析。根據(jù)工業(yè)進(jìn)料的化學(xué)成分，可將需廢棄材料（如碎片或磚塊）分類成不同的部分。在這種情況下，被測物體將被一個振鏡掃描儀跟蹤，引導(dǎo)激光束到物體的正確位置。在LIBS測量體積的上游測量奇異物體（即需廢棄材料）的三維幾何形狀，并實時評估這些信息，以便通過掃描儀控制跟蹤程序。如下圖所示，傳送帶上的虛線框表示定位LIBS測量位置的測量體積。該設(shè)備每秒最多可跟蹤100個物體，同時通過測量體積（400×400×120 mm）傳送帶速度可達(dá)5 m/s。從幾毫米的小碎片到200毫米以上的大物體，可以處理的物體尺寸范圍大大增加。

總結(jié)

虹科MPL2510系列DPSS被動調(diào)Q脈沖激光器在LIBS應(yīng)用中發(fā)揮極大的潛力，憑借其體積小重量輕的優(yōu)勢，適合集成到LIBS設(shè)備中。MPL2510適用于環(huán)境監(jiān)測和食品安全、醫(yī)療、天體物理測量、工業(yè)分揀、文化遺產(chǎn)保護(hù)等領(lǐng)域，一度成為LIBS應(yīng)用中的優(yōu)勢選擇。